《圆管层流》PPT课件.ppt

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1、主讲教师机械工程学院王开松第五章圆管层流流体流动的四种形式：流体在固体中间的管中流动或缝隙中流动（机械常见）流体在固体外部的绕流流体在固体一侧的明渠流动流体与固体不接触的孔口出流或射流主要讨论流动中的能量损失；流动的形式是层流还是湍流，及其形成的原因；沿程阻力和局部阻力。5.1雷诺实验和流态判据5.2圆管的层流运动5.3椭圆管层流5.4圆管中流体的湍流运动5.5流体运动的两种流动阻力5.6圆管湍流运动的沿程损失5.7管流的局部损失5.8复杂管路计算5.1雷诺实验和流态判据1、雷诺实验流体的阻力特性

2、直接影响到流体流动时的能量损失，为探索流体摩擦阻力的规律，人们进行了长期研究。1883年，雷诺(OsborneReynolds)通过大量实验，终于发现了液体在管道中流动时有着两种不同的流动状态，阻力特性也不相同。这种现象可用图5-1所示的雷诺实验装置观测出来。图5-1雷诺实验装置1—水龙头；2—容器；3—水管；4—容器；5—控制阀打开水龙头1，使容器2保持溢流状态；再打开管3的控制阀5使水处于连续滴出状态。为观察流动状态，在容器4中加入染色（如红色）液体。逐步打开阀门5，使管3中流体流速变大，可以

3、观察到：(1)当水平管3中流体流速较小时，染色流体呈一条鲜明的细流（线），非常平稳，染色线与水平管轴线平行或重合（图5－1(a)）；(2)当管中流速增大到某定值时，染色线开始弯曲颤动，这表明管内流体不再保持安定，不仅有横向脉动速度，而且纵向速度脉动（图5-1(b)）；(3)继续增大流速，染色液体不再保持完整形状而是破裂成杂乱无章、瞬息变化的状态。当使管内流速下降到一定程度时又重复前述状态。这就是著名的雷诺实验。1—水龙头；2—容器；3—水管；4—容器；5—控制阀层流：流体质点无横向脉动，质点互不混

4、杂，层次分明，稳定安详的流动状态。紊流（湍流）：流体质点不仅在轴（横）向而且在纵向(径向)均有不规则脉动速度，流体质点杂乱交错的混沌流动现象。实验表明，流体流动具有两种形态，并且可以相互转变。2、雷诺数——流态判别准则雷诺经过大量实验发现，流体的流动状态与流速、管径、动力粘度和流体密度有关系，可归结为一个无因数——雷诺数（就是惯性力与粘性力的比值）。式中：―流体密度，kg/m3；—管内平均流速，m/s；—动力粘度，Pa.s；—运动粘度，m2/s；—圆管直径，对异形管，则为水力直径，m水力直径可表示

5、为—湿周长度（与液面接触的壁面长度）。式中:—过流断面面积。雷诺数的物理性质及其成因：水流的流态由惯性力和粘性力所起的作用大小所决定。紊流：惯性力起主导作用，质点受约束降低，无规则的脉动增加，产生可见尺度的漩涡，即紊流。雷诺数大；层流：粘性力起主导作用，质点受其约束只能沿运动方向运动，不会偏向，属于层流状态。雷诺数小。Re<2320时为层流；Re>2320时为紊流；雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。两个几何相似流场的雷诺数相等，则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。雷诺数越小，意味着粘性

6、力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动（如润滑膜内的流动），其粘性影响遍及全流场。雷诺数很大的流动（如一般飞行器绕流），其粘性影响仅在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的。在涉及粘性影响的流体力学实验中，雷诺数是主要的相似准数圆管中流体的流态判别：1、圆管层流时的运动微分方程（牛顿力学分析法）5.2圆管中的层流运动取长为dx半径为r的圆柱体，不计质量力和惯性力，仅考虑压力和剪应力，则有根据牛顿粘性定律再考虑到压力的线性分布，有：则有2、速度分布规律与流量对上式作不定积分，边界条件：r

7、=R，u=0；则可得定积分常数则图5-4圆管层流的速度和剪应力分布圆管层流的速度分布是以圆管的轴线为中心线的二次抛物面。2、速度分布规律与流量图5-4圆管层流的速度和剪应力分布在半径r处取壁厚为dr的微圆环，在dr上的速度为u，微圆环界面上的微流量dq为：3最大流速与平均流速由知，r=0时有最大流速umax，且平均流速4剪应力分布规律根据牛顿内摩擦定律可求剪应力，它服从线性分布。在r=R也即在管壁上的剪应力最大：5.4圆管中流体的湍流运动1.紊流（湍流）概念及研究方法紊流特征：紊流是指流体从一种稳

8、定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时，各质点作无规则的运动，各质点间的惯性力占主要地位，流体作不规则地流动。特征有：各层的质点相互掺混；运动要素主要是脉动。5.4圆管中流体的湍流运动1.紊流（湍流）概念及研究方法质点运动轨迹曲折无序，研究紊流的运动规律只能采用时均法，因为时均法的平均值有一定的规律可循。将紊流中各物理量的瞬时值看做为：时均值和脉动值之和。将运动要素瞬时值看成时间平均值与脉动值叠加的方法叫运动要素时均化处理。以后就以时均值替代瞬时值研究。