工程流体力学ch6-不可压缩黏性流体的内部流动课件

第六章不可压缩粘性流体的

内部流动6.1流动阻力6.2圆管内层流6.3平板间层流6.4管内湍流6.5沿程阻力系数和局部阻力系数6.6管内流动的能量损失6.7管道计算第六章不可压缩粘性流体的

内部流动6.1流动阻力1内部流动、外部流动理想流体：流体间无粘性，无切向应力，流动时总水头保持不变。粘性流体：流体间有粘性，有切向应力有一个从零变化到主流速度的流速变化区域相对运动着的流层之间存在切向应力，形成阻力要克服阻力，维持粘性流体流动，要消耗机械能机械能不守恒内部流动、外部流动26.1流动阻力一、不可压缩粘性流体总流伯努利方程1、沿一根微元流管2、沿一根流管（总流）

管内的缓变流与急变流6.1流动阻力一、不可压缩粘性流体总流伯努利方程2、沿一根3选择两个缓变流截面，建立伯努利方程在工业管道中，动能修正系数接近1雷诺数越大，动能修正系数越接近1雷诺数越大，流速分布越平坦选择两个缓变流截面，建立伯努利方程在工业管道中，动能修正系数4动能修正系数的导出：管内流动为层流时，动能修正系数是多少？在一根等截面管道内，需要考虑动能修正么？能量损失项：动能修正系数的导出：管内流动为层流时，动能修正系数是多少？5二、流动阻力损失1、沿程阻力损失——缓变流2、局部阻力损失——急变流3、总损失例6-1二、流动阻力损失例6-16例：离心水泵的体积流量为Q=20m3/h，安装高度hs=5.5m，吸水管内径d2=100mm，吸水管的总损失hw＝0.25m水柱，水池的面积足够大，求水泵进水口2-2处以毫米水银柱表示的真空。(425mmHg)例：离心水泵的体积流量为Q=20m3/h，安装高度hs=5.76.2圆管内层流通过水平圆截面管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动一、微分方程6.2圆管内层流通过水平圆截面管道的不可压缩粘性流体的定常8二、速度分布、流量、切应力二、速度分布、流量、切应力9上式为Hagen-Poiseuille公式——测黏度平均流速V由速度分布可得切应力上式为Hagen-Poiseuille公式——测黏度由速度分10三、沿程阻力公式由哈根公式单位重量流体的能量损失三、沿程阻力公式单位重量流体的能量损失11四、入口段与充分发展的管流四、入口段与充分发展的管流12管内湍流的发展管内湍流的发展136.3平板间的层流一、微分方程与速度分布LU2hyxO6.3平板间的层流一、微分方程与速度分布LU2hyxO14求解此微分方程代入以下边界条件，可得积分常数及特解上式右边两项，分别代表泊肃叶流、库艾特剪切流。求解此微分方程代入以下边界条件，可得积分常数及特解上式右边两15设定一无量纲压力梯度B，将速度式无量纲化压力梯度B对流动的影响u*0123-101-1y*设定一无量纲压力梯度B，将速度式无量纲化压力梯度B对流动的影16二、流体润滑xyppLU二、流体润滑xyppLU17求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得压强分布：利用h和x的关系，得流量：求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得压强分布：利用h和18所以压强分布为：轴承的承载力、摩擦力分别为：承载力、摩擦力之比：所以压强分布为：轴承的承载力、摩擦力分别为：承载力、摩擦力之196.4管内湍流一、湍流流动的时均值6.4管内湍流一、湍流流动的时均值20瞬时值=时均值+脉动值积分时间的选取？脉动值的时均值为0其它参数也有类似性质瞬时值=时均值+脉动值积分时间的选取？其它参数也有类21管内层流与湍流：层流：士兵列队在街上行进！湍流：一群醉汉在街上行进！湍流的重要特性随机性扩散性有涡性耗散性管内层流与湍流：22二、雷诺应力由于横向脉动的存在，使流层间发生动量交换，引起能量损失，其宏观效果等于产生了一种切向应力——称为湍流脉动切应力或雷诺应力。u+duuu-duy-ly+lyv’二、雷诺应力u+duuu-duy-ly+lyv’23关于普朗特混合长l湍流黏度关于普朗特混合长l24三、水力粗糙与水力光滑1、层流底层2、相对粗糙度3、水力光滑4、水力粗糙三、水力粗糙与水力光滑25四、圆管湍流的速度分布圆管湍流速度分布可借助混合长理论导出考虑水力光滑圆管对层流底层、湍流区域分别推导四、圆管湍流的速度分布圆管湍流速度分布可借助混合长理论导出26层流底层湍流区域层流底层湍流区域27利用层流、湍流分界面流速可得积分常数，故由尼古拉兹实验数据，得光滑管实用公式粗糙管实用公式利用层流、湍流分界面流速可得积分常数，故由尼古拉兹实验数据，28冯卡曼（VonKarman）1/7次方规律当Re增大，n减小，V/umax越接近1，壁面附近速度变化越剧烈。冯卡曼（VonKarman）1/7次方规律当Re增大，n减296.5沿程阻力系数和局部阻力系数一、沿程阻力系数与穆迪图管内湍流的沿程阻力系数目前无法理论求解尼古拉兹（Nikuradse，1933）和穆迪（Moody，1944）先后给出了实验曲线穆迪图适合工业管道，较常用沿程阻力系数可表示为以下函数：6.5沿程阻力系数和局部阻力系数一、沿程阻力系数与穆迪图30工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件31工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件321、层流区2、临界区3、湍流光滑管区4、过渡区5、湍流粗糙管区1、层流区33二、局部阻力系数急变流处的流动阻力损失常用管件：弯头、三通、阀门、过滤器、节流元件、变截面管多数情况下，只能由实验给出阻力系数举例：弯管二、局部阻力系数34工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件35工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件36变截面管局部阻力系数推导：V1,A1V2,A2变截面管局部阻力系数推导：V1,A1V2,A2376.6管内流动的能量损失一、单一圆管的能量损失什么是单一圆管？

直径不变，且无分岔。6.6管内流动的能量损失一、单一圆管的能量损失38三类常见问题：1）已知Q、d，求阻力损失hw2）已知d、hw，求流量Q3）已知Q、hw，求管径d三类常见问题：39例6-4密度680kg/m3，运动黏度3.5×10-7m2/s的汽油流经一根内径150mm，绝对粗糙度0.25mm，长400m的铸铁管，其体积流量0.012m3/s，求经过该管道的压降。例6-520°C的水流过内径0.3m，绝对粗糙度1.7mm的水泥管，每1000m产生的能头损失为41m，求质量流量。例6-4密度680kg/m3，运动黏度3.5×10-7m240例6-6运动黏度2×10-6m2/s的煤油存放在一个开口容器中，用一根长度为3m，内径6mm，绝对粗糙度0.046mm的钢管将煤油从底部引出，液面与出口的垂直距离为4m，直角弯管的曲率半径为12mm，求煤油的体积流量。例6-6运动黏度2×10-6m2/s的煤油存放在一个开口容41例6-7用功率10kW、效率72%的水泵抽水，从湖泊至水塔，高度差25m，水塔上部表压150kPa，流量0.012m3/s，水的运动黏度为1×10-6m2/s，钢管长度260m，绝对粗糙度0.15mm，有3个直角弯头，2个45°弯头，一个局部阻力系数为2的吸水罩和一个球阀，求所用管径。例6-7用功率10kW、效率72%的水泵抽水，从湖泊至水塔42工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件43二、非圆形管道流动能量损失方法：1、计算阻力系数时，使用当量直径2、计算流量或流速时，使用实际面积例6-8当流动处于湍流粗糙管平方阻力区时，用边长为a的矩形管代替直径为d的圆管，长度、绝对粗糙度、体积流量、沿程损失不变，求a与d的关系。二、非圆形管道流动能量损失例6-8当流动处于湍流粗糙管平方44工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件45三、虹吸1、什么是虹吸？2、如何产生虹吸？3、虹吸流量怎么确定？4、最大吸入高度怎么确定？h1h2123三、虹吸h1h212346四、孔板流量计1、孔板测流量的原理2、修正因素：流通面积、边缘不尖锐度、黏度四、孔板流量计476.7管路计算一、串联管路1、特点2、常见问题1）已知流量Q，求总水头H2）已知总水头H，求流量Q3、例6-106.7管路计算一、串联管路2、常见问题48二、并联管路1、特点2、常见问题1）已知水头损失hw，求总流量Q2）已知总流量Q，求水头损失hw3、例6-11、6-12二、并联管路2、常见问题49本章作业习题六2、4、10、16、1819、24、26、28本章作业习题六50第六章不可压缩粘性流体的

内部流动6.1流动阻力6.2圆管内层流6.3平板间层流6.4管内湍流6.5沿程阻力系数和局部阻力系数6.6管内流动的能量损失6.7管道计算第六章不可压缩粘性流体的

内部流动6.1流动阻力51内部流动、外部流动理想流体：流体间无粘性，无切向应力，流动时总水头保持不变。粘性流体：流体间有粘性，有切向应力有一个从零变化到主流速度的流速变化区域相对运动着的流层之间存在切向应力，形成阻力要克服阻力，维持粘性流体流动，要消耗机械能机械能不守恒内部流动、外部流动526.1流动阻力一、不可压缩粘性流体总流伯努利方程1、沿一根微元流管2、沿一根流管（总流）

管内的缓变流与急变流6.1流动阻力一、不可压缩粘性流体总流伯努利方程2、沿一根53选择两个缓变流截面，建立伯努利方程在工业管道中，动能修正系数接近1雷诺数越大，动能修正系数越接近1雷诺数越大，流速分布越平坦选择两个缓变流截面，建立伯努利方程在工业管道中，动能修正系数54动能修正系数的导出：管内流动为层流时，动能修正系数是多少？在一根等截面管道内，需要考虑动能修正么？能量损失项：动能修正系数的导出：管内流动为层流时，动能修正系数是多少？55二、流动阻力损失1、沿程阻力损失——缓变流2、局部阻力损失——急变流3、总损失例6-1二、流动阻力损失例6-156例：离心水泵的体积流量为Q=20m3/h，安装高度hs=5.5m，吸水管内径d2=100mm，吸水管的总损失hw＝0.25m水柱，水池的面积足够大，求水泵进水口2-2处以毫米水银柱表示的真空。(425mmHg)例：离心水泵的体积流量为Q=20m3/h，安装高度hs=5.576.2圆管内层流通过水平圆截面管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动一、微分方程6.2圆管内层流通过水平圆截面管道的不可压缩粘性流体的定常58二、速度分布、流量、切应力二、速度分布、流量、切应力59上式为Hagen-Poiseuille公式——测黏度平均流速V由速度分布可得切应力上式为Hagen-Poiseuille公式——测黏度由速度分60三、沿程阻力公式由哈根公式单位重量流体的能量损失三、沿程阻力公式单位重量流体的能量损失61四、入口段与充分发展的管流四、入口段与充分发展的管流62管内湍流的发展管内湍流的发展636.3平板间的层流一、微分方程与速度分布LU2hyxO6.3平板间的层流一、微分方程与速度分布LU2hyxO64求解此微分方程代入以下边界条件，可得积分常数及特解上式右边两项，分别代表泊肃叶流、库艾特剪切流。求解此微分方程代入以下边界条件，可得积分常数及特解上式右边两65设定一无量纲压力梯度B，将速度式无量纲化压力梯度B对流动的影响u*0123-101-1y*设定一无量纲压力梯度B，将速度式无量纲化压力梯度B对流动的影66二、流体润滑xyppLU二、流体润滑xyppLU67求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得压强分布：利用h和x的关系，得流量：求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得压强分布：利用h和68所以压强分布为：轴承的承载力、摩擦力分别为：承载力、摩擦力之比：所以压强分布为：轴承的承载力、摩擦力分别为：承载力、摩擦力之696.4管内湍流一、湍流流动的时均值6.4管内湍流一、湍流流动的时均值70瞬时值=时均值+脉动值积分时间的选取？脉动值的时均值为0其它参数也有类似性质瞬时值=时均值+脉动值积分时间的选取？其它参数也有类71管内层流与湍流：层流：士兵列队在街上行进！湍流：一群醉汉在街上行进！湍流的重要特性随机性扩散性有涡性耗散性管内层流与湍流：72二、雷诺应力由于横向脉动的存在，使流层间发生动量交换，引起能量损失，其宏观效果等于产生了一种切向应力——称为湍流脉动切应力或雷诺应力。u+duuu-duy-ly+lyv’二、雷诺应力u+duuu-duy-ly+lyv’73关于普朗特混合长l湍流黏度关于普朗特混合长l74三、水力粗糙与水力光滑1、层流底层2、相对粗糙度3、水力光滑4、水力粗糙三、水力粗糙与水力光滑75四、圆管湍流的速度分布圆管湍流速度分布可借助混合长理论导出考虑水力光滑圆管对层流底层、湍流区域分别推导四、圆管湍流的速度分布圆管湍流速度分布可借助混合长理论导出76层流底层湍流区域层流底层湍流区域77利用层流、湍流分界面流速可得积分常数，故由尼古拉兹实验数据，得光滑管实用公式粗糙管实用公式利用层流、湍流分界面流速可得积分常数，故由尼古拉兹实验数据，78冯卡曼（VonKarman）1/7次方规律当Re增大，n减小，V/umax越接近1，壁面附近速度变化越剧烈。冯卡曼（VonKarman）1/7次方规律当Re增大，n减796.5沿程阻力系数和局部阻力系数一、沿程阻力系数与穆迪图管内湍流的沿程阻力系数目前无法理论求解尼古拉兹（Nikuradse，1933）和穆迪（Moody，1944）先后给出了实验曲线穆迪图适合工业管道，较常用沿程阻力系数可表示为以下函数：6.5沿程阻力系数和局部阻力系数一、沿程阻力系数与穆迪图80工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件81工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件821、层流区2、临界区3、湍流光滑管区4、过渡区5、湍流粗糙管区1、层流区83二、局部阻力系数急变流处的流动阻力损失常用管件：弯头、三通、阀门、过滤器、节流元件、变截面管多数情况下，只能由实验给出阻力系数举例：弯管二、局部阻力系数84工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件85工程流体力学ch6---不可压缩黏性流体的内部流动课件86变截面管局部阻力系数推导：V1,A1V2,A2变截面管局部阻力系数推导：V1,A1V2,A2876.6管内流动的能量损失一、单一圆管的能量损失什么是单一圆管？

直径不变，且无分岔。6.6管内流动的能量损失一、单一圆管的能量损失88三类常见问题：1）已知Q、d，求阻力损失hw2）已知d、hw，求流量Q3）已知Q、hw，求管径d三类常见问题：89例6-4密度680kg/m3，运动黏度3.5×10-7m2/s的汽油流经一根内径150mm，绝对粗糙度0.25mm，长400m的铸铁管，其体积流量0.012m3/s，求经过该管道的压降。例6-520°C的水流过内径0.3m，绝对粗糙度1.7mm的水泥管，每1000m产生的能头损失为41m，求质量流量。例6-4密度680kg/m3，运动黏度3.5×10-7m290例6-6运动黏度2×10-6m2/s的煤油存放在一个开口容器中，用一根长度为3m，内径6mm，绝对粗糙度0.046mm的钢管将煤油从底部引出，液面与出口的垂直距离为4m，直角弯管的曲率半径为12mm，求煤油的体积流量。例6-6运动黏度2×10-6m2/s的煤油存放在