《流体力学与流体机械》 课件 模块四 粘性流体流动及阻力

模块四黏性流体流动及阻力演讲人

实际流体都是有粘性的。黏性流体运动中不可避免地存在阻力、衰减及扩散现象，黏性流体运动时总是伴随着内摩擦及传热过程，发生能量损耗。流体在运动过程中会受到阻力，阻力问题是流体力学中最重要的问题之一，阻力和能量损失的计算也是流体工程中必须解决的问题，因此也是流体力学必须研究的重要内容。

本模块首先分析流动阻力产生的原因，介绍流动状态及流态判别准则，进而研究黏性流体的层流和紊流，最后讨论流场中物体所受到的阻力问题。项目一黏性流体的流动状态及流动阻力项目一黏性流体的流动状态及流动阻力【学习目标】掌握黏性流体的两种流动状态及对流态的判别标准；掌握研究流动状态雷诺实验的实验原理及意义；掌握流动阻力的两种形式及流动阻力系数的意义；掌握沿程损失与局部损失的成因及计算方法。黏性流体的流动状态--雷诺实验

从19实际初期起，通过实验研究和工程实践，人们注意到了流体流动的能量损失的规律和流动状态密切相关。直到1883年，英国科学家雷诺所进行的著名实验才进一步证明了实际流体存在两种不同的流动状态和能量损失与流速之间的关系。雷诺实验是流体力学中的重要实验之一。雷诺实验装置如图4-1所示。

图4-1雷诺实验装置雷诺实验

图4-2沿程损失与速度的关系流态判别准则——雷诺数当研究流体绕物体流动时，雷诺数定义为：故管中的水处于紊流状态。黏性流体的流动阻力黏性流体在流动过程中，流体之间的相对运动而产生切应力以及流体与固体壁面之间产生摩擦阻力，根据成因的不同，可将黏性流体所受的阻力分为沿程阻力和局部阻力两大类。这些阻力的形成将使流动流体的部分机械能不可逆转化为热能，引起流体机械能损失，称为能量损失；其造成的能量损失根据所受阻力的不同可分为沿程损失和局部损失。（一）沿程阻力及沿程损失（二）局部阻力及局部损失单位重量流体的机械能损失分成了沿程损失和局部损失，在实际的计算中，整个管道的能量损失等于各管段的沿程损失和局部损失的总和。即沿程阻力系数1.尼古拉茨实验图4-3尼古拉茨实验曲线表4-1各种管道壁面的当量粗糙度△2.莫迪图沿程阻力系数图4-4莫迪图局部阻力系数1.端面突然扩大图4-5断面突然扩大局部阻力系数对断面1-1和2-2列伯努利方程得取断面1-1和2-2间的流体为控制体，由动量方程得此即断面突然扩大的局部损失计算公式，称为包达公式。为求得局部阻力系数，将式（4-11）稍作变换，并利用连续性方程。可得局部阻力系数断面逐渐缩小（渐缩管）图4-6渐缩管局部阻力系数局部装置的当量管长几种常见局部装置的当量管长列于表4—3中，供使用时参考。局部阻力系数能量损失的叠加当一条管路中包含有若干个局部装置时，管路的总水头损失等于沿程损失与所有管件的局部损失之和，即式（4-15）体现了能量损失的叠加原则，它是计算管路总损失的基本公式。为便于应用，可将它变为更简洁的形式：局部阻力系数习题与思考题1.造成沿程损失和局部损失的主要原因各是什么？它们分别发生在什么流段？局部阻力系数什么是能量损失？能量损失有哪几类？3.在直径相同的管中流过相同的液体，当流速相等时，它们的雷诺数是否相等？当流过不同的流体时，他们的临界雷诺数是否相等？局部阻力系数什么是能量损失？能量损失有哪几类？图4-7习题8图图4-8习题9图项目二流体在圆管中的流动项目二流体在圆管中的流动【学习目标】掌握流体在圆管中的流动状态及流动规律；掌握流体在圆管中流动时的流速分布、应力分布及损失等。圆管中的层流流动--速度分布图4-9圆管中的层流流动将此式代入式（B），得（二）流量和平均速度（三）内摩擦应力分布速度分布（四）沿程损失此式表明，圆管层流中的沿程损失与平均速度的一次方成正比，这与雷诺实验的结果吻合。将式（4-20）稍作变换，可得比较式（4-5）得，圆管层流的沿程阻力系数为：即圆管层流的沿程阻力系数只与雷诺数有关，与壁面的粗糙程度无关。解：由已知条件得由此可知两种温度下的流动均为层流，沿程阻力系数可用式（4-21）计算，再由达西公式（4-5）得相应的沿程损失为：圆管中的紊流流动除少数情况外，工程上最常见的还是紊流流动。紊流十分复杂，到目前为止，对它的研究基本上还是在一定假设条件下，通过理论分析和实验验证，总结出一些半理论半经验的公式。脉动现象和均时化的概念紊流中，流体质点经过某一固定点时，速度、压力等总是随时间变化，而且毫无规律，这种现象称为脉动。图4-10圆管中的紊流脉动现象和均时化的概念图4-11时均速度时均速度和时均压力的引入，给研究紊流流动带来了极大的方便，只需将流体的紊流流动看成是以时均速度、时均压力等在流动，前面所述的一切概念可直接用于紊流中。有一点应当注意，对紊流的时均化处理只是研究紊流的一种方法，并不能改变紊流的实质。当研究紊流阻力时，必须考虑质点混杂运动和动量交换的影响。紊流中的切应力在紊流中，除了沿主流方向的运动外，流体质点还有垂直于主流方向的脉动，如图4-12所示。图4-12脉动速度（三）水力光滑管与水力粗糙管紊流中的切应力（四）圆管中紊流速度分布此式表明，紊流状态下，断面上的速度是按对数规律分布的，如图4-13所示（实线）。图中虚线表示平均速度相等的层流速度分布。图4-13除上述对数规律外，紊流速度分布还可表示成指数规律，即习题与思考题1.什么是紊流的时均化？怎样理解定常紊流和非定常紊流？2.何谓层流底层？其厚度对紊流区的流动有何影响？3.什么是水力光滑管和水力粗糙管？4.为什么圆管中紊流速度分布要比层流的均匀？项目三缝隙流【学习目标】掌握流体在通道内流动的一般特性；掌握两无限大平行平板间的层流以及偏心环形缝隙流。缝隙流是指流体在相距很近的两固体壁面之间的流动。因两壁的间距很小，其间的流体因受到壁面阻滞作用较大，通常处于层流状态。平面平板间的缝隙流图4-14缝隙中的层流缝隙中的内摩擦应力为线性分布，即以上结果是针对平行平板缝隙流的讨论得出的，但对同心环形缝隙中的轴向流动也适用。下面分三种情况进一步讨论。平面平板间的缝隙流logo图4-15压差流由式（4-35）得这是线性规律，如图4-16所示.平面平板间的缝隙流图4-16剪切流流量和平均速度分别为：平面平板间的缝隙流图4-18液压千斤顶示意图解：这种情况可以简化为两固定平行平板间的流动问题。缸内油的相对压力为：泄露量为偏心环形缝隙流严格来说，工程实际中同心环形