06-管流第1次流体力学

1、第五章 层流、紊流及其能量损失,54 紊流流动的特征,学习内容回顾,一. 紊流中物理量的表示,紊流流场各项物理量的平均值不随时间而变，则可称为“恒定”的紊流。,“恒定”紊流,二. 紊流附加应力,在紊动的时均流场中会出现新增的应力 叫做紊流附加应力或雷诺应力，它是脉动流速对平均流动的贡献。,则时均流动的总切应力,EXIT,四. 紊流流动的近壁特征,粘性底层的名义厚度,EXIT,紧贴着物面，脉动流速受壁面制约趋于零，其中的流动为层流。这一层叫做粘性底层或层流底层。在粘性底层，粘性应力占主导地位。在紊流流核区，紊动充分发展，由流体微团的脉动流速引起各层流体之间的动量交换产生紊流附加切应力（或称雷诺应

2、力）占主导地位。,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。,粘性底层的实际厚度,粘性底层,摩阻流速,水力光滑和粗糙圆管流动间的过渡区。,粗糙高度已进入流速分布的对数区，连续的粘性底层已经不存在，为水力粗糙圆管流动。,粗糙高度小于粘性底层厚度，为水力光滑圆管流动。,EXIT,五. 流道壁面的类型,粗糙高度ks为表征管壁粗糙程度的特征长度。,EXIT,光滑圆管紊流断面流速分布,粗糙圆管流动速度分布,六. 紊流流速分布,过渡粗糙区,1.5,30.6,r0 /ks,60,126,252,507,3.0,6.0,0.2,5.0,4.0,0.4,0.6,0.8,1.0,粗糙区,过

3、渡区,光滑管,层流区,EXIT,圆管流动沿程水头损失系数的尼古拉兹试验曲线,一. 尼古拉兹实验,55 紊流的沿程损失,莫迪图,层流,层流区,过渡区,粗糙区,过渡粗糙区,光滑管,ks/d,EXIT,1775年谢才总结明渠均匀流动的情况，给出计算均匀流动的经验公式,三.明渠流动的沿程水头损失系数,谢才公式,EXIT,明渠流动沿程水头损失的表达、估算都用水力半径 R . 沿程水头损失系数 与 Re 和 ks/R 的关系由系列试验研究给出，以供使用。一般规律与圆管基本相同。,明渠流动沿程水头损失,谢才公式,EXIT,谢才（A.Chezy ，17181798，法国）,谢才建立了明渠流量经验公式,用谢才公

4、式要注意两点：谢才系数C是有量纲的；确定谢才系数的经验公式主要依据来自于紊流粗糙区的实测资料。,根据谢才公式,说明 相当于我们定义的 ，并无实质上的区别。正因为如此，谢才公式也常用于有压管道的均匀流动。,曼宁公式,EXIT,谢才系数,是最常用的，使用米秒制单位，n是边界粗糙系数（糙率），其量纲不甚明确，查表后将相应数值代入公式即可。,56 流动的局部水头损失,一.局部水头损失形成机理,有压管道恒定流遇到管道边界的局部突变 流动分离形成剪切层 剪切层流动不稳定，引起流动结构的重新调整，并产生旋涡 平均流动能量转化成脉动能量，造成不可逆的能量耗散。,局部水头损失,二.局部水头损失系数,三.突扩圆管

5、的局部水头损失系数,四.突缩及其他局部水头损失系数,对应下游，即细管中的速度水头。,其他各种弯管、截门、闸阀等的局部水头损失系数可查表或由经验公式获得。,本章在定量分析沿程水头损失和局部水头损失的基础上，对工程实际中最常见的有压管道恒定流动和孔口、管嘴出流进行水力计算。,EXIT,第六章 孔口、管嘴出流和有压管流,第六章 孔口、管嘴出流和有压管流,61 孔口与管嘴出流,62 有压管道恒定流动的水力计算,EXIT,63 有压管道中的水击,EXIT,61 孔口与管嘴出流,孔口与管嘴出流分类 薄壁孔口出流 厚壁孔口出流 孔口非恒定出流 圆柱形外伸管嘴出流,EXIT,一. 孔口与管嘴出流分类,液体从孔

6、口以射流状态流出，流线不能在孔口处急剧改变方向，而会在流出孔口后在孔口附近形成收缩断面，此断面可视为处在渐变流段中，其上压强均匀。,收缩断面,孔口出流的分类,EXIT,小孔口出流,大孔口出流,恒定出流,非恒定出流,H/D10?,H随t 变否?,薄壁出流确切地讲就是锐缘孔口出流，流体与孔壁只有周线上接触，孔壁厚度不影响射流形态，否则就是厚壁出流，如孔边修圆的情况，此时孔壁参与了出流的收缩，但收缩断面还是在流出孔口后形成。,EXIT,自由出流,淹没出流,薄壁出流 厚壁出流,H2,H2=0?,管嘴出流,如果壁厚达到34D，孔口就可以称为管嘴，收缩断面将会在管嘴内形成，而后再扩展成满流流出管嘴。管嘴出

7、流的能量损失只考虑局部损失，如果管嘴再长，以致必须考虑沿程损失时就是管流了。,EXIT,自由出流的收缩断面上相对压强均为零。对上游断面O-O和收缩断面C-C运用能量方程即可得到小孔口自由出流公式,二. 薄壁孔口出流,EXIT,能量方程,小孔口自由出流公式,由于边壁的整流作用，它的存在会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，视孔口边缘与容器边壁距离与孔口尺寸之比的大小而定，大于3则可认为完全收缩。,流量系数是流速系数与小孔口断面收缩系数的乘积,完全收缩,非 完 全 收 缩,无收缩,EXIT,流量系数,小孔口淹没出流的相应公式只需将作用总水头改成孔口上游总水头与下游水位的差即可。作用总水头是

8、上游总水头与出口测压管水头的差，用来支付出口速度水头和全部水头损失。,EXIT,能量方程,作用总水头: H0-Hc,小孔口淹没出流公式,由于淹没出流的作用总水头与孔口在自由面下的深度无关，所以小孔口淹没出流的流速和流量公式也适用于大孔口淹没出流。,大孔口自由出流的流量公式形式不变，只是出口断面上的测压管水头不均匀，应近似取为孔口形心处的值，具体的流量系数也与小孔口出流不同。,EXIT,大孔口自由出流公式,大孔口淹没出流公式,厚壁孔口出流与薄壁孔口出流的差别在于收缩系数和边壁性质有关，注意到收缩系数定义中的A为孔口外侧面积，容易看出孔边修圆后，收缩减小，收缩系数和流量系数都增大。,三. 厚壁孔口

9、出流,EXIT,四. 孔口非恒定出流,EXIT,t = T,C,A,AC,D,C,t = 0,H,H2,H1,容器水位变化，形成非恒定出流,假设容器断面积较大，微小时间段内视为恒定出流,根据连续性，易知,EXIT,t = T,C,A,AC,D,C,t = 0,H,H2,H1,积分,设t=0， H=H1 ；t=T，H=H2,令H2=0，可得泄空时间,五.圆柱形外伸管嘴出流,EXIT,H0,管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出流。但是管嘴出流为满流，收缩系数为1，因此流量系数仍比孔口大，其出流公式为,管嘴出流公式,管嘴出流流量系数比

10、相应孔口出流大,管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释，由于收缩断面在管嘴内，压强要比孔口出流时的零压低，必然会提高吸出流量的能力。,EXIT,H0,收缩断面处的真空,62 有压管道恒定流动的水力计算,EXIT,简单管道的水力计算 复杂管道的水力计算,有压管道：当管道被流体充满时，容许在管内发生高于或低于大气压的压强。 无压流动：当输送液体的管道没有被液体所充满而存在自由液面，且液面上为大气压。 长管：以沿程损失为主，局部损失和流速水头可忽略的管道（l 1000d） 短管：局部损失和流速水头损失之和大于总水头损失的5%。 简单管路：管径不变且没有分叉的管道 复杂管道：由两

11、条或多条简单管道组合而成的管道系统,基本概念,有压管道恒定流动水力计算主要解决以下几方面问题：, 计算管道输水能力； 确定作用水头； 计算沿程压强分布。,沿程损失,局部损失,已能定量分析，原则上解决了恒定总流能量方程中的粘性损失项。,管道中的满流,EXIT,实际流体恒定总流能量方程,一.简单管道的水力计算,自由出流,EXIT,有压管道的进口是淹没的，出口分自由和淹没两种情况，它们的作用水头是不同的。,上游总水头和下游测管水头之差，用于支付出口速度水头和全部水头损失（包括沿程损失及所有局部损失）。,改写,作用水头,EXIT,管系流量系数,作用水头 H,EXIT,v,O,O,1,1,2,2,淹没出

12、流,z,h,=,z+h,0,=,=,=,h,作用水头 z,EXIT,=,z+h,0,=,=,=,用3-3断面作下游断面,0,h,=,出口水头损失按突扩计算,EXIT,管系流量系数,淹没与自由出流相比，作用水头不同，管系流量系数相同，局部损失中不包含2-2断面出口损失。,EXIT,流量模数 与流量具有相同的量纲,如果作用水头的95%以上用于沿程水头损失，我们就可以略去局部损失及出口速度水头，认为全部作用水头消耗在沿程，这样的管道流动称为水力长管。否则为水力短管。,水力长管,对水力长管，根据连续方程和谢才公式可知,长管:作用水头全部用于支付沿程损失,EXIT,压强的沿程分布,入口断面 0-0，任意

13、断面 i-i,通过有压管道定常流动的水力计算，容易确定沿程压强的分布，得到测压管水头线。测压管水头线低于管轴线，为负压。工程中有时需要避免压力的低值，为此找出管道中的压力最低点，检验其是否满足要求。如压力过低，可采取调整管道位置高程、降低流速等措施解决。,EXIT,EXIT,空化会造成水力机械效率的降低以及气泡在随后压强稍高的区域溃灭时的空蚀危害。理论上认为压强低于当地温度下液体的蒸汽压强就要发生空化。,当液流局部地区的压强降低到一定程度时，液流的内部会出现气体（或蒸汽）空泡或空穴，这种现象叫空化。,空化现象,今后有压管道恒定流动的水头线可依据水力计算结果，比较精确地定量绘制。,有压管道恒定流动的水头线,计算实例,z,z2,1,1,2,2,3,3,水泵最大