工程流体力学-5.ppt

工程流体力学 第五章 液流形态及水力损失 第一节 水头损失的概念及其分类一.流动阻力和能量损失的分类 (1)水头损失是流体与固壁相互作用的结果,固壁作为流体的边界层会显著地影响这一系统的机械能与热能的转化过程 (2)在边壁沿程不变的管段上(如图中的ab, bc, cd段),流动阻力沿程也基本不变,称为沿程阻力,如图 就是ab,bc,cd段的损失-沿程损失.由于沿程损失沿管段均布,即与管段的长度成正比,所以也称为长度损失 (3)在边界急剧变化的区域,阻力主要地集中在该区域内及其附近,其中集中分布的阻力称为局部阻力.克服局部阻力的能量损失称为局部损失.如图中的管道进口,变径管和阀门等处,都会产生局部阻力. 就是相应的局部水头损失,引起局部阻力的原因是由于旋涡区的产生和速度方向和大小的变化  整个管路能量损失 二.能量损失的计算公式 能量损失计算公式用水头损失表达时,为 (1)沿程水头损失 (2)局部水头损失 用压强损失表达,则为 式中: 为管长, 为管径, 为断面平均流速; 为重力加速度, 为沿程阻力系数, 为局部阻力系数 第二节 黏性流体流动的两种形态一.两种流态 试验时,水箱A内水位保持不变,阀门C用于调节流量,容器Ｄ内盛有容重与水相近的颜色水，经细管Ｅ流入玻璃管Ｂ，阀门Ｆ用于控制颜色水流量． a.当管B内流速较小时,各液层间毫不相混,层流状态 b.当阀门C开大流速增加到 某一临界流速 时,颜色水 出现摆动,湍流状态 c.若实验时的流速由大变小,则 上述观察到的流动现象以相反 程序重演,但由湍流转变成层流 的临界速度 小于 于是,称 上临界流速 下临界流速 实验进一步表明,对于特定的流动装置上临界速度是不固定的,随着流动的起始条件和实验条件的扰动程度不同,上临界速度的值可以有很大差异;但下临界速度却是不变的.因此,临界流速一般指下临界流速. 沿程水头与平均流速的关系曲线 在管B取断面1和断面2,加接两根测压管,根据能量方程,测压管的液面差即是断面1和 断面2间的沿程水头损失 (1)实验曲线OABDE在流速由小变 大时获得,而流速由大变小时的实验 曲线是EDCAO. (2)B点对应上临界流速 A点对应下临界流速 (3)AC段和BD段试验点分布比较散乱, 是液态不稳定的过渡区域 由沿程水头损失与流速关系曲线可分析得 (1)流速小时即OA段, 沿程损失和流速一次方成正比 (2)流速大时,在CDE段, (3)流动状态不同,流动的损失与速度之间的关系有差别 二.流态的判别准则:临界雷诺数 试验表明:流动状态不仅和流速有关,还和管径,流体的动力黏滞系数和密度有.这四个参数可组合成一个无因次数,叫雷诺数. 对应于临界流速的雷诺数称为临界雷诺数 (1)当管径或流动介质不同时,临界流速不同,但对于任何管径和任何牛顿流体,判别流态的临界雷诺数相同,值约为2000. (2)雷诺数在2000-4000是层流向遄流转变的过渡区 (3)工程上,流态判别条件为 (4)需要指出,临界雷诺数2000是仅就圆管而言的,对于诸如平板绕流和厂房内气流等边壁形状不同的流动,具有不同的临界雷诺数 三.流态分析 (1)湍流阻力比层流阻力大:层流各流层间互不掺混,只存在黏性引起的各流层之间的滑动摩擦力;湍流时则有大小不等的涡体动荡于各流层间,除了黏性阻力,还存在着由于质点掺混,互相碰撞所造成的惯性阻力 (2)层流到湍流的转变是与涡体的产生联系: a.流体原来作直线层流运动,受到扰动形成涡体 b.涡体一侧的旋转切线速度与流动方向一致,流速大 另一侧旋转切线速度与流动方向相反,流速小 c.涡体在其两侧压差作用下,将由一层转到另一层,这就是湍流掺混的原因 (3)流动的流态,取决于扰动的惯性作用和黏性的稳定作用相互斗争的结果 第三节 均匀流动的沿程水头损失和基本方程式一.均匀流动方程式 考虑所取流段在流向上的受力平衡条件.设两断面间的距离为L,过流断面面积 在流向上,该流段受力: 重力分量 端面压力 管壁压力 在均匀流中,流体质点作等速运动,加速度为零,以上各力合力为零 基本方程式 将