Chap4 机械设计机械设计Fluid-dynamics-IV.pptx

第四章 实际流体和流体阻力 实际流体具有粘性，会导致能量损失。本章分析实际流体运动形成阻力的原因，分类及流态的变化，并建立实际流体运动的微分方程式。 §4-1 管路中流动阻力产生的原因及分类 实际流体具有粘性，在壁面处由于粘附效应其速度为零，远离固壁处，流体运动具有一定的速度，因而形成了速度梯度和剪切层。流层之间相互摩擦，消耗能量，从而形成阻力。下面讨论决定影响阻力的因素。一、水力半径 R 壁面与实际流体接触面积的大小是影响阻力的一个因素，通常把管子断面的周长叫做湿周，用 表示， 越大，阻力越大。但它还不能全面表明管径大小和形状对阻力的影响。 管路断面面积的大小也是影响阻力的重要因素，大直径管路对其中通过的全部流体来说，与管壁接触的流体所占的比例较小，因而流动比较顺畅，小直径的管路则相反。流体力学中用断面积 A 和湿周长度 的比值来标志管路的几何形状对阻力的影响，用R表示，称为水力半径，即（4-1）对圆管，水力半径 对方管，水力半径 水力半径越大，流动阻力越小；反之亦然。 二、壁面粗糙度 不同材料制成的管子，壁面粗糙度不同。把管壁上突起的高度e称为绝对粗糙度，其平均值e/d 称为平均粗糙度，用 表示。显然粗糙度大的管子会引较大的涡流和能量损失。 三、 管长 管路越长，流动阻力越大，对长输管线，长度引起的阻力是主要的。 流体流动存在着两种不同的流态，流速较低时，流体各层分层流动，互不掺混。当流速增加到一定数值，流动进入紊流状态，流动特性将发生较大改变。§4-2 两种流态及转化标准 1883年，雷诺总结了大量试验结果，发现在管流中存在着两种不同的流态，并找出了划分两种流态的标准。 ?一、 流态及其转变、临界流速 流态的变化可以从下述实验观察到。如图，入口的水管将染色的液体注入，随水流一起运动。当入口流速较低时，色液在玻璃管内成非常平稳的直线，见（a）,说明液体是平行的直线流动，各流层不掺混。 2.入口流速逐渐增加，到某一数值时，色液开始颤动，摇摆，出现不稳定的状态，见（b）。 3.入口流速逐渐增大，色液不再连续，立即向周围紊乱地扩散，见（c）。 从上面的三种现象可以进行分类：第一种流动状态称为层流状态（液体平行流动，有摩擦和变形，各层不掺混）；第三种状态称为紊流状态，此时流体质点相互撞击和掺混；第二种状态称为临界状态，是层流到紊流的过渡状态（ 变为层流， 变为紊流）。相应的速度称为临界流速 。 试验若从大流速到小流速进行，会出现从（c）到（a）的变化过程，即从紊流到层流的变化过程。 二、转换标准 为了确定划分流态的标准，需要通过实验建立水头损失与流速的关系。 实验装置如图所示。在实验段上接出二根相距为 l 的测压管，因为是在水平等直径管段，故能量方程为 ： 实验时流量和平均流速可精确测量。将不同流速下的水头损失数据描绘在双对数坐标纸上发现：无论是层流还是紊流状态，试验点都分别集中在不同斜率的直线上，它们的方程是（4-3）式中：——直线的斜率， (是直线与水平线交角）——直线的截距。大量实验表明：1）层流时即： 或（4-4） 说明层流时，沿程损失与平均流速成正比；2）紊流时（4-5）即： 或 紊流时沿程损失与平均流速的1.75~2次方成正比(平方阻力区)。 实验还表明从层流过渡到紊流与从紊流过渡到层流，临界流速有所不同，前者略大。 试验中发现，当变换管径或变换流动介质时，临界流速要发生变化，因此用临界流速来判别流态是不方便的。即单用流速，尚不能对任意管路中的流态作出判断。 三、雷诺数 流动阻力产生的根本原因是流体本身的惯性和粘性，这两个力的比值为一个无因次数，称为雷诺数 ，其表达式为（4-6）式中： 流体密度， 流体动力粘度， 流体运动粘度， 平均流速， 管径。 可以看出，雷诺数是流体流动时的惯性力与粘性力之比。 紊流时，惯性力大， 大；层流时，惯性力较小， 较小。因此用雷诺数来判断流态，可以同时反映出流速、管径和流体物理性质三方面对流态的影响，综合考虑引起流动阻力的内因和外因。 对于任何一种管内流体和流态，都可确定一个雷诺数值 ，与临界状态对应的雷诺数称为临界雷诺数，用 表示。大量试验表明，不同流体，通过不同直径管道时，虽然临界流速各不相同，但其临界雷诺数都大致相同。管流中临界雷诺数的数值约为（4-7）因此，可以用雷诺数 对管路内的流态进行判断：当 时，层流当 时，紊流当 时，临界状态 两种不同流态时，流动阻力与平