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1、工程流体力学课件工程流体力学课件杨庆华 制作Copyright2006西南交通大学土木工程学院流体力学教研室第五章第五章 流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失51 概述概述52 粘性流体的流动型态粘性流体的流动型态53 均匀流基本方程均匀流基本方程54 圆管中的层流运动圆管中的层流运动55 圆管中的紊流运动圆管中的紊流运动56 局部水头损失局部水头损失54 圆管中的层流运动圆管中的层流运动一、流速分布一、流速分布r0rruumaxvrr0y1、圆管层流的流速分布物理意义: 圆管层流过水断面上流速分布呈旋转抛物面分布。2、最大流速圆管层流的最大速度在管轴上(r=0)又有3、断面平均流速即圆管层流
2、的平均流速是最大流速的一半。二、沿程损失与沿程阻力系数二、沿程损失与沿程阻力系数 例例1 1 有一条油管,长有一条油管,长L=3.0mL=3.0m,直径,直径d=0.02md=0.02m,油的运动粘度,油的运动粘度=35=351010-6-6m m2 2/s/s, 流量流量q qV V=2.5=2.51010-4-4m m3 3/s/s,求,求h hf f例2 =850kg/m3的油在管径100mm, =0.1810-4m2 /s的管中以v =0.0635m /s的速度运动,求:(1)管中心处的最大流速; (2)在离管中心r=20mm 处的流速; (3)沿程阻力因数 ; (4)管壁切应力0及每
3、km管长的水头损失。例3 应用细管式粘度计测定油的粘度,已知细管直径d=6mm,测量段长l=2m 如图。实测油的流量qV =7710-6m3 /s ,水银压差计的读值hp=0.3m,油的密度=900kg/m3 。试求油的运动粘度和动力粘度。 lh55 圆管中的紊流运动圆管中的紊流运动一、紊流结构粘性底层与紊流核心区一、紊流结构粘性底层与紊流核心区1、粘性底层,紊流核心(圆管)的概念 粘性底层(viscous sublayer):圆管作湍流运动时,靠近管壁处存在着一薄层,该层内流速梯度较大,粘性影响不可忽略,紊流附加切应力可以忽略,速度近似呈线性分布, 这一薄层就称为粘性底层。 紊流核心:粘性底
4、层之外的液流统称为紊流核心 l粘性底层粘性底层紊流核心紊流核心 l粘性底层粘性底层紊流核心紊流核心2、粘性底层的流速分布结论:粘性底层中的流速随y呈线性分布。与流速量纲相同,称剪切流速3、粘性底层的厚度实验资料表明:当 时,说明: (1)粘性底层厚度很薄,一般只有十分之几毫米。 (2)当管径d相同时,随着液流的流动速度增大,雷诺数增大,粘性底层 变薄。二、紊流运动时均化二、紊流运动时均化1、紊流的特征 主要特征:流体质点相互掺混、作无定向、无规则的运动,运动要素在时间和空间都是具有随机性质的运动 时间平均流速:流体质点的瞬时速度始终围绕着某一平均值而不断跳动(即脉动),这一平均值就称作时间平均
5、流速。BtTOAuux2、紊流附加切应力注意:紊流附加切应力是由微团惯性引起的,只与流体密度和脉动强弱有关, 而与流体粘性无直接关系。说明:1)在雷诺数较小时,脉动较弱,粘性切应力占主要地位。2)雷诺数较大时,脉动程度加剧,紊流附加切应力加大,在已充分发展 的紊流核心中,粘性切应力与紊流附加切应力相比忽略不计。3)沿断面切应力分布不同,在近壁处以粘性切应力为主(称粘性底层)。三、混合长理论三、混合长理论普兰特假设:(1)引用分子自由程概念,认为(2)归一化处理四、紊流流速分布四、紊流流速分布普兰特假设:(2)混合长度l随着离边壁的距离y呈线性变化,即l=y。(1)近壁处切应力为一常量,且其值等于边壁处的切应力 0,即= 0 ;说明:在紊流核心区(y0),紊流流速呈对数规律分布。谢 谢!