第七章流体在管路中的流动ppt课件

1、 欢欢 迎迎 使使 用用 多媒体授课系统多媒体授课系统燕燕 山山 大大 学学课程组课程组第七章第七章 流体在管路中的流动流体在管路中的流动 概述 7.1 管路中流体流动的两种形状 7.2 能量损失的两种方式 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确实定 7.8 部分阻力系数确实定 7.9 管路计算概概 述述v流体在管路中的流动是工程实践当中最常流体在管路中的流动是工程实践当中最常见的一种流动情况。由于实践流体都是有见的一种流动情况。由于实践流体都是有粘性的，所以流体在管路中流动必然要产粘性的，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紧

2、缩流生能量损失。本章将主要讨论不可紧缩流体在管路中的流动规律，其中包括流动形体在管路中的流动规律，其中包括流动形状分析，能量损失计算方法等，进而处理状分析，能量损失计算方法等，进而处理工程中常见的管路系统计算问题。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形状一、雷诺实验一、雷诺实验英国物理学家雷诺英国物理学家雷诺Reynolds经过大量的实验经过大量的实验研讨发现，实践流体在管路中流动存在着两种不同研讨发现，实践流体在管路中流动存在着两种不同的形状，并且测定了管路中的能量损失与不同的流的形状，并且测定了管路中的能量损失与不同的流动形状之间的关系，此即著名的雷诺实验。雷诺实动

3、形状之间的关系，此即著名的雷诺实验。雷诺实验安装如图验安装如图71所示。所示。 二、实验过程二、实验过程实验过程中使水箱中的水位坚持恒定。实验开场前实验过程中使水箱中的水位坚持恒定。实验开场前水箱中颜色水的阀门以及玻璃管上的阀门都是封锁水箱中颜色水的阀门以及玻璃管上的阀门都是封锁的。开场实验时，逐渐翻开玻璃管出口端上的阀门，的。开场实验时，逐渐翻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。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，颜色水坚持一条平直的细线，不与周围的水相混合，见图72a。假设继续缓慢开大阀门，玻璃管中流动速度加快，

4、可以发现，在一定的流动速度范围内，水流仍坚持层流状态。当流速增大到某一值后，颜色水出现摆动景象，而不能维持直线的形状，如图72b所示。这阐明流体质点出现了与主流动方向垂直的横向运动。假设继续开大阀门，流速增大到某一值时，摆动的颜色水线忽然分散，并和周围的水流相混合，颜色水充溢整个玻璃管，如图72C所示。假设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形状，使颜色水又恢复到一条平直的细线。 三、根本概念三、根本概念1、层流：流体质点平稳地沿管轴线方向运动，、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，而无横向运动，流体就象分层流

5、动一样，这种流动形状称为层流。这种流动形状称为层流。2、湍流：流体质点不仅有纵向运动，而且有、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那么运动横向运动，处于杂乱无章的不规那么运动形状，这种流动形状称为湍流。形状，这种流动形状称为湍流。 3、上临界流速：由层流转变为湍流形状时的、上临界流速：由层流转变为湍流形状时的流速称为上临界流速流速称为上临界流速vc。4、下临界流速：由湍流转变为层流时的流速、下临界流速：由湍流转变为层流时的流速称为下临界流速称为下临界流速vc， 四、雷诺数1、对应于下临界流速vc的称为下临界雷诺数Rec，对应于上临界流速vc的称为上临界雷诺数Rec。

6、实验测得Rec = 2320，Rec = 00。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，阐明粘性力的作用越大，流动就越稳定；Re越大，阐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Revdmfhkv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，沿流程妨碍着流体的运动，这种阻力称为沿程阻力。为抑制沿程阻力而损耗的机械能称为沿程能量损失，单位分量流体的沿程能量损失称为沿程能头损失，以h表示 7.

7、2 能量损失的两种方式gvdLh222221vdLppp二、部分阻力流体在管道中流动时，当经过弯管、流道忽然扩展或减少、阀门、三通等部分区域时，流速大小和方向被迫急剧地改动，因此发生流体质点的撞击，出现涡旋、二次流以及流动的分别及再附壁景象。此时由于粘性的作用，质点间发生猛烈的摩擦和动量交换，从而妨碍着流体的运动。这种在部分妨碍处产生的阻力称为部分阻力。流体为抑制部分阻力而耗费的机械能称为部分能量损失，单位分量流体的部分能量损失称为部分能头损失，以h表示 gvh2222vp三、总能量损失在工程实践中，流体在管道中流动总是要同时产生沿程能量损失和部分能量损失的。于是在某段管道上流体产生的总的能量

8、损失应该是这段管路上各种能量损失的迭加，即等于一切沿程能量损失与一切部分能量损失的和，用公式表示为 hhhf7.3 圆管中的层流流动一、圆管层流流动一、圆管层流流动在所研讨的等径圆管层流流动中，取一微小圆柱体在所研讨的等径圆管层流流动中，取一微小圆柱体为为分析对象，其轴线与管轴线重合，如图分析对象，其轴线与管轴线重合，如图7 71 1所示。所示。设设微小圆柱体长为微小圆柱体长为L L，半径为，半径为r r，察看此圆柱体的受力，察看此圆柱体的受力平平衡情况。由于微小圆柱体做定常匀速流动，质量力衡情况。由于微小圆柱体做定常匀速流动，质量力只只有重力。在圆柱体的两端面上，压强分别为有重力。在圆柱体的

9、两端面上，压强分别为p1p1和和p2p2，在圆柱体的侧外表上，压强的方向与轴线垂直，而在圆柱体的侧外表上，压强的方向与轴线垂直，而切切应力与轴线平行。由于流动是以轴线为对称轴的轴应力与轴线平行。由于流动是以轴线为对称轴的轴对对称流动，因此一切切应力在侧外表上均布，把一切称流动，因此一切切应力在侧外表上均布，把一切的的作用力投影到轴线方向，可得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02)(212rLpprrppL)(2121drdurppLdrdu)(2121121()22dupp rdrLprL crLpu24积分常数得：其中24RLpc)(42

10、2rRLpu2max4RLpu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75所示。因dr很小，可以以为其上速度相等，即按式724分布，于是经过微元面积dA = 2rdr上的微小流量 经过整个过流断面的流量为rdruudAdqv2pLRrdrrRLprdrudqqRRvv82)(4240220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724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2max182vqpRvuAL282)(4232032233RLRprdrrRLpAvdAuRA33.

11、 13482)(4222022222RLRprdrrRLpAvdAuRA五、切应力分布切应力将式724代人上式，得令r = R时， = 0，那么于是drdurLprRLpdrd2)(422RLp20Rr0六、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 = 64Re，为圆管层流的沿程能量损失系数。为抑制沿程阻力而耗费的功率为gpgpph2128RLvpgvdLgvdLvdgRLvh2264822242128dLqpqqghPvvv一、脉动景象与时均值1、这种在定点上的瞬时运动参数随时间而发生动摇的景象称为脉动。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

12、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 uuu000001111()1TTTTTuudtu u dtudtu dtTTTTuu dtT 时均压强二、湍流的速度构造、水力光滑管和水力粗糙管1湍流的速度构造 管中湍流的速度构造可以划分为以下三个区域：1粘性底层区：在接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77所示。2湍流中心区：在管轴中心区域，粘性的影响逐渐减弱，流体的脉动比较猛烈，速度分布比较均匀，流体处于完全的湍流形状，这一区域称为湍流中心区3过渡区：处于粘性底层与湍流中心区之间的区域，这一区域范围很小，速度分

13、布与湍流中心区的速度分布规律相接近。TpdtTp012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，因此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，湍流中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

14、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22dyduLdydudydudydu积分得：湍流中心区 由于所以整理并积分得yu022dyduL)1 (00RrRrRrkyL122201)1 (dyduRrykRrcykuln10yRkuuuln1*max一、尼古拉兹实验尼古拉兹Nikuras进展了大量的实验，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确实定1层流区I雷诺数的范围为 Rec 2320。2临界区II雷诺数的范围为2320

15、Re4000 。3光滑管湍流区III雷诺数的范围为 eR643/10025. 0eR7/898.264000dRe5104000eR25. 03164. 0eR6510310eR237. 0221. 00032. 0eR4000eR8 . 0)lg(21eR4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85. 07/82416098.26dRde)51. 27 . 3lg(21eRd25. 0)68(11. 0eRd85. 024160dRe22lg274. 11d二、莫迪图Moody7.8 部分阻力系数确实定部分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

16、引起的局部能量损失。例如管道断面忽然扩展、忽然减少、逐渐扩展和减少等；2由于管道的方向发生变化，引起的部分能量损失，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部分能量损失。例如各种阀门平板阀、球形阀、锥阀、滑阀等。一、断面忽然扩展的部分阻力系数如图713所示的断面忽然扩展管道，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 fhgvgpzgvgpz222222221111gvvgpph2222121)()(12122211vvqAApApApv)()()(122212221vvvAvvqAppv)()(

17、12221vvvpp得：对应于忽然扩展前管道速度水头的部分阻力系数 对应于忽然扩展后管道速度水头的部分阻力系数 2122221111222222221()2122122vvhgAvvAggAvvAgg22111AA21221AA7.9 管路计算水力长管：管路中流体流动的部分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普通小于沿程损失的510，经常不计部分损失和速度水头，这样的管路称为水力长管；水力短管：在总水头损失中，部分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：管径一样，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依次衔接而成的管路2、串联管路特点1假设衔接点处无走漏，那么各段流量相等，即2总水头损失为各段损失之和，即二、并联管路1由流量延续性原理可知，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由于并联管段具有共同的联接点，结合点间的压强差即为各并联管路的水头损失，即有 321vvvqqqhhhf321vvvvqqqq) 3 , 2 , 1(22321igvdLhhhiiiiv本章小结本章小结v几个根本概念：层流、湍流、上下临界流速、水几个根本概念：层流、