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1、2012年 12月 15日 1流体运动的主要形式按流体与固体接触情况分，流体运动主要有四种形式1、流体在固体内部的管中和缝隙中流动。2、流体在固体外部的绕流。3、流体在固体一侧的明渠流动。4、流体与固体不接触的孔口出流和射流。本章主要讨论流体在固体内部的管中流动第五章 管中流动管中流动所涉及的问题流动状态、速度分布、起始段、流量和压差的计算、能量损失等等2012年 12月 15日 21、流体在固体内部的管中和缝隙中流动2、流体在固体外部的绕流。3、流体在固体一侧的明渠流动。4、流体与固体不接触的孔口出流和射流流体运动的四种形式2012年 12月 15日 35.1 粘性流体运动的两种流态 :层流
2、 (Laminar Flow)湍流 (Turbulent Flow) 两种流态的运动特征 1883年英国物理学家雷诺（ Reynolds）通过试验观察到液体中存在层流和湍流两种流态。2012年 12月 15日 4流体流动的状态 Reynolds雷诺实验雷诺实验装置溢水红墨水节流阀1、玻璃管中流速较小时，管中颜色水成直线，颜色水沿轴线流动，没有横向流动，不互相掺杂，这种现象称为 层流 。2、将节流阀逐渐开大，颜色水开始抖动，直线形状破坏，称为过渡状态。3、节流阀开大到一定程度，也就是管中流速增大到一定程度，颜色水开始杂乱无章，质点在横向和纵向都有不规则的速度，这种状态称为 湍流 。2012年 1
3、2月 15日 5流体流动的状态 Reynolds实验层流 成直线 过渡流 开始抖动湍流 杂乱无章2012年 12月 15日 6层 流 层流的特点（ 1）有序性。 水流呈层状流动，各层的质点互不混掺，质点作有序的直线运动。（ 2）粘性起主要作用，遵循牛顿内摩擦定律。（ 3）能量损失与流速的一次方成正比。（ 4）在流速较小且雷诺数 Re较小时发生。2012年 12月 15日 7湍流 湍流 ： 是指局部速度、压力等力学量在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动。 湍流流动的特点（ 1）无序性、随机性、有旋性、混掺性。流体质点不再分层流动，而是呈现不规则湍动，流层间质点相互混掺，为无序的随机运动。（ 2
4、）湍流受粘性和湍动的共同作用。（ 3）水头损失与流速的 1.752次方成正比。（ 4）在流速较大且雷诺数较大时发生2012年 12月 15日 8临界速度如果管径 d及流体的运动粘度 v一定从层流 湍流时的平均速度也是一定的，称为 上临界速度 ,从湍流 层流时的平均速度也是一定的，称为 下临界速度 , cvcvccvv如果管径 d及流体的运动粘度 v改变，则上、下临界速度也随之改变，但是不论 怎么变化，无量纲数永远一定的。, , ,ccd v v ccv d v d或2012年 12月 15日 9层流、湍流的判别标准 临界雷诺数 上临界雷诺数：层流 湍流时的无量纲数 ，它易受外界干扰，数值不稳定
5、。 下临界雷诺数：湍流 层流时的无量纲数 ，是流态的判别标准。cvdRecRec层流 湍流湍流层流 vccvv0cvd2012年 12月 15日 10圆管流 临界雷诺数R e 2 3 2 0 , R e 1 3 8 0 0cc 实验测得：实验测得：当一般可以认为层流湍流判别标准就是下临界雷诺数R e R e c 层流R e R e R ecc 可能是层流或湍流R e R e c 湍流R e 2 3 2 0 湍流R e 2 3 2 0 层流2012年 12月 15日 11层流、湍流形成的原因 流速较小时，粘性力起主要作用 。粘性力与流动方向或者相同或者相反。在粘性力的作用下，流体质点只可能沿流动
6、方向加快或降低速度，不会偏离原流动方向。 流速较大时，惯性力起主要作用 。粘性力对质点的束缚作用降低，其它方向的自由度增加，流体质点容易偏离原流动方向。Re 惯性力粘性力2012年 12月 15日 12雷诺数介于上下临界值之间，虽然可能是层流也可能是湍流，但在这种情况下的层流是不稳定的，在受到外界的干扰和振动时原来的流线会稍有起伏波动，波峰处流道变窄，流速加快，压强降低。波谷处流道变宽，流速降低，压强增大。流线两侧的压强差，使流线波峰更加隆起，波谷更加凹陷。同时产生二次流动（高压处流体向低压处流动）。最后流线被冲断，形成脉动涡旋，原来不稳定的层流变成湍流。2012年 12月 15日 13答：不
7、能。 因为临界流速跟流体的粘度、流体的密度和管径（当为圆管流时）或水力半径（当为明渠流时）有关。而临界雷诺数则是个比例常数，对于圆管流为 2320。问题： 能不能直接用临界流速作为判别管路中的流态（层流和湍流）的标准？2012年 12月 15日 14其中 : A 过流断面面积 ,S 湿周4H Ad SRe v d v dHvdRe水利半径雷诺数 的特征尺寸 l在圆管中取直径 d，在异形管中用什么呢？Re vl利用过流断面的面积 A的 4倍与流体 固体接触周长 S（湿周）之比表示特征尺寸。这种尺寸称为水利直径。同 dH表示。异形管雷诺数的计算公式首先看一下，圆管直径与断面 A和断面上流体固体接触
8、周长 S的关系2444 dA dSd2012年 12月 15日 15根据实验 ， 几种异形管道层流湍流的判别标准 Rec值见下表 ，比较 Re与 Rec的大小即可判别这几种异形管道中的流动状态：2012年 12月 15日 16四 管中层流、湍流的水头损失规律根据第三章所得 （ P188） ：gpphf 21只要在雷诺实验台上读出水柱差 ， 就可以得到水头损失 ， 改变速度逐次测量层流湍流两种情况下的 v对应的 hf的值 ， 实验结果如图所示 。层流时vkhvkvkhff111 lglg45t a nlglg湍流时222l g l g ta n l g l g mfmfh k v k vh k
9、v 层流时，湍流时， (m=1.75-2) 流态的不同，流动损失和速度之间的关系有很大的差别。管路中层流湍流的水头损失规律：1fh k v2 mfh k v2012年 12月 15日 17例题一已知 : 水 =1.7910-6m2/s, 油 =30 10-6m2/s, 若它们以 V=0.5m/s的流速在直径为 d=100mm的圆管中流动 , 试确定它们的流动状态 .答 : 水的流动雷诺数 : 279332320，湍流油的流动雷诺数 : 166764)dLdLdLdL67,2320Re,30,1000Re,3,100ReRe02875.0时ReA实验测得的起始段长度为当5.2.6 层流起始段湍流起始段湍流质点相互混杂，因而流体进入管口后不用很长距离就可以完成其在断面上的湍流速度分布。通常湍流起始段比层流起始段要短些。2012年 12月 15日 36gvdlAhf 2Re2如果管长远远大于起始段，起始段的影响可以忽略。如果管长小于起始段，则沿程损失计算公式：式中 A的实验值可由表 5-2查出。液压传动中，大部分是短管，可用简化公式计算Re752012年 12月 15日 371、什么叫层流 ?2、如何判断流动状态 ?3、什么叫水力直径 ?4、简述层流和湍流流动损失和速度关系？练习 : 2， 6作 业
