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1、第3章 管流流动,3.1 流体流动状态,3.2 圆管层流流动,3.3 圆管湍流流动,3.4 管流阻力,1雷诺实验,图3-1 雷诺实验装置,3.1 流体流动状态,A进水管;B小容器;C,K调节阀;D玻管;E玻管进口,2两种流动状态,紊流:,很慢 层流 较大 过渡态 大 紊流(湍流),3.1 流体流动状态,所有流体质点只作沿同一方向的直线运动,无横向运动。,层流:,流体质点作复杂的无规则运动(湍流)。,过渡状态:从层流到紊流之间。,结论,判别流体流动状态的标准:,3.1 流体流动状态,雷诺数Re,临界雷诺准数为Rec:流体流动从一种状态转变为另一种状态的雷诺准数Re。,一般取Rec = 2300,
2、3.1 流体流动状态,层流紊流 Rec上=13800,紊流层流 Rec下=2300,当量直径de:,A导管或设备的流通截面积,m2; S被流体所浸润的导管或设备的周长,m。,3.1 流体流动状态,物理意义: Re数是一个无因次的变量组合,它从 本质上反映了惯性力和粘性力之比。惯性力越大, 越有利于紊流的形成,粘性力越大,越有利于保持 层流状态。,例3-1 设水及空气分别在内径d=80mm的管中流过,两者的平均流速相同,均为=0.3m/s,已知水及空气的动力黏度各为水=1.510-3Pas,空气=1710-6 Pas,又知水及空气的密度各为水=1000kg/m3,空气=1.293kg/m3,试判
3、断两种流体的流动状态。,3.1 流体流动状态,解 按式(3-1)计算Re得:,3.1 流体流动状态,(1)水的Re数:,(2)空气的Re数:,紊流流动,层流流动,3.2 圆管层流流动,已知:一种不可压缩流体,在长度为L,半径为R的圆管中做充分发展的稳态层流流动。 求:管道中流体的速度分布。,3.2 圆管层流流动,方法: (1)微元体分析法 (2)N-S方程简化,3.2.1微分方程的建立,3.2 圆管层流流动,层流流动: 平行流层之间的法线方向(圆管内则为径向):仅存在黏性动量传输; 流体流动方向:仅存在质点的对流动量传输。,微元体:从长度为L,半径为R的垂直圆管中,取一厚度为r的同心圆薄层 作
4、为微元体,3.2 圆管层流流动,通过薄层外表面传出的黏性动量为,通过薄层内表面传入的黏性动量为,作用在薄层上的重力为,作用在A面(z=0)上的总压力为,作用在B面(z=L)上的总压力为,对流动量收支差量(z方向为零):0,动量蓄积:0,作薄层的动量平衡得:,3.2 圆管层流流动,上式化简,取极限得:,圆管层流流动常微分方程,3.2 圆管层流流动,3.2.2截面速度分布,积分上式得:,C1=0,3.2 圆管层流流动,3.2.2截面速度分布,流体流过水平管道时:,3.2 圆管层流流动,3.2.3截面平均速度,r=0时,流速最大:,截面上的平均流速为:,1. 紊流的起因,漩涡的形成,漩涡脱离原来的流
5、层,3.3 圆管紊流流动,2. 紊流特征,3.3 圆管紊流流动,2. 紊流特征,时均速度:瞬时速度在一段时间内的平均值,因此,紊流流动时仅考虑时均速度,3.3 圆管紊流流动,3. 紊流流动的雷诺方程,连续性方程,3.3 圆管紊流流动,N-S方程,4. 紊流流动模型,4.1混合长度模型,3.3 圆管紊流流动,4. 紊流流动模型,4.1混合长度模型,3.3 圆管紊流流动,附加切应力,湍流中的总摩擦应力=粘性切应力+附加切应力,4. 紊流流动模型,4.2 K-双方程模型,3.3 圆管紊流流动,K方程,方程,5. 管流速度分布,层流:抛物线型,紊流:盾头抛物线型,3.3 圆管紊流流动,3.4 管流阻力
6、,阻 力,管 流 局 部 阻 力,综 合 阻 力,管流摩阻,绕流摩阻,3.管流阻力,流 体 流 动,阻 力,流速增大,阻力增大,计算通式,k值计算方法,理论推导,经验方法,半理论、半经验方法,注意:阻力计算用动能 但损失的是静压能,3.4.1 圆管层流摩阻,圆管层流摩阻(理论推导方法):,推导步骤,3.4.1 圆管层流摩阻,(1)建立微分方程:圆管内轴对称流动,可直接引用柱坐标系连续性方程及动量平衡方程,(2)简化微分方程:单向层流流动z、不可压缩流体、稳定流动、水平轴对称流动,(3)求解微分方程:在轴对称边界条件下对微分方程积分,求得管内层流流速分布,(4)求平均流速:根据平均流速的计算式,
7、得,(5)求k:,层流下圆管的摩擦系数,Pa,3.4.1 圆管层流摩阻,注意:圆管层流摩阻与流速的一次方成正比!,3.4.2圆管内紊流摩阻,圆管内紊流摩阻:, 光滑圆管内的摩阻(半理论、半经验方法),紊流下圆管的摩擦系数,理论推导方法思路与圆管层流相同,Re=31031108,Re105,布拉修斯公式, 粗糙圆管内的摩阻(实验方法),绝对粗糙度,相对粗糙度,3.4.2圆管内紊流摩阻,3.4.2圆管内紊流摩阻, 层流向紊流过渡的区域:变化不明显,2300Re4103,一般按光滑区处理,紊流光滑管流区:仅与Re有关,4103Re105,布拉修斯修正式:,尼古拉兹修正式:,3103Re108,3.4
8、.2圆管内紊流摩阻,Re105,阔尔布鲁克公式:,尼古拉兹计算式:,出现的原因?,3.4.2圆管内紊流摩阻,当层流底层 hf与Re有关,当层流底层 hf与Re、有关,当层流底层 hf与有关,层流:hf与Re有关,紊流:层流底层出现,计算的通用式:,金属管道: = 0.025 砖砌管道:= 0.050,经验值,原因,3.4.2圆管内紊流摩阻,3.4.2圆管内紊流摩阻,工程实际管道的 查莫迪图,非圆形管道的摩阻:,Pa,A管道的截面积,m2;S管道的周长,m,例如,正方形截面管道,3.4.3非圆形管道的摩阻,例3-2:直径d=200mm,长度L=300m,管壁粗糙度=0.19mm的钢管,输送流量q
9、m=25kg/s的重油,若重油的运动黏度=0.35510-4m2/s,密度=900Kg /m3,试求摩擦阻力损失。,3.4.3非圆管内紊流摩阻,解:重油的流速,3.4.3非圆管内紊流摩阻,解:查莫迪图得=0.038,请同学们回去选择经验公式计算一下!,例3-2:有一矩形截面(1.0m1.5m)砖砌烟道,通过600,3500m3/h的烟气,烟道长L=10m,粗糙度=5mm,烟气的运动黏度=0.910-4m2/s,烟气密度0=1.29kg/m3,试求摩擦阻力损失。,3.4.3非圆管内紊流摩阻,解:烟气流速,烟气密度,当量直径,3.4.3非圆管内紊流摩阻,解:雷诺数,相对粗糙度,查莫迪图得=0.03
10、,3.4.4 管流局部阻力损失(经验方法),局部阻力:由于流体流向,速度变化而引起的阻力损失,流体流过弯头、闸阀、三通及变管径区域,kr局部阻力系数,经验法确定,查表,3.4.4.1 管流截面突然扩大时的局部阻力,1、2两截面列伯努利方程,在稳定流动条件下对1、2两截面作动量平衡,3.4.4.1 管流截面突然扩大时的局部阻力,用1计算 时:,用2计算 时:,kr值仅与Al/A2或A2/A1有关,而与Re无关。,3.4.4.2 改变流向时的局部阻力,kr值与转向角、Re、d/(d为管径,为转向曲率半径)及管道是否粗糙等因素有关。,表3-2 kr值与及粗糙度的关系,表3-3 kr值与d/的关系,3
11、.4 管流系统阻力阻力,管 流 局 部 阻 力,管 流 系 统 阻 力,管 流 摩 擦 阻 力,Pa,减少流体阻力损失, “经济流速”的选择:,综合考虑, hr,尽量减少转弯或截面变化, hf,尽量L,3.4.5.1 减少管流系统阻力损失的途径,计算方法,串联管路特点:各段流量相同,,并联管路特点:各支路阻损相同,,3.4.5.2 管流系统阻力损失计算,3.4.5.2 管流系统阻力损失计算,串联管路,并联管路,3.4.5.2 管流系统阻力损失计算,例3-4 鼓风机供给高炉车间的风量为2000m3/min,空气温度t=20,运动黏度=0.15710-4m2/s,风管全长L=120m,其上有曲率半
12、径1=2.6m的90弯头5个,曲率半径2=1.3m的90弯头4个,阻力系数kr=2.5的闸阀两个,风管粗糙度=0.5mm。若风管内空气流速为25m/s,热风炉进口处表压力为157kPa,求风管直径及风机出口处的表压力。,3.4.5.2 管流系统阻力损失计算,解:风管直径,列风机出口处1截面与热风炉进口处2截面的伯努利方程,(1)计算,根据莫迪图,查出=0.0156,3.4.5.2 管流系统阻力损失计算,解:(2)计算kr,(3)计算空气的密度,局部阻力系数的总和为: kr=22.550.14540.294=6.889,3.4.5.2 管流系统阻力损失计算,解:(4)计算hL,(5)风机出口处的表压力,p1=1571037887=164.9kPa,小 结,一、本课的基本要求,1了解阻力的概念及计算通式 2掌握管流摩阻计算方法及的确定方法 3. 管流局部阻力,管流阻力计算,二、本课的重点、难点,重点:管流摩阻计算 难点:应用,三、作业,习题P52 3-10 3-11 3-12 3-13 3-15,