第七章流体在管路中的流动.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,欢 迎 使 用,工程流体力学,多媒体授课系统,燕 山 大 学,工程流体力学,课程组,第七章 流体在管路中的流动,概述,7.1,管路中流体流动的两种状态,7.2,能量损失的两种形式,7.3,圆管中的层流流动,7,.4,圆管中的湍流流动,7.7,管中流动沿程阻力系数的确定,7.8,局部阻力系数的确定,7.9,管路计算,概 述,流体在管路中的流动是工程实际当中最常见的一种流动情况。由于实际流体都是有粘性的，所以流体在管路中流动必然要产生能量损失。本章将主要讨论不可压缩流体在管路中的流动规律，其中包括流动状态分析，能量损失计算方法等，进而解决工程中常见的管路系统计算问题。,7.1,管路中流体流动的两种状态,一、雷诺试验,英国物理学家雷诺（,Reynolds,）通过大量的实验,研究发现，实际流体在管路中流动存在着两种不同,的状态，并且测定了管路中的能量损失与不同的流,动状态之间的关系，此即著名的雷诺实验。雷诺实,验装置如图,7,1,所示。,二、试验过程,实验过程中使水箱中的水位保持恒定。实验开始前,水箱中颜色水的阀门以及玻璃管上的阀门都是关闭,的。开始实验时，逐渐打开玻璃管出口端上的阀门，,并开启颜色水的阀门，使颜色水能流人玻璃管中。,当阀口开度较小，玻璃管中的速度较小时，颜色水保持,一条平直的细线，不与周围的水相混合，见图,7,2a,。,如果继续缓慢开大阀门，玻璃管中流动速度加快，可以,发现，在一定的流动速度范围内，水流仍保持层流状,态。当流速增大到某一值后，颜色水出现摆动现象，而,不能维持直线的状态，如图,7,2b,所示。这说明流体质,点出现了与主流动方向垂直的横向运动。若继续开大阀,门，流速增大到某一值时，摆动的颜色水线突然扩散，,并和周围的水流相混合，颜色水充满整个玻璃管，如图,7,2C,所示。如果把阀门从大缓慢关小，即使玻璃管中,的水流速度由大逐渐减少测流动会从湍流逐渐过渡到层,流状态，使颜色水又恢复到一条平直的细线。,三、基本概念,1,、层流：流体质点平稳地沿管轴线方向运动，而无横向运动，流体就象分层流动一样，这种流动状态称为层流。,2,、湍流：流体质点不仅有纵向运动，而且有横向运动，处于杂乱无章的不规则运动状态，这种流动状态称为湍流。,3,、上临界流速：由层流转变为湍流状态时的流速称为上临界流速,v,c,。,4,、下临界流速：由湍流转变为层流时的流速称为下临界流速,v,c,，,四、雷诺数,1,、对应于下临界流速,v,c,的称为下临界雷诺数,Re,c,，,对应于上临界流速,v,c,的称为上临界雷诺数,Re,c,。,实验测得,Re,c,=2320,，,Re,c,=13800,。,2,、雷诺数公式,3,、雷诺数的物理意义是作用于流体上的惯性力与粘性力之比。,Re,越小，说明粘性力的作用越大，流动就越稳定；,Re,越大，说明惯性力的作用越大，流动就越紊乱。,4,、,水力半径,R,：某一非圆断面管道的过流断面面积,A,与液体相接触的过流断面润湿周界的长度,l,之比称为当量半径。,5,、水头损失,一、沿程阻力,流体在管道中流动时，由于流体与管壁之间有粘附,作用，以及流体质点与流体质点之间存在着内摩擦,力等，沿流程阻碍着流体的运动，这种阻力称为沿,程阻力。为克服沿程阻力而损耗的机械能称为沿程,能量损失，单位重量流体的沿程能量损失称为沿程,能头损失，以,h,表示,7.2,能量损失的两种形式,二、局部阻力,流体在管道中流动时，当经过弯管、流道突然扩大,或缩小、阀门、三通等局部区域时，流速大小和方,向被迫急剧地改变，因而发生流体质点的撞击，出,现涡旋、二次流以及流动的分离及再附壁现象。此,时由于粘性的作用，质点间发生剧烈的摩擦和动量,交换，从而阻碍着流体的运动。这种在局部障碍处,产生的阻力称为局部阻力。流体为克服局部阻力而,消耗的机械能称为局部能量损失，单位重量流体的,局部能量损失称为局部能头损失，以,h,表示,三、总能量损失,在工程实际中，流体在管道中流动总是要同时产生,沿程能量损失和局部能量损失的。于是在某段管道,上流体产生的总的能量损失应该是这段管路上各种,能量损失的迭加，即等于所有沿程能量损失与所有,局部能量损失的和，用公式表示为,7.3,圆管中的层流流动,一、圆管层流流动,在所研究的等径圆管层流流动中，取一微小圆柱体为,分析对象，其轴线与管轴线重合，如图,7,1,所示。设,微小圆柱体长为,L,，半径为,r,，观察此圆柱体的受力平,衡情况。由于微小圆柱体做定常匀速流动，质量力只,有重力。在圆柱体的两端面上，压强分别为,p,1,和,p,2,，,在圆柱体的侧表面上，压强的方向与轴线垂直，而切,应力与轴线平行。由于流动是以轴线为对称轴的轴对,称流动，因而所有切应力在侧表面上均布，把所有的,作用力投影到轴线方向，可得,整理得,根据牛顿内摩擦定律，有,推得：,或,二、速度分布,对上式积分,积分常数,得：,其中,三、流量计算,在过流断面的任一半径,r,处，取一宽度为,dr,的圆环,，如图,7,5,所示。因,dr,很小，可以认为其上速度,相等，即按式（,7,24,）分布，于是通过微元面积,dA,=2rdr,上的微小流量,通过整个过流断面的流量为,断面上的平均流速,四、动能修正系数和动量修正系数,根据动能修正系数和动量修正系数的定义，由以上,分析结果，可根据式（,7,24,）和才（,7-28,），求,出圆管层流时的动能修正系数,和动量修正系数,的值分别为,五、,切应力分布,切应力,将式（,7,24,）代人上式，得,令,r=R,时，,=,0,，则,于是,六、沿程能量损失,流体在圆管内作层流流动时的沿程能量损失,将 代入上式得,式中,=64,Re,，为圆管层流的沿程能量损失系,数。,为克服沿程阻力而消耗的功率为,一、脉动现象与时均值,1,、这种在定点上的瞬时运动参数随时间而发生波动的现象称为脉动。,2,、时均法分析湍流运动,如取时间间隔,T,，瞬时速度在,T,时间内的平均值称,为时间平均速度，简称时均速度，即,7.4,圆管中的湍流流动,时均压强,二、湍流的速度结构、水力光滑管和水力粗糙管,1,湍流的速度结构,管中湍流的速度结构可以划分为以下三个区域：,（,1,）粘性底层区：在靠近管壁的薄层区域内，流体,的粘性力起主要作用，速度分布呈线性，速度梯度很,大，这一薄层叫粘性底层。如图,7,7,所示。,（,2,）湍流核心区：在管轴中心区域，粘性的影响逐,渐减弱，流体的脉动比较剧烈，速度分布比较均匀，,流体处于完全的湍流状态，这一区域称为湍流核心区,（,3,）过渡区：处于粘性底层与湍流核心区之间的,区域，这一区域范围很小，速度分布与湍流核心区的,速度分布规律相接近。,2,水力光滑管和水力粗糙管,当粘性底层的厚度,S,大于管壁的绝对粗糙度动管,壁的凹凸不平部分完全被粘性底层所覆盖，湍流核,心区与凸起部分不接触，流动不受管壁粗糙度的影,响，因而流动的能量损失也不受管壁粗糙度的影,响，这时的管道称为水力光滑管，这种流动称为水,力光滑流动。,当粘性底层的厚度,小于管壁的绝对粗糙度面时，管壁,的凹凸不平部分完全暴露在粘性底层之外，湍流核心,区与凸起部分相接触，流体冲击在凸起部分，不断产,生新的旋涡，加剧紊乱程度，增大能量损失，流动受,管壁粗糙度的影响，这时的管道称为水力粗糙管，这,种流动称为水力粗糙的流动。,三、湍流切应力分布及断面速度分布,1,湍流切应力分布,附加切应力：由湍流脉动速度而引起的作用力通常,称之为附加切应力。,湍流中总的切应力应由粘性切应力和附加切应力两,部分组成。即,2,断面速度分布,粘性底层区,即,积分得：,湍流核心区,因为,所以,整理并积分得,一、尼古拉兹试验,尼古拉兹（,Nikuras,）进行了大量的实验，得出了,与雷诺数,Re,及管壁的相对粗糙度,/d,之间的关系,曲线：,7.7,管中流动沿程阻力系数的确定,1,层流区（,I,）,雷诺数的范围为,Re,c,2320,。,2,临界区（,II,）,雷诺数的范围为,2320,Re,4000,。,3,光滑管湍流区（,III,）,雷诺数的范围为,4,光滑管至粗糙管过渡区（,IV,）,雷诺数的范围为,5,粗糙管湍流区（,V,）,雷诺数的范围,二、莫迪图（,Moody,）,7.8,局部阻力系数的确定,局部能量损失大致可以分为三类：,（,1,）由于管道断面面积的大小发生变化引起的局,部能量损失。例如管道断面突然扩大、突然缩小、,逐渐扩大和缩小等；,（,2,）由于管道的方向发生变化，引起的局部能量,损失，例如各种圆滑弯头、直角弯头、折管、三通,管道等；,（,3,）由于流动的速度大小和方向均发生变化而引,起的局部能量损失。例如各种阀门（平板阀、球形,阀、锥阀、滑阀等）。,一、断面突然扩大的局部阻力系数,如图,7,13,所示的断面突然扩大管道，取,11,、,22,两缓变过流断面，并以管轴线所在断面为基准,面，列写伯努利方程,轴线方向的动量方程式,得：,对应于突然扩大前管道速度水头的局部阻力系数,对应于突然扩大后管道速度水头的局部阻力系数,7.9,管路计算,水力长管：管路中流体流动的局部能量损失与速度,损失之和与沿程能量损失相比所占比例很小（一般,小于沿程损失的,5,10,），常常不计局部损失,和速度水头，这样的管路称为水力长管；,水力短管：在总水头损失中，局部损失与速度水头,之和以及沿程损失均占相当的比例，都不能忽略，,这种管路称为水力短管。,一、串联管路,1,、简单管路：管径相同，沿程流量不发生变化的管,路。,串联管路：管径不同的几根管道顺次连接而成的管路,2,、串联管路特点,（,1,）若连接点处无泄漏，则各段流量相等，即,（,2,）总水头损失为各段损失之和，即,二、并联管路,（,1,）由流量连续性原理可知，总流量等于各分支点流量之和，即,（,2,）并联管段中，单位质量流体所产生的水头损失相等（因为并联管段具有共同的联接点，联结点间的压强差即为各并联管路的水头损失），即有,本章小结,几个基本概念：层流、湍流、上下临界流速、水力半径、雷诺数、能头损失、沿程阻力、局部阻力、时均速度、水力光滑管、水力粗糙管、水力光滑流动、水力粗糙流动、水力长管、水力短管,重点：雷诺试验、能量损失计算、圆管层流流动公式、尼古拉兹曲线以及莫迪图的应用、局部阻力系数计算、管路计算。,作业：,7-3,；,7-4,；,7-6,；,7-9,