流体力学第九章流动阻力与管道计算

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1、流体力学退出中国科学文化出版社第九章流动阻力与管道计算流动状态与阻力分类圆管中的层流圆管中的紊流圆管中的沿程阻力局部阻力管道计算第一节第二节第三节第四节退出返回第五节第六节第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回流体在管道内的流动是工程上常见的流动现象。管内流动最主要的问题是流动阻力问题。流动状态不同，流动阻力差别较大。本章从描述层流和紊流现象开始，分析其中的速度分布及流动阻力的差异，然后介绍常用的流动阻力计算方法。第1页一、流动状态（一）雷诺试验—流动现象雷诺试验的试验装置如图9.1所示。利用挡板保持水箱中水位恒定，多孔孔板消除

2、进水干扰。轻轻打开玻璃管末端的节流阀后，水沿玻璃管流动，在水平管的进口处注入红色液体，以观察流动状态。试验中通过调节节流阀以改变水流速度。第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回模拟实验>第2页第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回第3页流速较低时，红色流线在玻璃管中呈一直线，与周围流体互不相混，如图9.2（a）所示。流体质点仅作轴向运动而无横向运动，这种流动状态称为层流。图9.2层流和紊流(a)(b)(c)当水流速度增大到某个值时，红线开始呈波纹状，如图9.2（b）所示。这表明层流状态开始被破坏，流体质点除了沿

3、主流（轴线）方向运动外，还有垂直于主流方向的横向运动。继续增大流速，红线运动波动剧烈，最后发生断裂，混杂在很多小旋涡中，红液很快充满全管，如图9.2（c）所示。第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回第4页这表明管内流体质点处于无规则的乱流状态，这种流动状态称为紊流。若此时减小水流速度，则管中水流又重新由紊流转为层流。由此可知，存在两个性质完全不同的流动状态：层流和紊流。层流和紊流之间的过渡状态称为过渡流。流动状态的转变可以从的物理意义上来理解。（9.1）较小，说明阻碍运动的粘性作用力较大，它能削弱和消除引起流体质点发生乱运动的扰

4、动，使流动保持层流状态。较大时，粘性力相对于惯性力较小，也即约束力小，惯性力很容易使流体质点发生乱运动，导致流动进入紊流状态。应该指出，区分流动状态的临界雷诺数、并非固定不变，它们与管道入口状况及外界扰动情况有关。第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回第5页二、流动阻力产生的机理（一）层流流动阻力产生的机理图9.3管内层流的速度分布(a)(b)ABCxδ层流流动阻力与实际流体的粘性有关。在图9.1所示的试验装置中，将玻璃管的一端做成喇叭口状，使水箱里的水能很顺利地流入管内。如图9.3（a）所示，流进管内的水在入口截面A处，有一个

5、压力降，在该截面上流速均匀分布，大小为。第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回第6页但是，入口处的这种速度分布是不稳定的。因为实际流体具有粘性，所以水在管内向前流动时，由于流体粘性的作用，紧贴管壁的一薄层流体由于固体壁面的吸附作用，流速为零。层流时由于粘性力的束缚，流体质点除作纵向运动外，不能在横向作大范围的迁移。但是，水的分子运动和分子团的布朗运动依然存在。紧贴管壁的静止水层中的分子或分子团会跳入到邻近速度较高的水层中去，而速度较高的水层中的分子或分子团也要跳到静止的水层中去。这种迁移造成动量交换，使流速较高水层的平均速度下降

6、，流速较低水层的平均速度增加。流体层与层之间的动量交换必然造成能量损失，这就是流体摩擦阻力产生的原因。显然，靠近壁面处的流体要继续维持流动，必然要克服与固体壁面的摩擦而消耗能量。这部分能量是靠不同速度的流体层间分子和分子团之间的动量交换提供的。从而造成如图9.3（a）所示的结果，即水从管的进口向前流动时，原来均匀分布的速度逐渐变得不均匀。在管壁附近一定厚度区域内的流体速度降低，引起图9.3（b）所示的速度分布。第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回第7页近壁处，由速度为零的壁面到速度分布较均匀处的这一流体层称为边界层。边界层厚度

7、是随流体流进管内的距离的增加而增加的，且流体粘性大，增加就快。（二）紊流流动阻力产生的机理图9.4紊流中空间一点的速度wto紊流与层流有着本质的区别。在紊流情况下，流体质点的运动非常紊乱，其速度的大小和方向随时改变，除了有向前运动的速度外，还有较大的横向速度。而横向速度的大小和方向是不断变化的，从而引起纵向速度的大小和方向也随时间作无规则的变化，这称为速度的脉动现象，如图9.4所示。并且紊流时各点的压力也是脉动的。可见紊流实际上是一种不稳定流动。第九章流动阻力与管道计算第一节流动状态与阻力分类退出返回第8页由于管内流体质点较大范围的横向迁移，造成

8、紊流的速度分布及流动阻力与层流相差很大。紊流中不仅有流体分子和分子团的迁移，更主要的是有大量小旋涡的迁移，使得管内各部分流体的速度趋于一