层流紊流及其水头损失ppt课件.ppt

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1、6层流、紊流及其水头损失其中hw1-2是因克服截面1－1与2－2之间的阻力即单位重量的流体所消耗的机械能（或水头），称为水头损失单位：为焦／牛(或米)。本章将着重讨论该项。伯努利方程式Z1P1/γP2/γ微细流层流流动(laminarflow)：流体流动呈一簇互相平行的流线或者说：流体质点以互不干扰的细流前进紊流流动(turbulentflow)：流体流动呈现一种紊乱不规则的状态层流流动紊流流动过渡流动6.1流体流动的流态层流流动紊流流动过渡流动一、雷诺实验(Reynold’sexperiment)（1883年）实验结

2、论：1、流体流动时，流动状态可以分为层流和紊流。2、层流与紊流转变时的流速称为临界流速(thecriticalvelocity)。阀门C逐渐开大使流速增加，从而使流态由层流转变为紊流的临界流速vc’称为上临界流速；阀门C逐渐开小使流速减少，从而使流态由紊流转变为层流的临界流速vc称为下临界流速。下临界流速vc＜上临界流速vc’实验进一步表明：对于特定的流动装置上临界流速vc’是不固定的，但是下临界流速vc却是不变的。以后所指的临界流速即是下临界流速。二、流态的判别准则——雷诺数(ReynoldsNumber)进一步的实

3、验证明，除了流速v对流态有影响之外，管道直径D、流体密度ρ和粘度μ对流态也有影响。D、ρ愈大，μ愈小，流态就愈容易从层流转为紊流。判断流态的准则采用雷诺准数(ReynoldsNumber)，用符号Re表示，即通常对于在平直的圆管中流动的流体，Re≈2000。明渠水流的下临界雷诺数，Re≈500。（无量纲）雷诺数反映了惯性力与粘滞力作用的对比关系。紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线ττ干扰FFFFFFFFFFFF升力涡体紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值6.2圆管中的层流实际流体在管内流动时，粘性的存在，导致

4、了能量损失，能量损失粘性阻力造成的粘性损失——沿程损失hf局部阻力造成的局部损失——局部损失hjm或Pa局部损失:整个管路的能量损失等于各管段的沿程损失和各局部损失的总和。即沿程损失：m或Paλ为沿程阻力系数,ζ为局部阻力系数。求解阻力损失主要是求λ和ζ。沿程水头损失与切应力的关系1122LαOOZ1Z2列流动方向的平衡方程式：FP1=Ap1τ0τ0G=ρgALFP2=Ap2湿周整理得：改写为：水力半径——过水断面面积与湿周之比，即A/χ量纲分析圆管中沿程阻力系数6.2圆管中的层流一、数学模型假设流体在等直径圆管中作恒

5、定层流流动时，取半径为r长度为l的流段1与2截面为分析对象，2τGαP1P21l在截面1-1与截面2-2列能量方程令:则：（1）将lcosα=Z1-Z2，A=πr2代入再对流段进行受力分析：截面1-1总压力：P1A截面2-2总压力：P2A流段1-2的重力：γAlcosα作用在流段面上的总摩擦力：τl2πr列力的平衡方程：2τGαP1P21lz1z2r由(1)与(2)两式比较得：（1）（2）该式为层流流动时沿程阻力损失和管壁切应力之间的关系。2τGαP1P21lz1z2r二、速度分布（velocityprofile)由牛

6、顿内摩擦定律：表明圆管内层流流动速度分布为抛物线讨论：（1）r=0时流速最大，出现在的管轴上。（2）平均流速：即平均流速等于它的最大流速的一半。三、切应力分布：在管壁处：(a)将（a）与（b）相比得：该式表明：在圆管的有效断面上切应力τ与管半径r的一次方成正比例在管轴心处：r=0时，τ=0四、沿程阻力损失这表明圆管层流的沿程阻力系数仅与雷诺数有关。上式为达西和魏斯巴哈提出的公式。例管道直径d=100mm，输送水的流量Q=0.01m3/s，水的运动黏度m2/s，求水在管中的流动状态？若输送m2/s的石油，保持前一种情况下

7、的流速不变，流动又是什么状态？解：（1）雷诺数（m/s）故水在管道中是紊流状态。（2）故油在管中是层流状态。例圆管直径d=200mm，管长l=1000m，输送运动黏度cm2/s的石油，流量Q=144m3/h，求沿程损失。解：判别流动状态为层流式中（m/s）得（m油柱）例输送润滑油的管子直径d=8mm，管长l=15m，如图所示。油的运动黏度m2/s，流量Q=12cm3/s，求油箱的水头（不计局部损失）。图润滑油管路（m/s）雷诺数为层流。列截面1-1和2-2的伯努利方程认为油箱面积足够大，取V1≈0。则6.3紊流基本理论

8、1.紊流概念及研究方法紊流特征：1.　各层质点相互掺混２.　运动要素要脉动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。瞬时值2.紊流层次结构和光滑管概念2.1紊流结构(1)紊流核心区(2)层流底层(3)过渡区层流底层厚度△—绝对粗糙度△/d—相对粗糙度δ>△—水力光滑管（图a