知道雷诺实验过程，了解层流与紊流流态的特（可编辑）

知道雷诺实验过程，了解层流与紊流流态的特（可编辑） 知道雷诺实验过程，了解层流与紊流流态的特 第三章 回 顾 一、基本概念 二、基本定律和基本方程 三、重要的性质和结论 本章重点、难点: 1、连续性方程 2、恒定总流能量方程 3、恒定流动动量方程 第三章 回 顾 了解流动运动的基本描述及相关概念,了解一元流 动模型; 掌握连续性方程、恒定元流能量方程、恒定总流能 量方程、恒定气流能量方程、恒定流动量方程; 重点是能量方程的应用; 了解皮托测速管、文丘里流量计、孔板流量计工作 原理和基本计算。 了解过流断面的压强分布、总水头线、测压管水头 线、总压线和全压线等概念。第四章 主要内容: 水头损失的物理概念及其分类 沿程水头损失与切应力的关系 液体运动的两种流态 圆管中的层流运动及其沿程水头损失的计算 紊流特征 沿程阻力系数的变化规律 计算沿程水头损失的经验公式??谢才公式 局部水头损失 减小阻力的措施 重点(要求熟练掌握的内容) 1.知道雷诺实验过程,了解层流与紊流流态的特 点,熟练掌握流态判别。 2.理解流动阻力的两种形式,掌握沿程损失和局 部损失的计算方法。 3.掌握水力半径、阻力(摩阻)流速和均匀流基 本方程的计算方法。 4.了解圆管中层流运动的流速分布,熟练掌握层 流沿程损失的计算公式。 5.知道圆管中紊流运动的流速分布的特征。 6.理解尼古拉兹实验,了解莫迪图,掌握阻力系 数的确定方法,会使用阻力系数计算公式解决工 程问。会计算非圆管的当量直径。 7.掌握管道流动中局部阻力计算方法,知道局部 阻力减阻措施。水头损失的物理概念及其分类 产生损失的内因 物理性质?? 粘滞性和惯性 产生流 损耗机 动阻力 械能h w 固体边界?固壁对流动的阻滞和扰动 产生损失的外因造成能量损失的原因:流动阻力 内因? 流体的粘滞性和惯性 外因? 流体与固体壁面的接触情况 流体的运动状态 能量损失的表示方法: 液体:h ? 单位重量流体的能量损失 l p 气体: l ? 单位体积流体的能量损失 能量损失计算的重要性: 供热工程、工业通风、空气调节、燃气工程、给排 水工程、锅炉与锅炉房设备?4.1 沿程损失和局部损失?4.1 沿程损失和 局部损失 h 沿程阻力造成的沿程损失 f 局部阻力造成的局部损失 h m 一、沿程阻力与沿程损失 粘性流体在管道中流动时,流体与管壁面以及流 体之间存在摩擦力,所以沿着流动路程,流体流 动时总是受到摩擦力的阻滞,这种沿的摩擦 阻力,称为沿程阻力。边界层内的速度分布示意图h 单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失,以 表示,单 f Δp 位体积流体的沿程损失,又称为沿程压强损失,以 表 f Δp ρgh 示。 f f 在管道流动中的沿程损失可用下式求得 2 l V h λ f 4-1-1 达西公式 d 2g 2 l V Δp λ ρ f 4-1-3 d 2 λ ?沿程阻力系数,它与雷诺数和管壁粗糙度有关,是一 式中 个无量纲的系数,将在本章后面进行讨论; ?管道长度,m; l d ?管道内径,m; ?管道中有效截面上的平均流速,m/s。 V二、局部阻力与局部损失 在管道系统中通常装有阀门、弯管、变截面管等局部 装置。流体流经这些局部装置时流速将重新分布,流 体质点与质点及与局部装置之间发生碰撞、产生漩涡, 使流体的流动受到阻碍,由于这种阻碍是发生在局部 的急变流动区段,所以称为局部阻力。流体为克服局 部阻力所损失的能量,称为局部损失 。二、局部阻力与局部损失 单位重量流体的局部损失称为局部水头损失,以h m 表示,单位体积流体的局部损失,又称为局部压 Δp Δp ρgh 强损失,以 表示 。 m m m 在管道流动中局部损失可用下式求得 2 V h ζ m 4-1-2 2g 2 V Δp ζ ρ ζ 式中 ?局部阻力系数。 m 4-1-4 2 ζ 局部阻力系数 是一个无量纲的系数,根据不同的 局部装置由实验确定。在本章后面进行讨论。三、总阻力与总能量损失 总能量损失应等于各段沿程损失和局部损失的总和, 即 h h + h ? ? w f m Δp ρgh Δp + Δp w w ? f ? m 上述公式称为能量损失的叠加原理。?4.2 层流与紊流、雷诺数 一、雷诺实验简介 1883年英国物理学家雷诺按图示试验装置对粘性流体进行实验, 提出了流体运动存在两种型态:层流和紊流。 Osborne Reynolds 1842-1916?4.2 层流与紊流、雷诺数 一、沿程水头损失和平均流速的关系 D h f A C E 1 B 2 a b c 雷诺实验装置图 雷诺试验 颜色水 h f 颜色水 lgh f 流速由小至大 流速由大至小 θ 2 颜色水 1.0 VV? ,h V kf 1.75 2.0 VV? ,h V θ 1 kf 颜色水 ′ O V V lgV k k 返回 雷诺实验的动态演示υ 将 与 对应关系绘于双对数坐标纸上,得 h f 到 h ?v关系曲线. f lg h f ′ C C 0 45 θ lg k 1 lg k 2 lg υ lg υ c ′ lg υ c h ?v关系曲线图 f结果表明: 实验点大都分别集中在不同斜率的直线上,方程式为 lgh lgk +mlg υ f 式中 lgk ?直线的截距; m tg θ m ?直线的斜率,且 为直线与 θ 水平线的交角)。 0 层流时: θ 45 ,m 1即lgh lgk + lg υ或h k υ 1 f 1 f 1 沿程水头损失与平均流速成正比。 0 θ 45 ,m 1.75?2即lgh lgk +mlg υ 紊流时 2 f 2 沿程水头损失与平均流速的1.75?2次方成正比。 h 与V的对数关系 f 当V从小变大,流态从层流变为湍流, 实验点落在曲线ABC上红线所示沿程损失与平均流速的幂次方成正比: n 取阻力系数 h ? V λ f AB段,n1,?λ?1/V 0.25 BC段,n1.75, λ?1/V C附近, n2, λ与V无关 B为从层流变为湍流的分界点 湍流与层流 V从大变小,流态从紊流变为层流,实 验点落在曲线CDA上D为从紊流变为层流的分界点 B点的速度称为上临界速度,记作V , 上 D点的速度称为下临界速度,记作V , 下二、两种流态 雷诺试验 ??揭示了水流运动具有层流与紊流两种 流态。 当流速较小时,各流层的液体质点是有 条不紊地运动,互不混杂,这种型态的流动 叫做层流。 当流速较大时,各流层的液体质点形成涡 体,在流动过程中,互相混掺,这种型态的流 动叫做紊流。层流区过渡区 紊流区二、两种流态 层流与紊流的判别 Vd VR 雷诺数 或 Re Re ν ν Vd k 临界雷诺数 Re Re 2000 k K ν Re ? 500 k 1.0 hV ? 若ReRe ,流动为层流, f k 1.75~2.0 hV ? 若ReRe ,流动为紊流, f k 雷诺数可理解为流动惯性力和粘滞力的量级之比 量纲为 V 322 粘滞力 ρρ L LV ma 惯性力 T 量纲为 du μA V 2 粘滞力 μρ L νLV dy L 22 惯性力 ρLV VL 粘带力 ρνν LV湿周 A 水力半径 R χ 2 πd Ad 4 对于圆管水力半径 R χπd 4 第七节 P112q 0.01 d 【例题 】 管道直径 100mm,输送水的流量 V ?6 3 2 m /s,水的运动粘度 ν 1 ×10 m /s,求水在管中的流 ?4 2 动状态?若输送 ν 1.14 ×10 m /s的石油,保持前一种 情况下的流速不变,流动又是什么状态? Vd 【解 】 Re (1)雷诺数 ν 4q 4 × 0.01 V V 1.27 (m/s) 2 2 πd 3.14 × 0.1 1.27 × 0.1 5 Re 1.27 ×10 2000 ?6 1 ×10 故水在管道中是紊流状态。(2) Vd 1.27 × 0.1 Re 1114 2000 ?4 ν 1.14 ×10 故油在管中是层流状态。例题 ?6 2 ?6 2 υ 1.79 ×10 m /s; υ 30 ×10 m /s 水和油的运动粘度分别为 , 1 2 v 0.5m /s d 100mm 若它们以 的流速在直径为 的圆管中流动, 试确定其流动状态? 解:水的流动雷诺数 vd 紊流流态 Re 27933 2000 υ 1 油的流动雷诺数 vd 层流流态 Re 1667 2000 υ 2例题 ?6 2 t 15 ?C d 2m 温度 、运动粘度 υ 1.14 ×10 m /s 的水,在直径 的 管中流动,测得流速 ,问水流处于什么状态?如要改变其运动 , v 8cm /s 可以采取那些办法? 解:水的流动雷诺数 vd Re 1404 2000 层流流态 υ 如要改变其流态 1)改变流速 Re υ cr v 11.4m /s d 2)提高水温改变粘度 vd 2 υ 0.008cm /s Re紊流形成过程的分析 F F F F 流速分布曲线 τ 干扰 选定流层 τ y 升力 涡体 涡体的产生 紊流形成条件 雷诺数达到一定的数值四、紊流的成因 层流运动中,流体层与层之间 互不混杂,无动量交换 1. 层流与紊流的区别 紊流运动中,流体层与层之间 互相混杂,动量交换强烈 2. 层流向紊流的过渡 ? 与涡体形成有关 3. 涡体的形成并不一定能形成紊流由于液体粘滞性的作用,对于任一选定 的流层 来说,所承受的切应力有构成力偶促使涡体产 生倾向的趋势。当某一流层发生轻微的波动,在波峰上面流线压紧,过 水断面减小,流速增大,压强减小;在波峰下面则流速 减小,压强增大,这样在波峰处产生了一个 向着峰顶方向的压力同理,在波谷处产生了一个 向着波谷方向的压力这两个垂直于流层的压力将促使这 个流层的波幅更加增大波幅增大到一定程度后,动水压力形成的力 偶和切力产生的力偶,将促使涡体形成。在涡体上部,旋转方向和上部流速方 向一致,流速加 大而压强变小,下部则流速减小而压强增大,这样就 产生了一个压差即升力,迫使涡体从一个流层进入另 一个流层而混掺。