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时间:2020-03-11
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1、第四章流动形态及其水头损失§4.1流动阻力和水头损失的分类流动阻力摩擦阻力:流体有粘滞性和横向流速梯度,产生摩擦阻力。压差阻力:局部地区固体边界的形状或大小有急剧改变,或有局部障碍,液流内部结构产生离解和漩涡,流线弯曲,流速分布改变,增加了液流的相对运动,产生压差阻力。水头损失沿程水头损失hf:均匀流中,水流产生的阻力为摩擦阻力,能量损失为沿程水头损失hf。局部水头损失hj:非均匀流中,水流产生的阻力为摩擦阻力和压差阻力,其产生的能量损失为局部水头损失hj。总水头损失:hw=∑hf+∑hj摩擦阻力滞止离解压差阻力惯性离解压差阻力惯性离解压差阻力§4.2实际液体流动的两种形态4.2.1雷诺
2、试验4.2.2流态的判别---雷诺数雷诺数:非圆形过水断面下临界雷诺数:管流上临界雷诺数:管流下临界雷诺数:Rec=2000非圆形过水断面雷诺数:bh例4—1有一圆形输水管,直径d为2.0cm,管中水流的断面平均流速为1m/s,水温t=15℃,试判别管中水流的型态。当通过石油时,若其他条件相同,问流态是层流还是紊流?(t=15℃时,石油=0.6cm2/s,水=0.0114cm2/s)解:§4.3均匀流沿程水头损失与切应力的关系4.3.1沿程水头损失与切应力的关系在管道恒定均匀流中,取总流流段1-1到2-2,各作用力处于平衡状态:∑F=0。OOz2z11122P1P200G作用
3、于该总流流段上的外力有:①动水压力:P1=p1AP2=p2A②重力:G=V=AL,在流动方向上的投影Gx=ALsin③摩擦阻力:T=0×A'=0×LOOz2z11122P1P200Gx写出管轴方向的平衡方程:OOz2z11122P1P200Gx4.3.2均匀流过水断面上切应力的分布00r0r00r0ryu§4.4圆管中的层流运动4.4.1圆管均匀层流的断面流速分布4.4.2圆管均匀层流的沿程水头损失达西公式通用公式-----层流紊流均适用利用管径d=75mm的管道输送重油,如图所示,已知重油的重度油=8.83KN/m3,运动粘性系数油=0.9
4、cm2/s,管轴上装有毕托管,水银面高差hp=20mm,求重油每小时流量及每米长的沿程水头损失。解:1、求流量:例4-2假设重油的流动为层流:2、求沿程水头损失<2300层流§4.5液体的紊流运动4.5.1紊流的形成条件①涡体的形成;②形成后的涡体,脱离原来的流层或流束,掺入邻近的流层或流束。层流与紊流的根本区别在于:层流中各流层的流体质点,互不掺混,有比较规则的“瞬时流线”存在;紊流中有大小不等的涡体震荡于各流层之间,互相掺混。4.5.2紊流脉动现象与时均化概念运动要素的脉动现象:紊流中存在大量涡体,涡体沿各方向进行混掺、碰撞,使紊流中任何一个空间点上的运动要素(流速、压强等)随时间不
5、断在变化---紊流运动要素脉动。运动要素的时均化处理:脉动值说明:①脉动值不能当作微量处理,有时可达到时均值的三分之一。②脉动总是三维的,虽然主流是一维或二维的,但均产生三个方向的脉动速度。③脉动是涡体互相掺混、交换的结果,不是流体分子的运动。注意:紊流恒定流----指时间平均的运动要素不随时间而变化的流动。紊流非恒定流-----指时间平均的运动要素随时间而变化的流动。恒定流、非恒定流、流线、流束、总流等--------对紊流运动要素时均值而言。4.5.3紊流中摩擦切应力计算紊流中切应力=内摩擦切应力+附加切应力①内摩擦切应力------相邻两层时均速度相对运动所产生的粘滞切应力。②附加
6、切应力-----脉动所产生。紊流附加切应力:(普朗特动量传递理论)紊流各流层间存在相对运动,当流层间发生质点混和时,因流速的不同(动量不同),导致质点横向运动到新流层时,因动量的改变产生对新流层的附加切应力----紊流附加摩擦切应力(雷诺应力)。4.5.4紊流中的层流底层与紊流核心4.5.4.1层流底层(粘性底层):紧靠固体边界的地方,由于管壁及流体粘性的影响,流体质点流速小,流态属于层流的流体层。层流底层厚度-----一般只有十分之几毫米,最大只有几毫米。紊流核心:粘性底层以外为紊流区,包括紊动充分发展的紊流流核区和紊流处于发展状态的过渡层(厚度仅百分之几厘米)。4.5.4.2流道壁面
7、的类型绝对粗糙度ks():将固体壁面上,粗糙体突出壁面的高度的平均值。水力光滑管:当层流底层的厚度0大于绝对粗糙度ks,流体在平直的层流底层的外缘上滑动,象在光滑壁面上流动一向,边壁对水流的阻力,主要是层流底层的粘滞力,这种管道称为水力光滑管。水力粗糙管:当层流底层的厚度0小于绝对粗糙度ks时,紊流流核绕过突出高度时,将形成小漩涡,边壁对水流的阻力主要是由这些小漩涡造成的,边壁粗糙度起主要的作用,这种粗糙壁面的管道,称为水力粗
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