第七章流體在管路中的流動ppt課件

1、 歡歡 迎迎 使使 用用 多媒體授課系統(tǒng)多媒體授課系統(tǒng)燕燕 山山 大大 學(xué)學(xué)課程組課程組第七章第七章 流體在管路中的流動流體在管路中的流動 概述 7.1 管路中流體流動的兩種形狀 7.2 能量損失的兩種方式 7.3 圓管中的層流流動 7.4 圓管中的湍流流動 7.7 管中流動沿程阻力系數(shù)確實(shí)定 7.8 部分阻力系數(shù)確實(shí)定 7.9 管路計(jì)算概概 述述v流體在管路中的流動是工程實(shí)踐當(dāng)中最常流體在管路中的流動是工程實(shí)踐當(dāng)中最常見的一種流動情況。由于實(shí)踐流體都是有見的一種流動情況。由于實(shí)踐流體都是有粘性的，所以流體在管路中流動必然要產(chǎn)粘性的，所以流體在管路中流動必然要產(chǎn)生能量損失。本章將主要討論不可緊

2、縮流生能量損失。本章將主要討論不可緊縮流體在管路中的流動規(guī)律，其中包括流動形體在管路中的流動規(guī)律，其中包括流動形狀分析，能量損失計(jì)算方法等，進(jìn)而處理狀分析，能量損失計(jì)算方法等，進(jìn)而處理工程中常見的管路系統(tǒng)計(jì)算問題。工程中常見的管路系統(tǒng)計(jì)算問題。 7.1 管路中流體流動的兩種形狀一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)英國物理學(xué)家雷諾英國物理學(xué)家雷諾Reynolds經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研討發(fā)現(xiàn)，實(shí)踐流體在管路中流動存在著兩種不同研討發(fā)現(xiàn)，實(shí)踐流體在管路中流動存在著兩種不同的形狀，并且測定了管路中的能量損失與不同的流的形狀，并且測定了管路中的能量損失與不同的流動形狀之間的關(guān)系，此即著名的雷諾實(shí)驗(yàn)。雷諾實(shí)動

3、形狀之間的關(guān)系，此即著名的雷諾實(shí)驗(yàn)。雷諾實(shí)驗(yàn)安裝如圖驗(yàn)安裝如圖71所示。所示。 二、實(shí)驗(yàn)過程二、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程中使水箱中的水位堅(jiān)持恒定。實(shí)驗(yàn)開場前實(shí)驗(yàn)過程中使水箱中的水位堅(jiān)持恒定。實(shí)驗(yàn)開場前水箱中顏色水的閥門以及玻璃管上的閥門都是封鎖水箱中顏色水的閥門以及玻璃管上的閥門都是封鎖的。開場實(shí)驗(yàn)時(shí)，逐漸翻開玻璃管出口端上的閥門，的。開場實(shí)驗(yàn)時(shí)，逐漸翻開玻璃管出口端上的閥門，并開啟顏色水的閥門，使顏色水能流人玻璃管中。并開啟顏色水的閥門，使顏色水能流人玻璃管中。當(dāng)閥口開度較小，玻璃管中的速度較小時(shí)，顏色水堅(jiān)持一條平直的細(xì)線，不與周圍的水相混合，見圖72a。假設(shè)繼續(xù)緩慢開大閥門，玻璃管中流動速度加快，

4、可以發(fā)現(xiàn)，在一定的流動速度范圍內(nèi)，水流仍堅(jiān)持層流狀態(tài)。當(dāng)流速增大到某一值后，顏色水出現(xiàn)擺動景象，而不能維持直線的形狀，如圖72b所示。這闡明流體質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)了與主流動方向垂直的橫向運(yùn)動。假設(shè)繼續(xù)開大閥門，流速增大到某一值時(shí)，擺動的顏色水線忽然分散，并和周圍的水流相混合，顏色水充溢整個(gè)玻璃管，如圖72C所示。假設(shè)把閥門從大緩慢關(guān)小，即使玻璃管中的水流速度由大逐漸減少測流動會從湍流逐漸過渡到層流形狀，使顏色水又恢復(fù)到一條平直的細(xì)線。 三、根本概念三、根本概念1、層流：流體質(zhì)點(diǎn)平穩(wěn)地沿管軸線方向運(yùn)動，、層流：流體質(zhì)點(diǎn)平穩(wěn)地沿管軸線方向運(yùn)動，而無橫向運(yùn)動，流體就象分層流動一樣，而無橫向運(yùn)動，流體就象分層流

5、動一樣，這種流動形狀稱為層流。這種流動形狀稱為層流。2、湍流：流體質(zhì)點(diǎn)不僅有縱向運(yùn)動，而且有、湍流：流體質(zhì)點(diǎn)不僅有縱向運(yùn)動，而且有橫向運(yùn)動，處于雜亂無章的不規(guī)那么運(yùn)動橫向運(yùn)動，處于雜亂無章的不規(guī)那么運(yùn)動形狀，這種流動形狀稱為湍流。形狀，這種流動形狀稱為湍流。 3、上臨界流速：由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧餍螤顣r(shí)的、上臨界流速：由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧餍螤顣r(shí)的流速稱為上臨界流速流速稱為上臨界流速vc。4、下臨界流速：由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的流速、下臨界流速：由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的流速稱為下臨界流速稱為下臨界流速vc， 四、雷諾數(shù)1、對應(yīng)于下臨界流速vc的稱為下臨界雷諾數(shù)Rec，對應(yīng)于上臨界流速vc的稱為上臨界雷諾數(shù)Rec。

6、實(shí)驗(yàn)測得Rec = 2320，Rec = 00。2、雷諾數(shù)公式3、雷諾數(shù)的物理意義是作用于流體上的慣性力與粘性力之比。Re越小，闡明粘性力的作用越大，流動就越穩(wěn)定；Re越大，闡明慣性力的作用越大，流動就越紊亂。4、水力半徑R：某一非圓斷面管道的過流斷面面積A與液體相接觸的過流斷面潤濕周界的長度l之比稱為當(dāng)量半徑。5、水頭損失Revdmfhkv一、沿程阻力流體在管道中流動時(shí)，由于流體與管壁之間有粘附作用，以及流體質(zhì)點(diǎn)與流體質(zhì)點(diǎn)之間存在著內(nèi)摩擦力等，沿流程妨礙著流體的運(yùn)動，這種阻力稱為沿程阻力。為抑制沿程阻力而損耗的機(jī)械能稱為沿程能量損失，單位分量流體的沿程能量損失稱為沿程能頭損失，以h表示 7.

7、2 能量損失的兩種方式gvdLh222221vdLppp二、部分阻力流體在管道中流動時(shí)，當(dāng)經(jīng)過彎管、流道忽然擴(kuò)展或減少、閥門、三通等部分區(qū)域時(shí)，流速大小和方向被迫急劇地改動，因此發(fā)生流體質(zhì)點(diǎn)的撞擊，出現(xiàn)渦旋、二次流以及流動的分別及再附壁景象。此時(shí)由于粘性的作用，質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生猛烈的摩擦和動量交換，從而妨礙著流體的運(yùn)動。這種在部分妨礙處產(chǎn)生的阻力稱為部分阻力。流體為抑制部分阻力而耗費(fèi)的機(jī)械能稱為部分能量損失，單位分量流體的部分能量損失稱為部分能頭損失，以h表示 gvh2222vp三、總能量損失在工程實(shí)踐中，流體在管道中流動總是要同時(shí)產(chǎn)生沿程能量損失和部分能量損失的。于是在某段管道上流體產(chǎn)生的總的能量

8、損失應(yīng)該是這段管路上各種能量損失的迭加，即等于一切沿程能量損失與一切部分能量損失的和，用公式表示為 hhhf7.3 圓管中的層流流動一、圓管層流流動一、圓管層流流動在所研討的等徑圓管層流流動中，取一微小圓柱體在所研討的等徑圓管層流流動中，取一微小圓柱體為為分析對象，其軸線與管軸線重合，如圖分析對象，其軸線與管軸線重合，如圖7 71 1所示。所示。設(shè)設(shè)微小圓柱體長為微小圓柱體長為L L，半徑為，半徑為r r，察看此圓柱體的受力，察看此圓柱體的受力平平衡情況。由于微小圓柱體做定常勻速流動，質(zhì)量力衡情況。由于微小圓柱體做定常勻速流動，質(zhì)量力只只有重力。在圓柱體的兩端面上，壓強(qiáng)分別為有重力。在圓柱體的

9、兩端面上，壓強(qiáng)分別為p1p1和和p2p2，在圓柱體的側(cè)外表上，壓強(qiáng)的方向與軸線垂直，而在圓柱體的側(cè)外表上，壓強(qiáng)的方向與軸線垂直，而切切應(yīng)力與軸線平行。由于流動是以軸線為對稱軸的軸應(yīng)力與軸線平行。由于流動是以軸線為對稱軸的軸對對稱流動，因此一切切應(yīng)力在側(cè)外表上均布，把一切稱流動，因此一切切應(yīng)力在側(cè)外表上均布，把一切的的作用力投影到軸線方向，可得作用力投影到軸線方向，可得整理得根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，有 推得：或二、速度分布對上式積分02)(212rLpprrppL)(2121drdurppLdrdu)(2121121()22dupp rdrLprL crLpu24積分常數(shù)得：其中24RLpc)(42

10、2rRLpu2max4RLpu三、流量計(jì)算在過流斷面的任一半徑r處，取一寬度為dr的圓環(huán)，如圖75所示。因dr很小，可以以為其上速度相等，即按式724分布，于是經(jīng)過微元面積dA = 2rdr上的微小流量 經(jīng)過整個(gè)過流斷面的流量為rdruudAdqv2pLRrdrrRLprdrudqqRRvv82)(4240220斷面上的平均流速 四、動能修正系數(shù)和動量修正系數(shù) 根據(jù)動能修正系數(shù)和動量修正系數(shù)的定義，由以上分析結(jié)果，可根據(jù)式724和才7-28，求出圓管層流時(shí)的動能修正系數(shù)和動量修正系數(shù)的值分別為2max182vqpRvuAL282)(4232032233RLRprdrrRLpAvdAuRA33.

11、 13482)(4222022222RLRprdrrRLpAvdAuRA五、切應(yīng)力分布切應(yīng)力將式724代人上式，得令r = R時(shí)， = 0，那么于是drdurLprRLpdrd2)(422RLp20Rr0六、沿程能量損失流體在圓管內(nèi)作層流流動時(shí)的沿程能量損失將 代入上式得式中 = 64Re，為圓管層流的沿程能量損失系數(shù)。為抑制沿程阻力而耗費(fèi)的功率為gpgpph2128RLvpgvdLgvdLvdgRLvh2264822242128dLqpqqghPvvv一、脈動景象與時(shí)均值1、這種在定點(diǎn)上的瞬時(shí)運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間而發(fā)生動搖的景象稱為脈動。2、時(shí)均法分析湍流運(yùn)動如取時(shí)間間隔T，瞬時(shí)速度在T時(shí)間內(nèi)的平

12、均值稱為時(shí)間平均速度，簡稱時(shí)均速度，即7.4 圓管中的湍流流動 uuu000001111()1TTTTTuudtu u dtudtu dtTTTTuu dtT 時(shí)均壓強(qiáng)二、湍流的速度構(gòu)造、水力光滑管和水力粗糙管1湍流的速度構(gòu)造 管中湍流的速度構(gòu)造可以劃分為以下三個(gè)區(qū)域：1粘性底層區(qū)：在接近管壁的薄層區(qū)域內(nèi)，流體的粘性力起主要作用，速度分布呈線性，速度梯度很大，這一薄層叫粘性底層。如圖77所示。2湍流中心區(qū)：在管軸中心區(qū)域，粘性的影響逐漸減弱，流體的脈動比較猛烈，速度分布比較均勻，流體處于完全的湍流形狀，這一區(qū)域稱為湍流中心區(qū)3過渡區(qū)：處于粘性底層與湍流中心區(qū)之間的區(qū)域，這一區(qū)域范圍很小，速度分

13、布與湍流中心區(qū)的速度分布規(guī)律相接近。TpdtTp012水力光滑管和水力粗糙管 當(dāng)粘性底層的厚度S大于管壁的絕對粗糙度動管壁的凹凸不平部分完全被粘性底層所覆蓋，湍流核心區(qū)與凸起部分不接觸，流動不受管壁粗糙度的影響，因此流動的能量損失也不受管壁粗糙度的影響，這時(shí)的管道稱為水力光滑管，這種流動稱為水力光滑流動。當(dāng)粘性底層的厚度小于管壁的絕對粗糙度面時(shí)，管壁的凹凸不平部分完全暴露在粘性底層之外，湍流中心區(qū)與凸起部分相接觸，流體沖擊在凸起部分，不斷產(chǎn)生新的旋渦，加劇紊亂程度，增大能量損失，流動受管壁粗糙度的影響，這時(shí)的管道稱為水力粗糙管，這種流動稱為水力粗糙的流動。三、湍流切應(yīng)力分布及斷面速度分布 1湍

14、流切應(yīng)力分布 附加切應(yīng)力：由湍流脈動速度而引起的作用力通常稱之為附加切應(yīng)力。湍流中總的切應(yīng)力應(yīng)由粘性切應(yīng)力和附加切應(yīng)力兩部分組成。即 2斷面速度分布 粘性底層區(qū) 即22dyduLdydudydudydu積分得：湍流中心區(qū) 由于所以整理并積分得yu022dyduL)1 (00RrRrRrkyL122201)1 (dyduRrykRrcykuln10yRkuuuln1*max一、尼古拉茲實(shí)驗(yàn)?zāi)峁爬漀ikuras進(jìn)展了大量的實(shí)驗(yàn)，得出了與雷諾數(shù)Re及管壁的相對粗糙度/d之間的關(guān)系曲線：7.7 管中流動沿程阻力系數(shù)確實(shí)定1層流區(qū)I雷諾數(shù)的范圍為 Rec 2320。2臨界區(qū)II雷諾數(shù)的范圍為2320

15、Re4000 。3光滑管湍流區(qū)III雷諾數(shù)的范圍為 eR643/10025. 0eR7/898.264000dRe5104000eR25. 03164. 0eR6510310eR237. 0221. 00032. 0eR4000eR8 . 0)lg(21eR4光滑管至粗糙管過渡區(qū)IV雷諾數(shù)的范圍為5粗糙管湍流區(qū)V雷諾數(shù)的范圍85. 07/82416098.26dRde)51. 27 . 3lg(21eRd25. 0)68(11. 0eRd85. 024160dRe22lg274. 11d二、莫迪圖Moody7.8 部分阻力系數(shù)確實(shí)定部分能量損失大致可以分為三類：1由于管道斷面面積的大小發(fā)生變化

16、引起的局部能量損失。例如管道斷面忽然擴(kuò)展、忽然減少、逐漸擴(kuò)展和減少等；2由于管道的方向發(fā)生變化，引起的部分能量損失，例如各種圓滑彎頭、直角彎頭、折管、三通管道等；3由于流動的速度大小和方向均發(fā)生變化而引起的部分能量損失。例如各種閥門平板閥、球形閥、錐閥、滑閥等。一、斷面忽然擴(kuò)展的部分阻力系數(shù)如圖713所示的斷面忽然擴(kuò)展管道，取11、22兩緩變過流斷面，并以管軸線所在斷面為基準(zhǔn)面，列寫伯努利方程軸線方向的動量方程式 fhgvgpzgvgpz222222221111gvvgpph2222121)()(12122211vvqAApApApv)()()(122212221vvvAvvqAppv)()(

17、12221vvvpp得：對應(yīng)于忽然擴(kuò)展前管道速度水頭的部分阻力系數(shù) 對應(yīng)于忽然擴(kuò)展后管道速度水頭的部分阻力系數(shù) 2122221111222222221()2122122vvhgAvvAggAvvAgg22111AA21221AA7.9 管路計(jì)算水力長管：管路中流體流動的部分能量損失與速度損失之和與沿程能量損失相比所占比例很小普通小于沿程損失的510，經(jīng)常不計(jì)部分損失和速度水頭，這樣的管路稱為水力長管；水力短管：在總水頭損失中，部分損失與速度水頭之和以及沿程損失均占相當(dāng)?shù)谋壤疾荒芎雎?，這種管路稱為水力短管。一、串聯(lián)管路1、簡單管路：管徑一樣，沿程流量不發(fā)生變化的管路。串聯(lián)管路：管徑不同的幾根管道依次銜接而成的管路2、串聯(lián)管路特點(diǎn)1假設(shè)銜接點(diǎn)處無走漏，那么各段流量相等，即2總水頭損失為各段損失之和，即二、并聯(lián)管路1由流量延續(xù)性原理可知，總流量等于各分支點(diǎn)流量之和，即2并聯(lián)管段中，單位質(zhì)量流體所產(chǎn)生的水頭損失相等由于并聯(lián)管段具有共同的聯(lián)接點(diǎn)，結(jié)合點(diǎn)間的壓強(qiáng)差即為各并聯(lián)管路的水頭損失，即有 321vvvqqqhhhf321vvvvqqqq) 3 , 2 , 1(22321igvdLhhhiiiiv本章小結(jié)本章小結(jié)v幾個(gè)根本概念：層流、湍流、上下臨界流速、水幾個(gè)根本概念：層流、