流体力学完整第四章-黏性流体的运动和阻力计算PPT课件

2020/5/25，浙江工业大学流体力学与流体机械专业。2，第4章粘性流体运动及其阻力计算，4.1粘性流体的两种流动状态，4.2两种形式的能量损失，4.3圆管中的层流，4.4圆管中的湍流，4.5圆管中流动阻力系数的确定，4.6局部阻力系数的确定，4.7管道计算，3，概述，管道中的流体流动是工程实践中最常见的流动条件。由于实际流体是粘性的，管道中流体的流动将不可避免地导致能量损失。本章主要讨论管道中不可压缩流体的流动规律，包括流动状态分析、能量损失计算方法等。从而解决工程中常见管道系统的计算问题。4，4.1粘性流体的两种流动状态和粘性流体的两种流动状态：湍流状态、层流状态、雷诺1883、雷诺实验、过渡状态、湍流状态、层流状态。5，小流量，6、介质流量、当流速大于上临界速度时，上临界速度、下临界速度、层流紊流的上临界速度、紊流层流的下临界速度和下临界速度是紊流。当流量小于较低的临界流量时，会出现层流；当流速在上下临界流速之间时，可能是层流或紊流，这与实验的初始状态、有无扰动等因素有关，但实践证明紊流更有可能发生。雷诺实验表明，相同玻璃直径下不同液体的临界速度也不同，高粘度液体的临界速度也较大。如果在不同的玻璃管直径下测试相同的液体，测得的临界流速也不同，而大管径的临界流速较小。临界雷诺数是一个无量纲数。下临界雷诺数、上临界雷诺数和雷诺数是判断流体流动状态的标准。那时，流动状态可能是层流或湍流，这是非常不稳定的。任何微小的扰动都会破坏稳定性，变成湍流。当流体流动为雷诺数时，流动状态为层流；当时，局势动荡不安。它容易受到外部干扰，数值不稳定。是判断水流模式的标准，只取决于水流的横截面形状。其次，雷诺数和雷诺数是判断流体流动状态的标准。上临界雷诺数在工程上一般没有实际意义，所以通常采用下临界雷诺数作为判断流动状态是层流还是湍流的标准。2000，2000，层流，湍流，雷诺数为流体在任意截面管道中流动时的当量直径。为了计算沿各种流体通道路径的损失，必须首先确定流体的流动状态。水力半径R=A/，A:流动横截面面积，:流动横截面与固体边界之间的接触周长，缩写为湿周长，对于圆管：R=A/=r2/2r=d/4，对于非圆管：当量直径de=4R=4A/，12，2，雷诺数，物理意义，惯性力，粘滞力，因此雷诺数是惯性力与粘滞力的比值。雷诺数表明惯性力和粘滞力中的哪一个在流动过程中起主导作用。雷诺数很小，表明粘性力起主导作用，流体颗粒受粘性约束，处于层流状态。大雷诺数表明惯性力起主导作用，粘度不足以限制流体颗粒的湍流运动，流体处于湍流状态。有效段1-1和2-2之间的压头损失是压力计中水柱的高度差。对于管壁非常光滑的管道和管壁粗糙的管道，其中k是系数，m是指数，沿路径的损失与平均流量、测得的平均流量和相应的水头损失之间的关系都是通过实验确定的。层流状态和湍流状态，m=1，m=1.752，可以是层流或湍流。一，层流，特点：水分层流动，各层颗粒不相互混合，颗粒呈有序的直线运动。理想流体微元流束的伯努利方程和粘性流体总流量的伯努利方程互不相同：1 .速度2。能量损失，17.4.2流体能量损失的形式。1.当流体在管道中流动时，由于流体和管壁之间的粘附以及流体颗粒和流体颗粒之间的内部摩擦，沿流动路径阻碍流体运动的阻力称为沿流动路径的阻力。为了克服沿路径的阻力而损失的机械能称为沿路径的能量损失，沿路径每单位重量流体的能量损失称为沿路径的能量水头损失，表示为h，18，定义为：在慢流的整个过程中发生的能量损失是由流体的粘滞力引起的损失。达西威斯巴奇公式，其中：沿程阻力系数(无量纲)，v管道有效截面上的平均流速，L管道长度，d管道直径，计算公式：特征：管道越长，沿程阻力越大。4.2流体能量损失的形式。19，当流体在管道中流动时，当它通过局部区域时，例如弯曲、流动通道、阀门、三通接头等的突然膨胀或收缩。流速的大小和方向被迫急剧变化，导致流体颗粒的冲击、涡流、二次流、流动分离和壁面再附着。这时，由于粘性的作用，颗粒之间发生强烈的摩擦和动量交换，从而阻碍了流体的运动。这种在局部障碍物上的阻力称为局部阻力。流体克服局部阻力所消耗的机械能称为局部能量损失，而每单位重量流体的局部能量损失称为局部能量水头损失，由h、2局部阻力表示。20，这发生在流动状态的突然变化中。流体颗粒之间发生剧烈的能量交换，导致损失。例如，阀门、弯管、变形部分等。计算公式如下：定义：2。局部抵抗，21岁。某一段管道上流体引起的总能量损失应为该段管道上各种能量损失的叠加，即等于沿管道的所有能量损失和所有局部能量损失之和，由公式表示为、3。总能量损失，能量损失的维数是长度，在工程中也称为水头损失。圆管层流中的运动微分方程(牛顿力学分析)(参考教材第71页的N-S方程分析)取一个dx半径为R的圆柱体，不考虑质量力和惯性力，只考虑压力和剪切应力，然后根据牛顿粘性定律，然后有。23，4.3圆管层流，24，边界条件：r=R，u=0；然后就可以得到定积分常数。然后，图4-1示出了圆管中层流的速度和剪切应力分布，2示出了速度分布规律和流速，25示出了在横截面的任意半径r处具有dr宽度的圆环，如图4-2所示。由于dr很小，可以认为它上面的速度是相等的，所以通过微元件区域dA=2rdr上的微流的流的整个横截面的流率是，流率计算，图4-2，1)最大流量和平均流量，由此可知，当r=0时，存在最大流量umax和平均流量，2)剪应力的分布规律，剪应力可以根据牛顿的内摩擦定律来计算，3)还有其他几个问题，由于r=0的存在，当=0r=R，=0时，剪应力分布关系可以得到为，和圆管中的剪应力分布。根据动能修正系数和动量修正系数的定义，圆管层流中的动能修正系数和动量修正系数分别为、4、动能修正系数和动量修正系数。圆管层流中沿流动的能量损失将代入上述公式，其中=64/Re，即圆管层流中沿流动的能量损失系数。沿路径克服阻力所消耗的功率为(qv为体积流量)，5、沿路径的能量损失2.采用时间平均法分析湍流运动。如果取时间间隔T，瞬时速度在时间T上的平均值称为时间平均速度，其缩写为时间平均速度，即，时间平均压力。31，1。紊流速度结构管内紊流的速度结构可分为以下三个区域：(1)粘性底层区域(层流底层):在靠近管壁的薄层区域，流体的粘性力起主要作用，速度分布呈线性，速度梯度很大。这个薄层叫做粘性底层。如图所示。(2)湍流核心区：在管轴中心区，粘度的影响逐渐减弱，流体脉动较剧烈，速度分布较均匀，流体处于完全湍流状态。该区域称为紊流核心区(3)过渡区：粘性底层与紊流核心区之间的区域，非常小，速度分布接近紊流核心区的速度分布规律。紊流速度结构、水力光滑管和水力粗糙管附加剪应力：紊流脉动速度产生的力通常称为附加剪应力。紊流中的总剪应力应由粘性剪应力和附加剪应力组成。即2。截面速度分布(详细推导见教科书第78页)粘性底层区域，即积分：湍流核心区域因此被分类和积分。3.紊流剪应力分布和截面速度分布，34.1.Nikuras试验进行了大量的试验，得到了与雷诺数Re和管壁相对粗糙度/D的关系曲线：4.5沿管流阻力系数的测定，1。层流区(一)雷诺数范围为Rec2320。2.临界区雷诺数范围为2320 re 4000。3.光滑管湍流区(三)的雷诺数范围为、通式，4。光滑管到粗糙管过渡区的雷诺数范围为5。粗糙管紊流区的雷诺数范围(V)为，(柯勒伯鲁克半经验公式)，(阿里特苏里公式)，(尼古拉粗糙管公式)，37岁2岁。穆迪，例1。镀锌钢管，长度l=1000m米，内径d=200mm毫米，用于输送运动粘度的油，测量流量Q=38L/s。确定沿线的损耗？解决方案：(1)确定流速和流动状态，管道中的U为，Re为，因此管道中的流动状态可确定为紊流，(2)选择，并根据Re计算沿管道的损失，因为，沿管道的损失为，沿管道的损失为。40、4.6和局部阻力系数的确定，局部能量损失可大致分为三类：(1)由管道横截面积的大小变化引起的局部能量损失。例如，管道段突然膨胀、突然收缩、逐渐膨胀和收缩等。(2)管道方向变化引起的局部能量损失，如各种圆形弯头、直角弯头、弯管、三通管等。(3)流速和方向变化引起的局部能量损失。例如，各种阀门(平板阀、球阀、锥形阀、滑阀等。)。局部阻力损失：4.6局部阻力系数的确定，42，4.6.1层流中局部阻力的损失，43，如图所示，管段突然膨胀，取1-1，2-2个缓慢变化的横流管段，以管轴所在的管段为基准面，写出伯努利方程：4.6.2管段突然膨胀的局部阻力系数，局部阻力系数或， 46 . 4 . 6 . 3在计算流体的雷诺数、阻力和摩擦系数时，应包括圆形管道或设备的内径，以反映管道或设备的几何因素(形状和尺寸)对流量的影响。 但是应该如何处理非圆形管道(矩形)？对于非圆形管道，必须找到与直径相等的量来计算Re、h和等。当用当量直径De代替圆管的直径D时，在相同的re、L/D、/D值下，反映的流动状态和阻力与圆管中的流动状态和阻力一致。水力半径RH被定义为交叉的比率4.6.3液压半径和等效直径。48，2，等效直径De，对于圆形管道：A=0.785D2，L=3.14D，因此相对湿度=0.785D2/3.14D=0.25D，即D=4RH。说明：圆管直径是水力半径的4倍。由此可以得出，对于非圆形管道或设备，取4倍水力半径作为当量直径De。4.6.3水力半径和等效直径，长度为A、宽度为B的矩形截面的等效直径：De=2ab/(A . B)内径为D1的圆管与外径为D2的圆管之间的环形通道的等效直径：De=D1-D2注：等效直径仅用于代替圆管的直径，以表明管的几何因素对某些水动力现象有相同的影响。它不能用来代替圆管的直径来计算物理量(如横截面积、流速、流速等)。)不在这个范围内。4.6.3液压半径和等效直径。50、4.7管道计算、工艺设备设计：计算在特定条件下(例如特定流速、管道直径和长度)输送流体所需的额外能量(例如风扇或泵的功率)。过程校准或检查：计算在特定条件下(如特定管道直径、长度和总水头损失)输送流体时可达到的流体流速。工艺管道设计：计算应选择满足特定流量条件的管道直径(例如，在特定压头下达到特定流量)。4.7.1简单管道计算，例1:如图所示，开式水池1的液位在水泵下方5米处。水泵以100公斤/小时的流速吸取水箱1中20的水，并将水输送到液位比水泵高25米的开放式水箱2中。输送管管径为30毫米，总长度为150米，全程有4 90个标准弯头和2个球形中心阀。众所周知，水泵的效率是75%。试着找到水泵的动力？例2:20的水在直径为150毫米的石棉水泥管中不断流动。如果每米管道长度的允许水头损失为0.002米水柱，则需要计算管道中的水流。对于石棉水泥管，摩擦阻力系数的计算公式如下：=0.206Re-0.21分析：要求出流量，必须知道流量；(2)速度既是阻力的变量，也是摩擦阻力系数的变量。然后通过一起求解两者的方程就可以得到流速。例3:温度为20的水流经300米长的水平钢管。可用水头损失为6米，所需流量为34立方米/小时。应选择什么直径的管道？分析：虽然阻力计算公式和流量公式都可以使用，但是摩擦阻力系数、管径和流量都是未知的，所以不可能用这两个公式来求解这三个未知数。然而，必须注意的是，所选择的管道是标准规格的，所以我们可以使用试错法来解决这个问题。串联管道：由几条不同直径的管道依次连接而成的管道。串联管道特性(1)如果连接点处没有泄漏，则各段流量相等，即(2)总水头损失是各段损失之和，即4.7.2复杂管道计算，以及(2)并联管道1)根据流量连续性原则，总流量等于各分支点流量之和，即(2)并联管道段中， 单位质量流体产生的压头损失相等(因为平行管段有共同的连接点，连接点之间的压力差是每个平行