流体力学第四章.ppt

第四章不可压粘性流体的一元流动;§4-1粘性流动的伯努利方程;粘性总流的伯努利方程;图4-1伯努利方程的几何解释;流动损失分类;对于管道流动，沿程损失可用下式求得;二、局部阻力与局部损失;三、总阻力与总能量损失;;§4-2粘性流体的两种流动型态;一、雷诺实验;(2)调节阀C逐渐开大，水流速度增大到某一数值时颜色水的直线流将开始振荡，发生弯曲，如图4-3(b)所示。;雷诺实验说明：

①当流速大于上临界流速时为湍流；

当流速小于下临界流速时为层流；

当流速介于上、下临界流速之间时，是一种不稳定的过渡状态，可能是层流也可能是湍流，这与实验的起始状态、有无扰动等因素有关，不过实践证明，是湍流的可能性更多些。

②在相同的玻璃管径下用不同的液体进行实验，所测得的临界流速也不同，粘性大的液体临界流速也大；假设用相同的液体在不同玻璃管径下进行试验，所测得的临界流速也不同，管径大的临界流速反而小。;水流;二、能量损失与平均流速的关系;图4-4水平等直管道中水头损失;将测得的平均流速和相应的压头损失，在对数坐标上表示出，如图4-5所示。先做层流到湍流的试验，当流速逐渐增加时，hf与V成正比增大，如图中的OAB直线。当流速增加到一定程度时层流变为湍流，hf突然从B点上升到C点。以后再增大流速时，hf要比

V增加得快，如图中的CD

线，其斜率比OAB线的斜率

大，此后假设将流速逐渐减

小，那么hf与V的关系曲线

沿DCAO线下降。A点和B点

各为相应的下临界流速Vc

和上临界流速Vc’，ABC为

过渡区。;由实验所得的图4-5可知：

〔1〕当VVc时，即层流时，hf与V的一次方成正比；

〔2〕当VVc’时，即湍流时，hf与Vm成正比。

m值与管壁粗糙度有关：对于管壁非常光滑的管道m=1.75；对于管壁粗糙的管道m=2。所以湍流中的压头损失比层流中的要大。;三、雷诺数;对应于上、下临界速度，临界雷诺数也有上、下临界雷诺数，大量的实验显示，对于非常光滑、均匀一致的直圆管，下临界雷诺数Rec等于2320。但对于一般程度的粗糙壁管Rec值稍低，约为2000，所以在工业管道中通常取下临界雷诺数Rec=2000。上临界雷诺数Rec’不??测得其精确数值，一般取为13800。于是得;上临界雷诺数在工程上一般没有实用意义，通常采用下临界雷诺数Rec作为判别流动状态是层流或湍流的准那么数。;更一般情形下湍流的判定：;雷诺数之所以能作判别层流和湍流的标准，可根据雷诺数的物理意义来解释。粘性流体流动时受到惯性力和粘性力的作用，这两个力用量纲可分别表示为;§4-3圆管中的层流;2).求速度分布;3)管内流量;截面平均流速;沿程损失系数;非圆形管道的沿程损失;园管：;例4-3圆截面输油管道;分析方法类似，自学P66－68。;§4-5层流向湍流的过渡;香烟产生的层流和湍流;;圆管中流体的湍流流动;在流场中的某一空间点如用高精度的热线热膜风速仪来测量流体质点的速度，那么可发现速度是随时间而脉动的，如图IV-1所示。从图中可见湍流中某一点的瞬时速度随时间的变化极其紊乱，但在一段足够长时间t1内，这个变化始终围绕着某一平均值，在其上下脉动，这就反映了流体质点掺混过程中脉动现象的实质，揭示了湍流的内在规律性。;流场中某一点的瞬时速度可用下式表示;另外，由于流体有横向脉动速度，流体质点互相掺混，发生碰撞，引起动量交换，因而产生附加切应力，因此湍流中的切向应力是由摩擦切向应力和附加切应力两局部组成。;2．附加切向应力〔湍流应力〕;质量dm的流体到流层2后与该层上的流体互相碰撞,发生动量交换。在dt时间内动量变化为;假设脉动速度v’与时均速度u的增量成正比，即;湍流应力与粘性应力比较

对直径为d的圆管流动，流体通过圆管的雷诺数，湍流强度，那么湍流应力和粘性应力的数量级分别为;三、湍流结构、“光滑管”和“粗糙管”;从上式可以看出，粘性底层的厚度取决于流速的大小，流速越高，粘性底层的厚度越薄，反之越厚。;图IV-16水力光滑和水力粗糙

〔a〕“光滑管”；〔b〕“粗糙管”;当δ△时，那么管壁的粗糙凸出的高度完全被粘性底层所掩盖，如图IV-6(a)所示。这时管壁粗糙度对湍流流动没有影响，液体好象在完全光滑的管道中流动一样。这种情况下的管道称为“水力光滑”管，简称为“光滑管”。

当δ△时，管壁的粗糙凸出局部突出到湍流区中，如图IV-6(b)所示。当流体流过凸出局部时，在凸出局部后面将引起旋涡，增加了能量损失，管壁粗糙度将对湍流流动发生影响。这种情况下的管道称为“水力粗糙”管，简称“粗糙管”。

对同一绝对粗糙度的管道，当流速