流体力学第五章课件

《流体力学第五章课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第五章能量损失和有压管流第五章能量损失和有压管流本章介绍粘性流体的流动状态，分析流动阻力的产生机理及特征，研究不可压缩粘性流体在管道中流动的能量损失以及有压管流的计算方法。1第五章能量损失和有压管流§5-1沿程损失和局部损失粘性流体在流动过程中，由于流体之间的相对运动而产生切应力以及流体与固体壁面之间产生摩擦阻力，这些阻力的形成将使流动流体的部分机械能不可逆转地转化为热能，引起流体机械能损失，简称能量损失。由于引起能量损失的阻力与固体边界条件直接相关，故将根据固体边界的变化情况，把能量损失分为两类：沿程损失和局部

2、损失。一、沿程损失当限制流体流动的固体边壁沿程不变化（如均匀流）或者变化微小（缓变流）时，过流断面上的速度分布沿程变化缓慢，则流体内部以及流体与固体边壁之间产生沿程不变的阻力，由沿程阻力引起的机械能损失称为沿程能量损失，简称沿程损失，用hf表示。很明显hf与管段的长度成正比。2第五章能量损失和有压管流二、局部损失当固体边界急剧变化时，使流体内部的速度分布沿程发生急剧的变化。如果如流道的转弯、收缩、扩大，或流体经闸阀等局部障碍之处。在很短的距离内流体为了克服由边界发生剧变而引起局部阻力，使自身的机械能损失，称这种发

3、生在较短距离内的能量损失为局部损失，用hj表示。单位重量流体的机械能损失分成了沿程损失和局部损失，在实际的计算中，整个管道的能量损失等于各管道的沿程损失和局部损失的总和。即3第五章能量损失和有压管流§5-2层流和紊流雷诺（OsborneReynolds，1842-1921，英国工程师兼物理学家，维多利亚大学（曼彻斯特）教授）最早详细研究了管道中粘性流体的流动状态及其影响因素。层流湍流加大流速或减小粘性时H＝C甘油和水的混合液，可变混合比例4第五章能量损失和有压管流一、雷诺实验实验装置如图所示。当管内流速较小时，管

4、内颜色水呈一细股界线分明的直线流束，如图（a）所示，这表明此时管内各流层间毫不相混，这种分层有规则的流动状态称为层流。(a)(b)(c)5第五章能量损失和有压管流当阀门C逐渐开大使管中流速达到某一临界值时，颜色水开始出现摆动，如图（b）所示。继续增大流速，颜色水迅速与周围清水相掺混，如图（c）所示。这表明流体质点的运动轨迹是极不规则的，流体相互剧烈掺混，这种流动状态称为紊流或湍流。雷诺在上述装置的管道B的两个相距为L的断面处加设两根测压管，定量测定不同流速时两测压管液面之差。根据伯努利方程，测压管液面之差就是两断

5、面间管道的沿程损失，实验结果如图所示。6第五章能量损失和有压管流实验结果表明：当流速非常小时，流动成为层流，沿程损失与速度一次方成正比，逐渐加大速度，流动由层流转变为紊流，曲线突然变陡，沿BC向上。在紊流时，沿程损失hf与流速vn成正比，根据管道内壁的相对粗糙情况，n值在1.75~2.0范围内。7第五章能量损失和有压管流实验还发现：当流速从大到小变化时，曲线从CA向下，而不是原来的BC，这是由于层流向紊流或紊流向层流转变时受初始干扰不同引起的。图中A点称为下临界点，B点称为上临界点，所对应的流速就分别称为下临界流

6、速vcr和上临界流速。二、层流和紊流的判断标准实验证明，流动状态不仅与流速v有关，还与管径d，流体密度ρ和流体的粘度μ有关。取决于无量纲的相似组合参数雷诺数，记为Re：流态从层流到湍流的过渡称为转捩。8第五章能量损失和有压管流对应于临界流速vcr的雷诺数，用Recr表示。实验证明，虽然当管径或流体介质不同时，临界流速vcr不同，但临界雷诺数Recr基本保持在一个确定的范围，即Recr≈2300。这样，对圆管流动，流态的判别条件是：当属于层流属于紊流在流体力学中定义水力半径为特征长度在非管道流动中也存在层流与湍流这

7、两种不同的流态，从层流到湍流的转捩也与雷诺数大小有关9第五章能量损失和有压管流式中A—是过流断面面积；χ—表示湿周，即流体与固体边界相接触的截面周边长度。雷诺数之所以对粘性流体运动的流态及其他相关特性起着重要作用，在于雷诺数具有很明显的物理意义。实验发现，随着雷诺数增加而呈现的不同流态(层流或湍流)对于流动的摩擦阻力、流动损失、速度分布等影响很大。雷诺数的物理意义：雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与粘性力之比。10第五章能量损失和有压管流雷诺数正比于惯性力与粘性力之比的说明：惯性力正比于质量乘加速度：～ρv2L

8、2粘性力正比于剪应力乘面积：～μvL因此惯性力与粘性力之比正比于：～11第五章能量损失和有压管流了解雷诺数的物理意义可帮助我们判断一个流动中何种因素占主导作用，但要注意不要将雷诺数的绝对数值等同于惯性力与粘性力的绝对比值大型民航客机的飞行雷诺数可达上百万至几千万（106～107）12第五章能量损失和有压管流日本设计的机械蜻蜓俄罗斯设计的机械蜻蜓美国设计的机械苍蝇微型飞行器