管中流动课件.ppt

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1、第五章管中流动按流体与固体接触情况来分，流体运动主要有下列四种形式。1流体在固体内部的管中流动和缝隙中流动；2流体在固体外部的绕流；3流体在固体一侧的明渠流动；4流体与固体不相接触的孔口出流和射流。除此之外也还有一些更复杂的形式。这些广泛的流体运动形式与航空、水利等多种学科有关。就机械制造类专业来说，以第一种形式较为常见，不要说大范围的工厂车间中管道比比皆是，就是小范围的机床汽车中也往往有错综复杂的润滑、冷却、液压或燃料管道，甚至叶轮机叶轮及其他许多机械构件的通道也不妨可以看作是一种疏导流体的异形管道。本章主要讨论管中不可压缩流体的运

2、动规律，其中有许多基本概念对于绕流或明渠流动也是适用的，管中流动所涉及的问题包括流动状态、速度分布、起始段、流量和压差的计算、能量损失等等。其中能量损失问题是本章的重点。该问题在第三章稍有涉及但并未深入讨论，因为它与流动状态有关。本章首先介绍层流和湍流概念，讨论层流和湍流能量损失的形成原因和计算方法，介绍沿程阻力和局部阻力系数的公式和图表，然后以短管和长管为例说明上述原理的具体应用。5.1流动形态5.1.1雷诺实验影响流体流动的因素有：流体的物性ρ和μ,流速u和管径d雷诺实验演示动画雷诺试验.swf湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动

3、；特征：流体质点的脉动。层流：*流体质点做直线运动；*流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；*流动阻力来源于层间粘性摩擦力。过渡流：不是独立流型（层流+湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。5.1.2流体的两种流动状态粘性流体按其力学参数(如速度、压力等)在时间与空间中是否发生不规则脉动，分为层流与湍流两种流动状态。（1）层流粘性流体作层流运动时，流体微团间无宏观的互相掺混，其参数没有不规则脉动，流线有条不紊，层次分明，摩擦阻力相对于湍流而言就较小。这种流动称为层流。(2)湍流当流体微团间互相掺混作无序地流动，其流速、压力等力学

4、参数在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动，称为紊流，又称为湍流。湍流是在大雷诺数下发生的，其基本特征是流体微团运动的随机性。湍流中由于这种随机运动而引起的动量、热量和质量的传递，其传递率比层流高很多。它一方面强化传递和反应的效果；另一方面剧增了摩擦阻力和能量损耗。流动型态的转变层流→湍流或者湍流→层流流动失稳的过程流动从层流转变为湍流，不仅与管内的平均流动速度有关，而且还与流动的性质诸如密度、粘度，以及圆管直径有关。雷诺提出了一个无量纲组合，综合了以上提及各参数的影响，后人称之为雷诺数，以Re表示。5.1.3雷诺数实验表明，液体在圆

5、管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管径d、液体的运动粘度ν有关，但是真正决定液流运动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即这就是说，对于各种不同的流体，不同的流体速度，不同的圆管直径，对应层流转变为湍流或湍流恢复为层流的雷诺数是相同的。另一方面流体由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转变为层流的雷诺数是不同的。前者称为上临界雷诺数，后者为下临界雷诺数，后者数值小，所以一般都用后者作为判别液流状态的依据，简称临界雷诺数，当流体实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之流体则为湍流，常见的流体管

6、道的临界雷诺数可由实验求得。仅仅根据管道中流动的雷诺数大小，就可以判断流动是层流还是湍流，这表明作为无量纲数Re数具有巨大的使用价值。（1）雷诺根据实验测定，上临界雷诺数13800（2）下临界雷诺数2320Re≤2320层流流型判据：2320

7、流的判别标准是下临界雷诺数Re≤2320层流Re>2320湍流工程中大多数为圆形截面管道，但也有一些非圆形的，如方形、矩形、环形截面。这时就要计算当量直径，也称为水力直径。5.1.4水力直径过流断面面积A与过流断面上流体与固体接触周长S之比的4倍来作为特征尺寸。这种尺寸称为水力直径，用dH表示式中A——过流断面面积；S——过流断面上流体与固体相润湿的周界长，称为湿周5.1.5管中层流湍流的水头损失规律在雷诺实验装置上读出玻璃管前后的水柱差，即可得到其水头损失。层流时实验点是一条与横轴成45o的直线湍流时实验点是一条与横轴成θ（θ＞45

8、o）的直线这说明层流、湍流的水头损失变化规律是不同的§5.2圆管中的层流运动分析层流运动的两种方法第一种方法是从纳维-斯托克斯（N-S）方程式出发，结合层流运动的数学特点建立常微分方程。定常不可压缩完全扩张段的管中层流具