第五章_管内流动与管路计算ppt课件.ppt

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1、第五章黏性流体的管内流动与管路计算主要内容黏性流体的层流与紊流状态管内流动能量损失的类型圆管中的层流流动黏性流体的紊流流动沿程损失系数的实验研究非圆截面管路沿程损失的计算管路中的局部损失管路水力计算管道水击现象§3-4层流与紊流现象一、雷诺实验二、雷诺数Re判别流态仅靠临界速度是很不方便的。因为V临界＝f(,d)，所以，随,d变化，V临界也在变化。雷诺实验的结果指出：不论什么流体，以及管径如何变化，有：雷诺数Re的物理意义Re较小时，粘性力占主导，流体质点不易横向脉动，流动为层流；Re较大时，惯性力占主导，粘性力可忽略，流体质点做横向脉动，流动为紊流粘性流体：单位重量流体1-2截面

2、之间的能量损失1-2截面之间沿程能量损失1-2截面之间局部能量损失局部损失系数沿程损失系数达西一威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式§7—2圆管中的层流流动圆管内的充分发展的层流§7—3圆管中的层流流动无限长水平圆管，粘性、不可压缩流体定常运动流体充满整个管道截面，并为充分发展的层流流动。xυ=w=0（由连续方程得）与课本不同的推导方法N—S方程式可写为:若长度为l的管道两端的压强分别为p1和p2，并令△p=p1-p2，则对于圆截面管道，采用圆柱坐标系，设轴线方向为x坐标，上式可写成该方程可由柱坐标系的N—S方程式直接得出；也可设，利用坐标转换得出。积分可得由于流速分布的对称性

3、，在管道轴线上速度值最大，即当r=0时，。所以积分常数C1=0，则上式为：再积分，得当时，u=0，则积分常数。代入上式得流速分布：d0r0ruumaxr0rdr在管道轴线上，速度为最大值通过整个管道截面的流量或哈根一泊素叶公式截面上的平均流速压强分布沿程压强损失公式沿程能量损失，简称沿程损失为：或写为式中沿程损失系数牛顿摩擦定律d0r0ruumaxτ在管壁处，r=r0，τ=τ0为最大切向应力，则最后，将u的表达式和平均速度V的表达式代入动能修正系数公式，得即，流体在圆管中作层流流动时，其动能修正数α=2。此公式适用于层流也适用于紊流压力和粘性力的平衡切应力沿管径线性分布x换一种思路—流

4、体微元受力分析速度分布§5—4粘性流体的紊流流动紊流的脉动现象：流体质点不断地互相混杂和碰撞，必然引起流场中空间各点的流速和压强随时间的波动。从本质上讲，紊流是一种非定常流动。ut时均速度和脉动速度瞬时速度ui=u(t)时均速度T与最长的脉动周期比要长的多,与平均速度的不稳定变化比则要短的多。脉动速度脉动速度的时间平均值为零定常与不定常紊流,流线,伯努利方程等均依据时均速度判断和计算。空间某点的瞬时速度为ut是脉动速度是时均速度由于湍流的脉动速度，流体质点混合碰撞，引起动量传递，产生附加表面应力，叫湍流应力（雷诺应力）沿垂直于流动轴的截面（即径向）也有脉动，并分别用，表示。脉动速度，对

5、时间的平均值也为零：压强也处于脉动状态脉动压强的平均值也等于零，即：在工程上，均采用流动参数的时均值去研究紊流运动。并且，对紊流而言，某截面的平均流速定义为二、紊流附加切应力紊流总切应力：粘性剪切应力，可由牛顿内摩擦定律计算，由紊流的脉动速度引起的。故又称为紊流附加切应力或雷诺应力。按普朗特动量传递理论进行推导。xylydA12普朗特混合长理论u与必为同一数量级其中紊流粘性系数或虚粘度，因为不是单由流体的物性决定，而是和流动有关的变量。在数值上，要比流体的动力粘度μ大几个数量级。对紊流而言，沿流动方向总的切应力为三、紊流结构，“水力光滑管”与“水力粗糙管”1、紊流结构粘性底层δ0

6、紊流过渡层紊流核心粘性底层δ0粘性底层的厚度随Re而变化，Re上升，下降，反之，Re下降，增加，通常，计算粘性底层厚度的半径验公式有或式中d—圆管内径；λ—管路沿程损失系数。2．光滑管与粗糙管绝对粗糙度：△相对粗糙度：Δ(a)水力光滑(b)水力粗糙水力光滑管：水力粗糙管：“水力光滑”与“水力粗糙”是个相对概念。xy0x紊流核心区粘性底层区x（1）粘性底层区（y≤δ0）在粘性底层区，由于可以忽略，故有：将上式分离变量并积分，得：边界条件：壁面上，y=0，，因而c1=0，代入上式，得粘性底层区的速度分布为：摩擦速度速度分布为直线分布四、紊流的流速分布如果再令，并且称l*为摩擦长度（因为l*

7、具有长度因次），则粘性底层区的速度分布式又可写成：如果令粘性底层与紊流交界处（即处）的流速为ub，则由上式可得式中α为待定未知量。（2）紊流核心区（）在紊流核心区，因而可忽略不计，并且，假设在整个紊流区域内切应力为常数并等于，故或根据观察，普朗特假定混合长l与流体离开壁面的距离y成正比，即将上式分离变量并积分，得到：由边界条件：时，，则代入前式，可得到代入或紊流核心区的速度分布为对数曲线。湍流区，速度对数分布层流底层，速度线性分布尼古拉兹由水力