《流体力学管道阻力计算课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体力学管道阻力计算课件（108页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5管内不可压缩流体流动重点:阻力计算一、雷诺实验一、雷诺实验 实际流体的流动会呈现实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则动量，而在层流流动中则没有。没有。5.15.1粘性流体的两种流动状态粘性流体的两种流动状态两根测压管中的液面高差为两断面间的沿程水头损失两根测压管中的液面高差为两断面间的沿程水头损失速度由小变大，层流速度由小变大，层流 紊流；紊流；上临界流速上临界流速
2、速度由大变小，紊流速度由大变小，紊流 层流；层流；下临界流速下临界流速紊流运动紊流运动层流运动层流运动流态不稳流态不稳5.1 5.1 粘性流体的两种流动状态粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验一、雷诺实验5.1 5.1 粘性流体的两种流动状态粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验一、雷诺实验(续续)实验现象实验现象(续续)二、流动状态与水头损失的关系二、流动状态与水头损失的关系速度由大变小，紊流变为层流；速度由大变小，紊流变为层流；DC1B ；紊流运动；紊流运动；CDE线线；层流运动；层流运动；AB直线直线；流态不稳；流态不稳；紊流运动；紊流运动；E点之后点之后速度由小变大，层流变为紊流；速度由小变
3、大，层流变为紊流；BC+CD 由由上上述述的的实实验验分分析析看看出出，任任何何实实际际流流体体的的流流动动皆皆具具有有层层流流和和紊紊流流两两种种流流动动状状态态；流流体体运运动动状状态态不不同同，其其hfhf与与v v的的关关系系便便不不一一样样，因因此此，在在计计算算流流动动的的水水头头损损失失之之前前，需需要要判判别别流流体体的的运运动动状状态态。例例如如，圆圆管管中中定定常常流流动动的的流流态态为为层层流流时时，沿沿程程水水头头损损失失与与平平均均流流速速成成正正比比，而而紊紊流流时时则则与与平平均均流流速速的的1.751.752.02.0次方成正比。次方成正比。层层流流过过渡渡区区
4、紊紊流流三、流动状态判别标准三、流动状态判别标准通通过过量量纲纲分分析析和和相相似似原原理理发发现现，上上面面的的物物理理量量可可以以组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。称为称为雷诺数。雷诺数。由于：由于：所以：临界速度不能作为所以：临界速度不能作为 判别流态的标准！判别流态的标准！18831883年年，雷雷诺诺试试验验也也表表明明：圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的流流态态转转化化取取决决于雷诺数于雷诺数 d 是圆管直径，是圆管直径，v 是断面平均流速，是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。是流体的运动粘性系数。实实际际流流体体的的流流动动之之所
5、所以以会会呈呈现现出出两两种种不不同同的的型型态态是是扰扰动动因因素素与与粘粘性性稳稳定定作作用用之之间间对对比比和和抗抗衡衡的的结结果果。针针对对圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的情情况况，容容易易理理解解：减减小小 d，减减小小 v ，加加大大 三三种种途途径径都都是是有有利利于于流流动动稳稳定定的的。综综合合起起来来看看，小小雷雷诺诺数数流流动动趋趋于于稳稳定定，而而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。粘性稳定粘性稳定扰动因素扰动因素 d v 利于稳定利于稳定 圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的流流态态转转化化仅仅取取决决于于雷雷诺诺数数，这这是是
6、客客观观规规律律用用无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。对比抗衡 圆圆管管中中恒恒定定流流动动的的流流态态发发生生转转化化时时对对应应的的雷雷诺诺数数称称为为临临界界雷雷诺诺数数，又又分分为为上上临临界界雷雷诺诺数数和和下下临临界界雷雷诺诺数数。上上临临界界雷雷诺诺数数表表示示超超过过此此雷雷诺诺数数的的流流动动必必为为紊紊流流，它它很很不不确确定定，跨跨越越一一个个较较大大的的取取值值范范围围。有有实实际际意意义义的的是是下下临临界界雷雷诺诺数数，表表示示低低于于此此雷雷诺诺数数的的流流动动必为层流，有确定的取值，圆管定常流
7、动取为必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为 紊流紊流层流层流紊流紊流层流层流上临界雷诺数上临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数ReRe12000-40000对圆管：对圆管：d 圆管直径圆管直径对非圆管断面：对非圆管断面：R 水力半径水力半径对明渠流：对明渠流：R 水力半径水力半径对绕流现象：对绕流现象：L 固体物的特征长度固体物的特征长度对流体绕过球形物体：对流体绕过球形物体：d 球形物直径球形物直径1.层流与紊流的区别层流与紊流的区别层流运动中，流体层与层之间层流运动中，流体层与层之间互不混杂，无动量交换互不混杂，无动量交换紊流运动中，流体层与层之间紊流运动中，流体层与层之间互相混杂，动量
8、交换强烈互相混杂，动量交换强烈2.2.层流向紊流的过渡层流向紊流的过渡 与涡体形成有关与涡体形成有关四、紊流的成因、紊流的成因3.3.涡体的形成并不一定能形成紊流涡体的形成并不一定能形成紊流水水和和油油的的运运动动粘粘度度分分别别为为 ，若若它它们们以以 的的流流速速在在直直径径为为 的的圆圆管管中中流流动，试确定其流动状态？动，试确定其流动状态？例题例题 解：水的流动雷诺数解：水的流动雷诺数 紊流流态紊流流态 油的流动雷诺数油的流动雷诺数 层流流态层流流态 温温度度 、运运动动粘粘度度 的的水水，在在直直径径 的的管管中中流流动动，测测得得流流速速 ，问问水水流流处处于于什什么么状状态态？如
9、如要要改改变变其其运运动，可以采取那些办法？动，可以采取那些办法？例题例题 解：水的流动雷诺数解：水的流动雷诺数 层流流态层流流态 如要改变其流态如要改变其流态 1）改变流速）改变流速 2）提高水温改变粘度）提高水温改变粘度5.2 5.2 管内流动的能量损失管内流动的能量损失两大类流动能量损失两大类流动能量损失:一、沿程能量损失一、沿程能量损失 发生在缓变流整个流发生在缓变流整个流程中的能量损失，由流体程中的能量损失，由流体的的粘滞力粘滞力造成的损失。造成的损失。单位重力流体的沿程能量损失单位重力流体的沿程能量损失沿程损失系数沿程损失系数管道长度管道长度管道内径管道内径单位重力流体的动压头（速
10、度水头）。单位重力流体的动压头（速度水头）。2.2.局部能量损失局部能量损失 1.1.沿程能量损失沿程能量损失5.2 5.2 管内流动的能量损失管内流动的能量损失二、局部能量损失二、局部能量损失 发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。流体中产生的漩涡等造成的损失。单位重力流体的局部能量损失。单位重力流体的局部能量损失。单位重力流体的动压头（速度水头）。单位重力流体的动压头（速度水头）。局部损失系数局部损失系数5.2 5.2
11、管内流动的能量损失管内流动的能量损失三、总能量损失三、总能量损失 整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。叠加。总能量损失。总能量损失。以倾斜角为以倾斜角为 的圆截面直管道的不可压缩粘性流体的圆截面直管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动为例的定常层流流动为例。pp+(p/l)dl mgrr0 xhgdl受力分析：受力分析：重重 力力:侧面的侧面的粘滞力粘滞力:两端面两端面总压力总压力:5.3 5.3 圆管道内切应力分布圆管道内切应力分布 5.3 5.3 圆管道内切应力分布圆管道内切应力分布轴线方向列力平衡方程轴线方向列力平衡方程pp+(p/l)
12、dl mgrr0 xhgdl两边同除两边同除 r2dl得得由于由于得，得，一、切向应力分布一、切向应力分布2.壁面切应力壁面切应力(水平管水平管)5.3 5.3 圆管道内切应力分布圆管道内切应力分布 5.4 5.4 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动一、速度分布一、速度分布将将 代入代入 得，得，对对r积分得，积分得，当当r=r0时时 vx=0，得，得 故：故：5.4 5.4 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动三、三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降最大流速、平均流速、圆管流量、压强降1.最大流速最大流速管轴处管轴处:2.平均平均流速流速3.圆管流量圆管流量水平管水平管:5.4
13、 5.4 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动三、三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降最大流速、平均流速、圆管流量、压强降(续续)4.压强降压强降(流动损失流动损失)水平管水平管:结论：结论：层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。5.4 5.4 圆管中流体的层流流动圆管中流体的层流流动四、其它公式四、其它公式1.动能修正系数动能修正系数结论：结论：圆管层流流动的实际动能等于按平均流速圆管层流流动的实际动能等于按平均流速计算的动能的二倍计算的动能的二倍5.5 5.5 管道入口段中的流动管道入口段中的流动一、边界层一、边界层 当粘性流体流经固
14、体壁面时，在固体壁面与流体主当粘性流体流经固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间必定有一个流速变化的区域，在高速流中这个区流之间必定有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层，称为边界层。域是个薄层，称为边界层。5.5 5.5 管道入口段中的流动管道入口段中的流动二、管道入口段二、管道入口段 当粘性流体流入圆管当粘性流体流入圆管,由于受管壁的影响由于受管壁的影响,在管壁上在管壁上形成边界层形成边界层,随着流动的深入随着流动的深入,边界层不断增厚边界层不断增厚,直至边界直至边界层在管轴处相交层在管轴处相交,边界层相交以前的管段边界层相交以前的管段,称为管道入口称为管道入口段。段。5.5 5.
15、5 管道入口段中的流动管道入口段中的流动二、管道入口段二、管道入口段(续续)入口段内和入口段后速度分布特征入口段内和入口段后速度分布特征层流边界层紊流边界层完全发展的流动L*L*入口段内入口段内:入口段后入口段后:各截面速度分布各截面速度分布不断变化不断变化各截面速度分布各截面速度分布均相同均相同0.0.紊流的发生紊流的发生紊流发生的机理是十分复杂的，下面给出一种粗浅的描述。紊流发生的机理是十分复杂的，下面给出一种粗浅的描述。层流流动的稳定层流流动的稳定性丧失（雷诺数性丧失（雷诺数达到临界雷诺数）达到临界雷诺数）扰动使某流层发扰动使某流层发生微小的波动生微小的波动流速使波动流速使波动幅度加剧幅
16、度加剧在横向压差与切应力的在横向压差与切应力的综合作用下形成旋涡综合作用下形成旋涡旋涡受升旋涡受升力而升降力而升降引起流体引起流体层之间的层之间的混掺混掺造成造成新的新的扰动扰动5.6 5.6 粘性流体的湍流流动的基本概念粘性流体的湍流流动的基本概念+-+-高速流层高速流层低速流层低速流层 任意流层之上下侧的任意流层之上下侧的切应力构成顺时针方向切应力构成顺时针方向的力矩，有促使旋涡产的力矩，有促使旋涡产生的倾向。生的倾向。旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺涡体涡体5.6 5.6 粘性流体的湍流流动的基本概念粘性流体的湍流流动的基本概念1.湍流流动湍流流动 流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在时间和空间都是具有随机性质的运动时间和空间都是具有随机性质的运动,属于非定常流动属于非定常流动。2.脉动现象和时均化的概念脉动现象和时均化的概念1 1、脉动：、脉动：2 2、时均化：、时均化：紊流中，流体质点经紊流中，流体质点经过空间某一固定点时，过空间某一固定点时，速
