水力学6.1层流,紊流及其能量损失

1、6 层流、紊流及其能量损失层流、紊流及其能量损失本章主要任务本章主要任务:结合简单的边界条件结合简单的边界条件管流和渠道流，管流和渠道流，介绍这两种流态及其阻力损失介绍这两种流态及其阻力损失由于粘滞性作用，实际流体出现两由于粘滞性作用，实际流体出现两种流态种流态层流、紊流层流、紊流6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流 6.1.1 雷诺试验雷诺试验 6.1.1 雷诺试验雷诺试验 一、临界流速一、临界流速临界流速：临界流速：下临界流速下临界流速 一般是固定的一般是固定的,但上临界流速但上临界流速常常受外界干扰而改变常常受外界干扰而改变.流动形态流动形态(流态流态)转化时

2、的圆管平均流速转化时的圆管平均流速6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流上临界流速上临界流速 ：下临界流速下临界流速 ：从层流转换到紊流时的临界流速从层流转换到紊流时的临界流速.从紊流转换到层流时的临界流速从紊流转换到层流时的临界流速.cv cvcv 6.1.1 雷诺试验雷诺试验6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流 二二、水头损失与流速的关系、水头损失与流速的关系雷诺试验还发现雷诺试验还发现,不同的流态不同的流态,其能量损其能量损失的规律不同失的规律不同.如图如图,装两测压管装两测压管,其水位差其水位差,即为即为hw=hf 6.1.1 雷诺

3、试验雷诺试验6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流 二二、水头损失与流速的关系、水头损失与流速的关系雷诺试验还发现雷诺试验还发现,不同的流态不同的流态,其能量损其能量损失的规律不同失的规律不同.因为因为,21222222111122whgvpzgvpz其中其中,v1=v2因此因此,)()(221121pzpzhhfw改变一系列管道流量改变一系列管道流量,测得相应的测得相应的hf , v.将所测数将所测数据据取对数绘成曲线取对数绘成曲线 6.1.1 雷诺试验雷诺试验6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流 二二、水头损失与流速的关系、水头损失与流

4、速的关系改变一系列管道流量改变一系列管道流量,测得相应的测得相应的hf , v.将所将所测数据取对数绘成曲测数据取对数绘成曲线线. 6.1.1 雷诺试验雷诺试验6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流 二二、水头损失与流速的关系、水头损失与流速的关系cv曲线明显分为三段曲线明显分为三段:(1)cd段段: 当流速较小当流速较小,v 时时,紊紊流流.vhf0 . 275. 1vhf 6.1.1 雷诺试验雷诺试验6.1 流体运动的两种形态流体运动的两种形态层流、紊流层流、紊流 二二、水头损失与流速的关系、水头损失与流速的关系曲线明显分为三段曲线明显分为三段:(3)bce段段:

5、流速流速 时时,属属于层流紊流相互转于层流紊流相互转化的化的过渡区过渡区c点的流速即为下临点的流速即为下临界流速界流速 ccvvvcve点的流速即为上临点的流速即为上临界流速界流速 cv 6.1.1 雷诺试验雷诺试验6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数 由前面可知由前面可知,可用临界流速来判断层流和紊流可用临界流速来判断层流和紊流但很不方便但很不方便,?因为临界流速随过流断面的大小和流体种类而变化因为临界流速随过流断面的大小和流体种类而变化.雷诺用多种管径的管道和不同液体进行试验雷诺用多种管径的管道和不同液体进行试验,发现发现临界流速随管径临界流速随管径d 和运

6、动粘滞系数和运动粘滞系数 而变化而变化,但不论但不论d 和和 怎样变化怎样变化, 的值比较固定的值比较固定.vdvd是个无量纲的数是个无量纲的数 雷诺数雷诺数.6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数vd是个无量纲的数是个无量纲的数雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数Re由表示流动特征的两个量由表示流动特征的两个量(特征长度特征长度和特征流速和特征流速)和表示流体特性的两个量和表示流体特性的两个量(即粘度和即粘度和密度密度)组合而成组合而成.ULRe对于等直径圆管的恒定流中对于等直径圆管的恒定流中 vdvdRe6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数

7、对于等直径圆管的恒定流中对于等直径圆管的恒定流中 vdvdRe由于临界流速有两个由于临界流速有两个,则雷诺数也有两个则雷诺数也有两个: 上临界雷诺数上临界雷诺数:下临界雷诺数下临界雷诺数:dvRcecdvRcec上临界雷诺数上临界雷诺数,易受外界干扰易受外界干扰,数值不稳定数值不稳定.下临界雷诺数下临界雷诺数, 数值比较稳定数值比较稳定.经过许多试验得到经过许多试验得到,管流的下临界雷诺数为管流的下临界雷诺数为2320.6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数2320dvRcec经过许多试验得到经过许多试验得到,管流的下临界雷诺数为管流的下临界雷诺数为2320即即因

8、此因此,对于圆管流对于圆管流:当当Re Rec=2320时时,不论其管径不论其管径,流速流速,以及液体的以及液体的物理性质如何物理性质如何,流动形态为流动形态为紊流紊流.6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数AR 500RvRcec对于明渠流对于明渠流,其下临界雷诺数为其下临界雷诺数为因此因此,对于明渠流对于明渠流:当当Re Rec=500时时, 流动形态为流动形态为紊流紊流.式中式中,R:水力半径水力半径 其中其中,A:过流断面面积过流断面面积; 湿周湿周:液流过流断面上与固体边界接触的周界线液流过流断面上与固体边界接触的周界线.6.1.2 流动形态的判别准则流

9、动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数雷诺数为什么能用来判别流态雷诺数为什么能用来判别流态?(雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义)因为雷诺数因为雷诺数Re反映了惯性力反映了惯性力(分子分子)与粘滞力与粘滞力(分母分母)作用的对比关系作用的对比关系.从量纲方面来理解从量纲方面来理解6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数雷诺数为什么能用来判别流态雷诺数为什么能用来判别流态?(雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义)因为雷诺数因为雷诺数Re反映了惯性力反映了惯性力(分子分子)与粘滞力与粘滞力(分母分母)作用的对比关系作用的对比关系.在在Re较高的流动中较高的流动中,惯性力对质点运

10、动起控制作用惯性力对质点运动起控制作用,小扰动因惯性力的作用而逐渐强化小扰动因惯性力的作用而逐渐强化,粘性力抑制不粘性力抑制不住液流质点的紊乱住液流质点的紊乱,流动处于紊流状态流动处于紊流状态. 在在Re较小时流速也较小较小时流速也较小,相比之下粘性力作用增强相比之下粘性力作用增强,直到粘滞力在液流中起支配地位直到粘滞力在液流中起支配地位,从而制服液流中从而制服液流中任何不稳定的小扰动任何不稳定的小扰动,使之逐渐衰减使之逐渐衰减,趋于消逝趋于消逝,此此时水流处于层流状态时水流处于层流状态. 6.1.2 流动形态的判别准则流动形态的判别准则临界雷诺数临界雷诺数例例6.1一圆管直径一圆管直径2cm,平均流速为平均流速为0.1m/s,水温水温15,另一矩形明渠另一矩形明渠,宽宽2m,水深水深1m,平均流速为平均流速为0.7m/s,水水温同上温同上,试分别判断两者的流动形态试分别判断两者的流动形态. 三、紊流形成过程的分析三、紊流形成过程的分析 雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊雷诺实验表明层流与紊流的主要区别在于紊流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作流时各流层之间液体质点有不断地互相混掺作用，而层流则无。用，