流体力学管道阻力计算

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1、5管内不可压缩流体流动重点:阻力计算一、雷诺实验实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有。§5.1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速度由小变大，层流紊流；上临界流速速度由大变小，紊流层流；下临界流速紊流运动层流运动流态不稳§5.1粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验§5.1粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验(续)实验现象(续)二、流动状态与水头损失

2、的关系速度由大变小，紊流变为层流；DC1B；紊流运动；CDE线；层流运动；AB直线；流态不稳；紊流运动；E点之后速度由小变大，层流变为紊流；BC+CD由上述的实验分析看出，任何实际流体的流动皆具有层流和紊流两种流动状态；流体运动状态不同，其hf与v的关系便不一样，因此，在计算流动的水头损失之前，需要判别流体的运动状态。例如，圆管中定常流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1.75～2.0次方成正比。层流过渡区紊流三、流动状态判别标准通过量纲分析和相似原理发现，上面

3、的物理量可以组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。称为雷诺数。由于：所以：临界速度不能作为判别流态的标准！1883年，雷诺试验也表明：圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数d是圆管直径，v是断面平均流速，是流体的运动粘性系数。实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动的情况，容易理解：减小d，减小v，加大三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。粘性稳定扰动因素dv

4、利于稳定圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数，这是客观规律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。对比抗衡圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为紊流层流紊流层流上临界雷诺数下临界雷诺数ReRe12000-40000对圆管：d—圆管直径对非圆管断面：R—水力半径

5、对明渠流：R—水力半径对绕流现象：L—固体物的特征长度对流体绕过球形物体：d—球形物直径层流与紊流的区别层流运动中，流体层与层之间互不混杂，无动量交换紊流运动中，流体层与层之间互相混杂，动量交换强烈2.层流向紊流的过渡—与涡体形成有关四、紊流的成因3.涡体的形成并不一定能形成紊流水和油的运动粘度分别为，若它们以的流速在直径为的圆管中流动，试确定其流动状态？例题解：水的流动雷诺数紊流流态油的流动雷诺数层流流态温度、运动粘度的水，在直径的管中流动，测得流速，问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取

6、那些办法？例题解：水的流动雷诺数层流流态如要改变其流态1）改变流速2）提高水温改变粘度§5.2管内流动的能量损失两大类流动能量损失:一、沿程能量损失发生在缓变流整个流程中的能量损失，由流体的粘滞力造成的损失。——单位重力流体的沿程能量损失——沿程损失系数——管道长度——管道内径——单位重力流体的动压头（速度水头）。2.局部能量损失1.沿程能量损失§5.2管内流动的能量损失二、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，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

7、的损失。——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）。——局部损失系数§5.2管内流动的能量损失三、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叠加。——总能量损失。以倾斜角为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。pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl受力分析：重力:侧面的粘滞力:两端面总压力:5.3圆管道内切应力分布5.3圆管道内切应力分布轴线方向列力平衡方程pp+(p/l)dlmgrr0xhgdl两边同除r2dl得由于得，

8、一、切向应力分布2.壁面切应力(水平管)5.3圆管道内切应力分布5.4圆管中流体的层流流动一、速度分布将代入得，对r积分得，当r=r0时vx=0，得故：5.4圆管中流体的层流流动三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降1.最大流速管轴处:2.平均流速3.圆管流量水平管:5.4圆管中流体的层流流动三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降(续)4.压强降(流动损失)水平管:结论：层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。5.4圆管中流体的层流流动四、其它公式1.动能修正系数α结论：圆