层流紊流及水头损失解析PPT课件

1、粘滞性相对运动dudy物理性质固体边界产生水流阻力损耗机械能hw水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类水头损失的分类水头损失的分类沿程水头损失hf局部水头损失hj某一流段的总水头损失：wfjhhh各分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总和dydu第1页/共57页 水头损失因实际液体具有粘性，在流动过程中产生水流阻力，克服阻力就要耗损一部分机械能，转化为热能，造成水头损失。水头损失与液体的物理特性和边界特征均有密切的关系。 实际液体 理想液体第2页/共57页 实际液体断面上流速分布不均匀，相邻两流层间流层有相对运动，产生内摩擦切应力，流动过程中要克服这种阻力就要做功，做功就要

2、耗损一部分机械能，转化为热能耗散。产生水头损失必需具备的条件：1、液体具有粘性； 2、由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。hhhhffjj2121第3页/共57页6.1 粘性流体运动的两种形粘性流体运动的两种形 gpzgpzhf22116.1.1 雷诺试验雷诺试验hf颜色水颜色水颜色水颜色水第4页/共57页6.1.1 雷诺试验雷诺试验lglghfO流速由小至大流速由大至小kVkV12上临界流速下临界流速ccgpzgpzhf2211cc0 . 275. 10 . 1,hhfcfc颜色水颜色水颜色水第5页/共57页6.1.2 雷诺数雷诺数dccc常数，视水流的边界条件而定。 dcc常

3、数，与水流的边界条件和受外界干扰有关。 c圆管2000ReccccddReccccdd紊流层流2000ReRe2000ReRecccc第6页/共57页 非圆管 物理意义：hbhbdLLLLLdyduAdtduLdyduAma233Re圆形断面矩形断面4412500Re2dddRhbbhRA RRcc粘滞力惯性力雷诺数 第7页/共57页沿程水头损失与流速的关沿程水头损失与流速的关系系层流：层流： m1=1.0，hf=k1，即沿程水头损失与流速的一次方成正比。紊流：紊流： m2=1.752.0，hf=k21.752.0，即沿程水头损失hf与流速的1.752.0次方成正比。mffkhmkhlglgl

4、gcc c第8页/共57页6.2 圆管中的层流 局部损失沿程损失hhhhffjj21216.2.1 水头损失的分类水头损失=nmwfijki 1k 1hhhhf00H测压管水头线2g总水头线hjh=hf+hjv2闸门突扩转弯突缩转弯g22第9页/共57页气体管道hghgppppjfwjfwghgdlhjf2222一、沿程水头损失ghgdlhjf2222二、局部水头损失第10页/共57页 6.2.2 均匀流沿程水头损失与切应力的关系均匀流沿程水头损失与切应力的关系 一、均匀流动方程动量方程 F=Q(2-1)=0F=P1-P2+Gsin-T=0 p1A1-p2A2+ALsin-L0=0流股 ldF

5、第11页/共57页p1A1-p2A2+A-L0=0Lzz21-=)()(pzpz2211-+0AL能量方程 =hf)()(pzpz2211-+ hf=0AL0RLJRLhf=0RJ=0JR=二、圆管过流断面上的切应力分布二、圆管过流断面上的切应力分布各流层之间 流束的水力半径R第12页/共57页管流 R=d/4=r0/2r0圆管半径切应力线性分布。RR=000=rr第13页/共57页三、阻力流速三、阻力流速gdLhf220*0200082122uugdrgJrg822122200grrg第14页/共57页 6.2.3 圆管层流的断面流速分布圆管层流的断面流速分布 一、 圆管中的均匀层流圆管中的

6、均匀层流drdudydu-=drdyyrr-0=JRJr2 二、流速分布 crJurdrJduJrdrdu2422r0yu第15页/共57页rur0每一圆筒层表面的切应力：xdudr 另依均匀流沿程水头损失与切应的关系式有：0gRJgR J或所以有2xdurgJdr 积分整理得24xgJurC 当r=r0时，u=0，代入上式得204gJCr层流流速分布为220()4xgJurr抛物型流速分布drdu-JRRJ0crJurdrJduJrdrdu2422rJc204rJuurrrJu02max20240)(4第16页/共57页urJmax20218rrrdrrrJrrrdruAudAAQA2002

7、20200002)-(4233. 12第17页/共57页 6.2.4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算2200drrd=drJ220328gdLgdLdg2232222gdLgdLdg2232222Re646464gdgdgdLhf232gRLgdL24222第18页/共57页 6.3 紊流基本理论紊流基本理论 6.3.1 紊流的特征紊流的特征 紊流的特征：许许多多大小不等的涡体相互混掺着前进，它们的位置、形态、流速时刻不断地变化着。 运动要素的脉动：当一系列参差不齐的涡体连续通过紊流中某一定点时，必然反映出该点上的瞬时运动要素（流速、压强）随时间发生波动的现象，这种现象就叫运动要素的脉动

8、。 第19页/共57页紊流特征：紊流特征：二、运动要素的脉动现象二、运动要素的脉动现象 瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象。三、紊流产生附加切应力三、紊流产生附加切应力12由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力纯粹由脉动流速所产生的附加切应力22()xxduduldydy一、质点运动特征：一、质点运动特征： 液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着。第20页/共57页四、紊流粘性底层四、紊流粘性底层在紊流中紧靠固体边界附近，有一极薄的层流层，其中粘滞切应力起主导作用，而由脉动引起的附加切应力很小，该层流叫做粘性底层。 粘性底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。

9、所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。第21页/共57页五、紊动使流速分布均匀化五、紊动使流速分布均匀化紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。流速分布的指数公式：流速分布的指数公式：0()nxmuyur当Re105时，1118910n采 用或或流速分布的对数公式：流速分布的对数公式：5.75lgxuuyC层流流速分布紊流流速分布u*第22页/共57页A紊流6.3.2 紊流的脉动现象紊流的脉动现象xu瞬时流速xu脉动流速tuxOtuxOxu时均流速xx

10、xuuu 或xxxuuu01Txxuu dtT（时均）恒定流（时均）恒定流（时均）非恒定流（时均）非恒定流00010uudtuTuzTyxx第23页/共57页 瞬时流速u；时均流速 ；平均流速。 同理，udtuAA101100TTdtpTppdtTpppp第24页/共57页 6.3.3 粘性底层粘性底层 粘性底层内： 边界条件： dydu00cyu0yucuy000000yuuuu*0*第25页/共57页紊流的粘性底层紊流的粘性底层粘性底层0紊流粘性底层厚度粘性底层厚度032.8Red可见，可见，0随雷诺数的增加而减小。随雷诺数的增加而减小。当当Re较小时，较小时，水力光滑壁面水力光滑壁面当当

11、Re较大时，较大时，00水力粗糙壁面水力粗糙壁面0过渡粗糙壁面过渡粗糙壁面第26页/共57页紊流形成过程的分析紊流形成过程的分析选定流层y流速分布曲线干扰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第27页/共57页 6.3.4 混合长度理论混合长度理论 1、紊流的切应力、紊流的切应力 uudyuduudyudyxxyxx2121uuyyyxyfux)(yxyfux)(lylyuyu)()(lylyuyu)()(lylyuyu)()(l1)(1lyu第28页/共57页 的推导的推导 由动量方程可知：动量增量等于紊流附加切力T产生的冲量，即：2xxyxTtmuA u

12、t u txyxTu uA 2txyxy01dTu utu uT 2第29页/共57页由质量守恒定律得：由质量守恒定律得：xyyx0uAuAxyxyxyAuuuuA与 符号相反。符号相反。txyu u 2第30页/共57页2、半经验理论（PrandtlL.）ldyuduxx1ldyudcux11)(|ldyudccuy112)(|)(| |21232123dyudlcccuucuuyxyx第31页/共57页)(4 . 0卡门常数yl0 边壁附近 dyduy2220dyduuydydu11*0cyuuln1*2uuyx)(22dyuxdllcccl1232122涡流粘度，是紊动质点间的动量传输的

13、一种性质。不取决于流体粘性，而取决于流体状况及流体密度。2xd()duLy紊流流速呈对数规律分布。第32页/共57页 6.4 圆管紊流的沿程水头损失 相对粗糙度。绝对粗糙度。d），（dfRe6.4.1 沿程阻力系数的影响因数ghgdlhjf2222(a)0第33页/共57页6.4.2 尼古拉兹实验与紊流阻力分区一、一、 尼古拉兹实验尼古拉兹实验层流时,64R e =f(Re) =f(Re) =f(Re, /d) =f(, /d)第34页/共57页圆管紊流的流动分区：圆管紊流的流动分区：第1区层流区，=64/Re。第2区层流向紊流的过渡区，=f(Re)。第3区紊流水力光滑管区，Re4000,=f

14、(Re)。第4区紊流过渡区，=f(Re,/d)。第5区水力粗糙管区或阻力平方区，=f(/d）。第35页/共57页( a )0( b )0( c )0光滑区的分析光滑区的分析第36页/共57页二、流速分布二、流速分布1、紊流光滑区uuyb ,0cyuuln1*0*ln1uucbyucuy0000uuubb*200第37页/共57页cuyuuuuuuuyuubb1*ln11ln1或5.54 . 0ln111*ccyu，或5 . 5lg75. 5*uyuu2、阻力平方区uuys,cyuuln1*ln1*uucs8.48c4 . 0cln1ln122*，或yuuuuyuus2v1.15v1.26vv层

15、流紊流umax第38页/共57页8.48c4 . 0cln1ln122*，或kyuukyusss48. 8lg75. 5*yuu 查表。指数公式：nryuun0max、光滑区沿程阻力系数的半经验公式三、15 . 5lg75. 5*uyuu75. 1lg75. 5220*002000ruurrrrdrurdru51. 2Relg218*u第39页/共57页2、粗糙区d7 . 3lg21四、阻力区的判别四、阻力区的判别u*06 .113 . 217. 063 . 2000紊流过渡区。紊流粗糙区；紊流光滑区；五、工业管道的五、工业管道的Colebrookgshi Colebrookgshi 公式公式

16、。查表当量粗糙度16Re51. 23.7lg21d综合式第40页/共57页穆穆 迪迪 图图d第41页/共57页六、沿程阻力系数的经验公式六、沿程阻力系数的经验公式1、Blasius公式10ReRe3164. 0525. 02、希弗林松公式（粗糙区） d25. 011. 03、谢才公式lhdggdlhff2222RJCRJglhJRdf8,4第42页/共57页。粗糙系数，查表曼宁公式谢才系数2 . 61/C8610.5nRnCsmgC七、非圆管的沿程损失七、非圆管的沿程损失hbbhAdhbbhARddeee224，矩形，当量直径）（ Rdgdlheef4Re22hbhb第43页/共57页2、局部

17、水头损失的影响因素边界形状有关。局部水头损失系数，与22ghj边界形状有关。局部水头损失系数，与22ghj二、几种典型的局部水头损失系数二、几种典型的局部水头损失系数1、突然放大)2-()-()-(2222112121gppzzhj6.5 局部水头损失一、局部水头损失的一般分析1、局部水头损失产生的原因第44页/共57页动量方程有： sin2221GApAp)-(1122Q)(z-lz-212212zAzlA=ppz2121-)z-(g21122)-(ghj21122)-(g2-222211g2)-(212g2211g2222sinG第45页/共57页)(A2A1-121=)(1-1222AA

18、=通式 2、突然缩小管； 3、渐扩管； 4、渐缩管； 5、弯管三、局部之间的相互干扰三、局部之间的相互干扰查表。ghj22第46页/共57页 1 1、边界层（、边界层（boundary layer）：亦称附面层 雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或水）沿固体壁面流动（或固体在流体中运动）时壁面附近受粘性影响显著的薄流层。2、流场的求解可分为两个区进行、流场的求解可分为两个区进行 边界层内流动边界层内流动 必须计入流体的粘性影响可利用动量方程求得近似解。 边界层外流动边界层外流动 视为理想流体流动，可按势流求解。6.6 边界层概念和绕流阻力 6.6.1 边界层概念第47页/共57页1、边界层的描

19、述、边界层的描述 普兰特把贴近于平板边界存在较大切应力，粘性影响不能忽略的薄层称为边界层。U U U 粘性底层粘性底层层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层过渡过渡区区边界层界限边界层界限xcrxyUxUxx边界中的水流同样存在两种流态：层流和紊流。层流边界层和紊流边界层第48页/共57页6.6.2 边界层的厚度边界层的厚度 边界层厚度边界层厚度 （boundary layer thickness）：）：自固体边界表面沿其外法线到纵向流速ux达到主流速U0的99%处，这段距离称为边界层厚度。边界层的厚度边界层的厚度顺流增大，即是x的函数。转捩点，临界雷诺数转捩点，临界雷诺数转捩点转捩点：在x

20、=xcr处边界层由层流转变为紊流的过渡点。特点特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关。crRecrcrUXRev临界雷诺数临界雷诺数：第49页/共57页 临界雷诺数的范围临界雷诺数的范围：56crcr3 10/3 10Ux Re 边界层厚度边界层厚度 临界雷诺数并非常量，而是与来流的扰动程度有关，如果来流受到扰动，脉动强，流态的改变在较低的雷诺数就会发生。)Re(37. 0Re551xxxx紊流边界层厚度层流边界层厚度第50页/共57页 层流边界层（层流边界层（laminar boundary layer）：）：当边界层厚度较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内

21、的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层。 紊流边界层（紊流边界层（turbulence turbulence boundary layer）：）： 当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。层流边界层与紊流边界层 在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，dux/dy仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以紊流边界层内有一粘性底层。U U U 粘性底粘性底层层层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层过渡过渡区区边界层界限边界层界限xcrxyUxUxx第51页/共57页 边界层分离（边界层分离（separation of boundary layer） ：因压强沿流因压