流体力学第五章

1、一、名词解释1边界层:黏性流体流经固体壁面时，在固体壁面法线方向上存在一速度急剧变化的薄层，称为边界层。2管道进口段:边界层相交以前的管段称为管道进口段（或称起始段），其长度以L*表示。3、粘性底层：紧贴壁面有一因壁面限制而脉动消失的层流薄层，其粘滞力使流速使流速急剧下降，速度梯度较大，这一薄层称为粘性底层。二、简答题1：何谓普朗特混合长理论？根据这一理论紊流中的切应力应如何计算？答：沿流动方向和垂直于流动方向上的脉动速度都与时均速度的梯度有关。2：什么是水力光滑管与水力粗糙管？与哪些因素有关？答：当粘性底层厚度大于管壁的粗糙突出部分时，粘性底层完全淹没了管壁的粗糙突出部分。这时紊流完全感受不

2、到管壁粗糙度的影响，流体好像在完全光滑的管子中流动一样。这种情况的管内流动称作“水力光滑”或简称“光滑管”当粘性底层厚度小于管壁的粗糙突出部分时，管壁的粗糙突出部分有一部分或大部分暴露在紊流区中，当流体流过突出部分时，将产生漩涡，造成新的能量损失，管壁粗糙度将对紊流产生影响。这种情况的管内紊流称作“水力粗糙”或简称“粗糙管”对于同样的管子，其流动处于水力光滑或水力粗糙取要看雷诺数的大小。3、黏性流体总体的伯努利方程及适用条件？黏性流体总体的伯努利方程：z+匕+a性二z+pZL1Pg12g2pg22g适用条件：（D流动为定常流动；流体为黏性不可压缩的重力流体；列方程的两过流断面必须是缓变流截面，

3、而不必顾及两截面间是否有急变流。4、黏性流体在管内流动时产生的损失有哪几种？分别怎么计算？答：沿程损失是发生在缓变流整个流程中的能量损失，是由流体的粘滞力造成的损失。单位重力作用下流体的沿程损失可用达西一魏斯巴赫公式计算。hL。fd2g局部损失发生在流动状态急剧变化的急变流中，单位重力作用下流体流过某个局部件时，产生的能量损失:h=匚v。j2g总能量损失：h二工h+工hWfj5、试从流动特征、速度分布、切应分布以及水头损失等方面来比较圆管中的层流和紊流特性。流动特征层流流动：微通道和速度低、黏性大。紊流流动：流体质点相互掺混，做无定向、无规则的运动，运动要素具有随机性；紊流质点间的相互碰撞，导

4、致流体质点间进行剧烈的质量、动量、热量等物理量的输运、交换、混合等；除黏性消耗一部分能量外，紊流附加切应力会引起更大的耗能。速度分布：v一r2=r2d(p+pgh)圆管中的层流流动，其流速的分14卩dl布规律为旋转抛物面。紊流流动由于流动机制不同于层流，其速度分布和层流有根本的不同。在靠近管轴的大部分区域内，流体质点的横向脉动使层流间进行的动量交换较为剧烈，速度趋为均匀，速度梯度较小，该区域称为紊流充分发展区或紊流核区。由于紧贴壁面有一因壁面限制而脉动消失的层流薄层，其粘滞力使流速急剧下降，速度梯度较大，这一薄层称为黏性底层。切应力分布：T一丿(p+pgh)黏性流体在圆管中作层流流动时，2dl

5、同一截面上的切向应力的大小与半径成正比，同样适用于圆管中的紊流流动。6结合尼古拉兹实验曲线简述各分区及其影响因素。层流区。R2320且“64R。该区域内，管壁的相对粗糙度与沿ee程损失系数无关。过渡区。可能是层流也可能是紊流。紊流光滑区。该区域沿程损失系数与相对粗糙度无关，只与雷诺数有关。紊流粗糙管过渡区。此过程中，随雷诺数的增大，黏性底层逐渐减弱，水力光滑管逐渐变为水力粗糙管，进入粗糙管过渡区。该区域的沿程损失系数与相对粗糙度、雷诺数有关。紊流粗糙管平方阻力区。沿程损失系数与雷诺数无关，只与相对粗糙度有关。三、计算题例如图所乔为用于测试新阀门压强降的设备.2】匸的水从一容器通过锐边入门进入筲

6、系+钢管的内轻均対5山1*绝対粗糙度为曲】叽行路中三个弯管的管径和曲率半径之比d/W旳水泵保持稳定的流/h,若在绪定流量下水俶養用计的示数人mm（门求水通过阀门的圧强降*计算水逋过阀门的局部损失系数：O）讦算阀门前水的计示压强：（4）不计水泵损失，求逋过该聚统的总损失”井计算水衆供给水的功率.【解】管内的平均流遠为=1.699nifs4乞_4x12霽3.14xO.O52x3600阀门流体尊阀门的压强降印=(pH：,-p)gh=(13600-100Qx9.807xO15=18522(2)觸鬥的局部损失系数2由竺2gpg解得宀QV-2x18522lOOOxl.6992=12.83(3)计算阀门前的

7、计示压强，由于要用到粘性流休的伯努里方程,必濒用有先已知量确M方稈中的沿程损失系数*2PC的A嚓度Q近似取0(X)kg/m3,Jj粘度丸1+0.033+0.00022121.792x11+0.0337x21+0.000221=21-=0.993x10-Pa,s管内流动的雷诺数为1000 x1.699x0.050.993x10-=855xl0426.98X(J/e)sn=26.9SX(.50/0.04)fl/7=9.J4X104由于4000Re26.98X(die)可按紊流光滑管的有关公式计算沿程损矢系数.又由于4000ReIO所以沿楼损先系数的计算町用勃拉修斯公式即q0.3164Z=0.316

8、4Re025(8.55x1O4)=O185忖逍入I的周部损先系数：二0.5报据粘性流体的伯努里方程可解得卩=1用-(1+彳+兄)2Ljpgl2g469Q21.8-(I十0.54-0,0185x：一xl000 x9,807=133170.052x9.807hIIIIII诺数Re=试求管内=0.15mm的均匀沙粒人工粗糙管时，其沿程损失dfO.3(4)根据己知条件d/R=0.1查表，弯管的局部阻力系数=0.131、在管径d=100mm、管长L=300m的圆管中流动着t=10的水，雷解：10C时，i/=L3Lm2总损失h严为打迁旳计单位返嚴流体经过水泵时錢紂的能彊人hp、列水箱液面利水管出11的伯勢

9、里方程20=(2-1.8)+-/if+AHy2i6Q92由”式可解得/i=(2-1.8)+-+/!=0.2+2.70=3.047mH.Op2g2x9,807-Re=-x80000=1.04m/sd0.1rIV2d2g关键在确定三种情况的阻力系数2(1)管内壁为K=0.15mm的沟匀砂粒时/d=0.0015,Re=80000,杳图4-11得2=042故/23),142提示；属于紊流过渡区知=A-0.02XX-=3.31m均匀粗糙管只能杳尼古心01196拉兹图4U水泵的功率P为P=卩飢凤=1000 x9.807x-x3.Q47=99.61w3600在图5-22所示并联管道中1i=900m=0.00

10、03m;l=600m,d=0.2m,=0.00003m;l=1200m,d=0.4m,TOC o 1-5 h z22233=0.000024m；u=1X10-6m2/s,p=998kg/m3,p=9.807X3A105pa,z=z=20m,若总流量q=0.4m3/s.求每个分支管道的流量q和BABvvi点的压强PB.解由于管道很长，局部损失忽略不计。按式(5-42)，式(5-43)计算沿程损害系数。对于管1，试取q=0.1m3/s.则v=1.415m/s,R=424413，由于v11e1/d=0.001,可算得入=0.02143.111hf1=0.02143X(900/0.3)X(1.4152

11、/(2X9.807)=6.563m对于管2入2X(600/0.2)X(u22/(2X9.807)=6.563m由于2/d2=0.00015,试取入2=0.016,则u2=1.638m/s,Re2=327524VR=2.333X107,在试取入=0.01632.则u=1.621m/s,R=324279,eb222e2入2=0.01634,故有q=n/4X0.22X1.621=0.0509m3/sv2对于管3入3X1200/0.4Xu23/2X9.807=6.563m由于/d=0.00006,试取入=0.014，则u=1.75m/s,R=700276VTOC o 1-5 h z3333e3R=2.

12、333X107，入=0.01384。以入为试取值，则eb233u=1.76m/s,R=704346,A=0.01383,故有3e33q=n/4X0.42X1.76=0.2212m3/sv3工q=0.1+0.0509+0.2212=0.3721m3/sv流量的分配为qvi=(0.1/D.3721)X0.4=0.1075m3/sqv2=(0.0509/D.3721)X0.4=0.0547m3/sQv3=(0.2212/0.3721)X0.4=0.2378m3/s校核hu=1.521m/s,R=456244，入=0.02138,h=7.565mTOC o 1-5 h zf1el1flu=1.741m/s,R=348231，入=0.01622,h=7.521me22f2u=1.892m/s,R=756941，入=0.01373h=7.5517me33f3Hf1,hf2与hf3之间的最大误差不超过1%,这在工程商事允许的，可取平均损失水头hf=7.534m作为计算的依据，由于Za+PA/Pg=ZB+P