流体力学fluid4-10管流损失1

6 1流动的两种型态 层流 湍流 6 2圆管层流流动 6 3圆管紊流流动 6 4圆管紊流沿程损失 第6章有压管流 能量损失 6 6局部损失 6 5非圆管流 沿程损失 6 1流动的两种型态 雷诺实验发现 实际流体的流动会呈现出两种不同的型态 层流和紊流 它们的区别在于 流动过程中流体层之间是否发生混掺现象 在紊流流动中存在随机变化的脉动量 而在层流流动中则没有 雷诺实验简介 小流量 中流量 大流量 实验现象 打开阀门 当管中流速较小时 可看到颜色水在管中呈明显的直线形状且很稳定 这说明此时整个管中的水都是作平行于轴向流动 流体质点没有横向运动 不互相混杂 为层流状态 将阀逐渐开大颜色水开始抖动 直线形状破坏 为过渡状态 当阀门开大到一定程度 颜色水不再保持完整形态 而破裂成杂乱无章 瞬息变化的状态 这说明此时管中流体质点有剧烈的互相混杂 质点运动速度不仅在轴向而且在纵向均有不规则的脉动现象 此为湍流状态 如果此时将阀门关小 紊乱现象逐渐减轻 管中流速降低到一定程度时 颜色水又恢复直线形状出现层流 1883年 雷诺试验表明 圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数 d是圆管直径 v是断面平均流速 是流体的运动粘性系数 实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果 针对圆管中恒定流动的情况 容易理解 减小d 减小v 加大 三种途径都是有利于流动稳定的 综合起来看 小雷诺数流动趋于稳定 而大雷诺数流动稳定性差 容易发生紊流现象 圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数 也是粘性相似准则的实际应用 圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数 又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数 上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流 它很不确定 跨越一个较大的取值范围 有实际意义的是下临界雷诺数 表示低于此雷诺数的流动必为层流 有确定的取值 圆管定常流动取为 12000 40000 工程判别标准 圆管 取 非圆管 定义水力半径为特征长度 相对于圆管有 湿周 故取 水力半径Dh 4 湿周 由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别 例如 我们将会学到圆管中定常流动的流态为层流时 沿程水头损失与平均流速成正比 而紊流时则与平均流速的1 75 2 0次方成正比 利用这一点来判别流态比用肉眼直接观察更可靠 管流水头损失规律 层流 紊流 lghf lgk nlgv 6 2圆管层流流动 能量损失hl概念 hf 沿程水头损失 Frictionheadloss 边界对水流的摩擦阻力损失一部分机械能流层之间的相互摩擦力损失一部分机械能紊流 大小尺度不同的旋涡hm 局部水头损失 Localheadloss 边界层的分离产生旋涡要产生额外的水头损失 由于边界形状突然改变而产生的hm 1 沿程水头损失 在边壁沿程不变的管段上 流动阻力沿程也基本不变 称这类阻力为沿程阻力 克服沿程阻力引起的能量损失称为沿程损失 沿程损失的经验公式 沿程阻力系数 无量纲 V 管子有效截面上的平均流速 l 管子的长度 d 管子的直径 2 局部水头损失 在边界急剧变化的区域 阻力主要地集中在该区域内及其附近 这种集中分布的阻力称为局部阻力 克服局部阻力的能量损失称为局部损失 例如在管道进口 变径管和阀门等处 都会产生局部阻力 引起局部阻力的原因是由于旋涡区的产生和速度方向和大小的变化 局部损失的经验公式 局部阻力系数 无量纲 一般由实验测定 用压强损失表达 用水头线表示 沿程损失与切应力的关系 列1 1和2 2断面的能量方程 流动为均匀流 惯性力为零 列平衡方程 J 单位长度的沿程损失 水力坡度 同理 任意r处 定常均匀流基本方程 上式对层流 紊流均适用 J 单位长度的沿程损失 水力坡度 线性分布 鉴于壁面切应力的重要性 定义壁面切应力与密度之比的开方为摩阻流速 由 有 断面流速分布 层流 牛顿内摩擦定律 又 积分 a 旋转抛物面 b 平均速度 c 层流动能修正系数 层流动量修正系数 测量圆管层流平均速度的方法 3 沿程损失系数 又 比较得 注意 v 但hf v 层流流动的沿程损失与平均流速的一次方成正比 且仅与雷诺数有关 而与管道壁面粗糙与否无关 例 应用细管式粘度计测油的粘度 细管d 6mm l 2m Q 77cm3 s 水银压差计读值h 30cm 水银密度 m 13600kg m3 油的密度 900kg m3 求油的运动粘度 解 设为层流 解得运动粘度 校核流态 计算成立 起始段和充分发展流动 入口段长度L 经验公式 层流 希累尔 Sc