工程流體力學(xué)ch6-不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件

第六章不可壓縮粘性流體的

內(nèi)部流動6.1流動阻力6.2圓管內(nèi)層流6.3平板間層流6.4管內(nèi)湍流6.5沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)6.6管內(nèi)流動的能量損失6.7管道計算第六章不可壓縮粘性流體的

內(nèi)部流動6.1流動阻力1內(nèi)部流動、外部流動理想流體：流體間無粘性，無切向應(yīng)力，流動時總水頭保持不變。粘性流體：流體間有粘性，有切向應(yīng)力有一個從零變化到主流速度的流速變化區(qū)域相對運動著的流層之間存在切向應(yīng)力，形成阻力要克服阻力，維持粘性流體流動，要消耗機械能機械能不守恒內(nèi)部流動、外部流動26.1流動阻力一、不可壓縮粘性流體總流伯努利方程1、沿一根微元流管2、沿一根流管（總流）

管內(nèi)的緩變流與急變流6.1流動阻力一、不可壓縮粘性流體總流伯努利方程2、沿一根3選擇兩個緩變流截面，建立伯努利方程在工業(yè)管道中，動能修正系數(shù)接近1雷諾數(shù)越大，動能修正系數(shù)越接近1雷諾數(shù)越大，流速分布越平坦選擇兩個緩變流截面，建立伯努利方程在工業(yè)管道中，動能修正系數(shù)4動能修正系數(shù)的導(dǎo)出：管內(nèi)流動為層流時，動能修正系數(shù)是多少？在一根等截面管道內(nèi)，需要考慮動能修正么？能量損失項：動能修正系數(shù)的導(dǎo)出：管內(nèi)流動為層流時，動能修正系數(shù)是多少？5二、流動阻力損失1、沿程阻力損失——緩變流2、局部阻力損失——急變流3、總損失例6-1二、流動阻力損失例6-16例：離心水泵的體積流量為Q=20m3/h，安裝高度hs=5.5m，吸水管內(nèi)徑d2=100mm，吸水管的總損失hw＝0.25m水柱，水池的面積足夠大，求水泵進水口2-2處以毫米水銀柱表示的真空。(425mmHg)例：離心水泵的體積流量為Q=20m3/h，安裝高度hs=5.76.2圓管內(nèi)層流通過水平圓截面管道的不可壓縮粘性流體的定常層流流動一、微分方程6.2圓管內(nèi)層流通過水平圓截面管道的不可壓縮粘性流體的定常8二、速度分布、流量、切應(yīng)力二、速度分布、流量、切應(yīng)力9上式為Hagen-Poiseuille公式——測黏度平均流速V由速度分布可得切應(yīng)力上式為Hagen-Poiseuille公式——測黏度由速度分10三、沿程阻力公式由哈根公式單位重量流體的能量損失三、沿程阻力公式單位重量流體的能量損失11四、入口段與充分發(fā)展的管流四、入口段與充分發(fā)展的管流12管內(nèi)湍流的發(fā)展管內(nèi)湍流的發(fā)展136.3平板間的層流一、微分方程與速度分布LU2hyxO6.3平板間的層流一、微分方程與速度分布LU2hyxO14求解此微分方程代入以下邊界條件，可得積分常數(shù)及特解上式右邊兩項，分別代表泊肅葉流、庫艾特剪切流。求解此微分方程代入以下邊界條件，可得積分常數(shù)及特解上式右邊兩15設(shè)定一無量綱壓力梯度B，將速度式無量綱化壓力梯度B對流動的影響u*0123-101-1y*設(shè)定一無量綱壓力梯度B，將速度式無量綱化壓力梯度B對流動的影16二、流體潤滑xyppLU二、流體潤滑xyppLU17求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得壓強分布：利用h和x的關(guān)系，得流量：求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得壓強分布：利用h和18所以壓強分布為：軸承的承載力、摩擦力分別為：承載力、摩擦力之比：所以壓強分布為：軸承的承載力、摩擦力分別為：承載力、摩擦力之196.4管內(nèi)湍流一、湍流流動的時均值6.4管內(nèi)湍流一、湍流流動的時均值20瞬時值=時均值+脈動值積分時間的選??？脈動值的時均值為0其它參數(shù)也有類似性質(zhì)瞬時值=時均值+脈動值積分時間的選??？其它參數(shù)也有類21管內(nèi)層流與湍流：層流：士兵列隊在街上行進！湍流：一群醉漢在街上行進！湍流的重要特性隨機性擴散性有渦性耗散性管內(nèi)層流與湍流：22二、雷諾應(yīng)力由于橫向脈動的存在，使流層間發(fā)生動量交換，引起能量損失，其宏觀效果等于產(chǎn)生了一種切向應(yīng)力——稱為湍流脈動切應(yīng)力或雷諾應(yīng)力。u+duuu-duy-ly+lyv’二、雷諾應(yīng)力u+duuu-duy-ly+lyv’23關(guān)于普朗特混合長l湍流黏度關(guān)于普朗特混合長l24三、水力粗糙與水力光滑1、層流底層2、相對粗糙度3、水力光滑4、水力粗糙三、水力粗糙與水力光滑25四、圓管湍流的速度分布圓管湍流速度分布可借助混合長理論導(dǎo)出考慮水力光滑圓管對層流底層、湍流區(qū)域分別推導(dǎo)四、圓管湍流的速度分布圓管湍流速度分布可借助混合長理論導(dǎo)出26層流底層湍流區(qū)域?qū)恿鞯讓油牧鲄^(qū)域27利用層流、湍流分界面流速可得積分常數(shù)，故由尼古拉茲實驗數(shù)據(jù)，得光滑管實用公式粗糙管實用公式利用層流、湍流分界面流速可得積分常數(shù)，故由尼古拉茲實驗數(shù)據(jù)，28馮卡曼（VonKarman）1/7次方規(guī)律當Re增大，n減小，V/umax越接近1，壁面附近速度變化越劇烈。馮卡曼（VonKarman）1/7次方規(guī)律當Re增大，n減296.5沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)一、沿程阻力系數(shù)與穆迪圖管內(nèi)湍流的沿程阻力系數(shù)目前無法理論求解尼古拉茲（Nikuradse，1933）和穆迪（Moody，1944）先后給出了實驗曲線穆迪圖適合工業(yè)管道，較常用沿程阻力系數(shù)可表示為以下函數(shù)：6.5沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)一、沿程阻力系數(shù)與穆迪圖30工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件31工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件321、層流區(qū)2、臨界區(qū)3、湍流光滑管區(qū)4、過渡區(qū)5、湍流粗糙管區(qū)1、層流區(qū)33二、局部阻力系數(shù)急變流處的流動阻力損失常用管件：彎頭、三通、閥門、過濾器、節(jié)流元件、變截面管多數(shù)情況下，只能由實驗給出阻力系數(shù)舉例：彎管二、局部阻力系數(shù)34工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件35工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件36變截面管局部阻力系數(shù)推導(dǎo)：V1,A1V2,A2變截面管局部阻力系數(shù)推導(dǎo)：V1,A1V2,A2376.6管內(nèi)流動的能量損失一、單一圓管的能量損失什么是單一圓管？

直徑不變，且無分岔。6.6管內(nèi)流動的能量損失一、單一圓管的能量損失38三類常見問題：1）已知Q、d，求阻力損失hw2）已知d、hw，求流量Q3）已知Q、hw，求管徑d三類常見問題：39例6-4密度680kg/m3，運動黏度3.5×10-7m2/s的汽油流經(jīng)一根內(nèi)徑150mm，絕對粗糙度0.25mm，長400m的鑄鐵管，其體積流量0.012m3/s，求經(jīng)過該管道的壓降。例6-520°C的水流過內(nèi)徑0.3m，絕對粗糙度1.7mm的水泥管，每1000m產(chǎn)生的能頭損失為41m，求質(zhì)量流量。例6-4密度680kg/m3，運動黏度3.5×10-7m240例6-6運動黏度2×10-6m2/s的煤油存放在一個開口容器中，用一根長度為3m，內(nèi)徑6mm，絕對粗糙度0.046mm的鋼管將煤油從底部引出，液面與出口的垂直距離為4m，直角彎管的曲率半徑為12mm，求煤油的體積流量。例6-6運動黏度2×10-6m2/s的煤油存放在一個開口容41例6-7用功率10kW、效率72%的水泵抽水，從湖泊至水塔，高度差25m，水塔上部表壓150kPa，流量0.012m3/s，水的運動黏度為1×10-6m2/s，鋼管長度260m，絕對粗糙度0.15mm，有3個直角彎頭，2個45°彎頭，一個局部阻力系數(shù)為2的吸水罩和一個球閥，求所用管徑。例6-7用功率10kW、效率72%的水泵抽水，從湖泊至水塔42工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件43二、非圓形管道流動能量損失方法：1、計算阻力系數(shù)時，使用當量直徑2、計算流量或流速時，使用實際面積例6-8當流動處于湍流粗糙管平方阻力區(qū)時，用邊長為a的矩形管代替直徑為d的圓管，長度、絕對粗糙度、體積流量、沿程損失不變，求a與d的關(guān)系。二、非圓形管道流動能量損失例6-8當流動處于湍流粗糙管平方44工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件45三、虹吸1、什么是虹吸？2、如何產(chǎn)生虹吸？3、虹吸流量怎么確定？4、最大吸入高度怎么確定？h1h2123三、虹吸h1h212346四、孔板流量計1、孔板測流量的原理2、修正因素：流通面積、邊緣不尖銳度、黏度四、孔板流量計476.7管路計算一、串聯(lián)管路1、特點2、常見問題1）已知流量Q，求總水頭H2）已知總水頭H，求流量Q3、例6-106.7管路計算一、串聯(lián)管路2、常見問題48二、并聯(lián)管路1、特點2、常見問題1）已知水頭損失hw，求總流量Q2）已知總流量Q，求水頭損失hw3、例6-11、6-12二、并聯(lián)管路2、常見問題49本章作業(yè)習(xí)題六2、4、10、16、1819、24、26、28本章作業(yè)習(xí)題六50第六章不可壓縮粘性流體的

內(nèi)部流動6.1流動阻力6.2圓管內(nèi)層流6.3平板間層流6.4管內(nèi)湍流6.5沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)6.6管內(nèi)流動的能量損失6.7管道計算第六章不可壓縮粘性流體的

內(nèi)部流動6.1流動阻力51內(nèi)部流動、外部流動理想流體：流體間無粘性，無切向應(yīng)力，流動時總水頭保持不變。粘性流體：流體間有粘性，有切向應(yīng)力有一個從零變化到主流速度的流速變化區(qū)域相對運動著的流層之間存在切向應(yīng)力，形成阻力要克服阻力，維持粘性流體流動，要消耗機械能機械能不守恒內(nèi)部流動、外部流動526.1流動阻力一、不可壓縮粘性流體總流伯努利方程1、沿一根微元流管2、沿一根流管（總流）

管內(nèi)的緩變流與急變流6.1流動阻力一、不可壓縮粘性流體總流伯努利方程2、沿一根53選擇兩個緩變流截面，建立伯努利方程在工業(yè)管道中，動能修正系數(shù)接近1雷諾數(shù)越大，動能修正系數(shù)越接近1雷諾數(shù)越大，流速分布越平坦選擇兩個緩變流截面，建立伯努利方程在工業(yè)管道中，動能修正系數(shù)54動能修正系數(shù)的導(dǎo)出：管內(nèi)流動為層流時，動能修正系數(shù)是多少？在一根等截面管道內(nèi)，需要考慮動能修正么？能量損失項：動能修正系數(shù)的導(dǎo)出：管內(nèi)流動為層流時，動能修正系數(shù)是多少？55二、流動阻力損失1、沿程阻力損失——緩變流2、局部阻力損失——急變流3、總損失例6-1二、流動阻力損失例6-156例：離心水泵的體積流量為Q=20m3/h，安裝高度hs=5.5m，吸水管內(nèi)徑d2=100mm，吸水管的總損失hw＝0.25m水柱，水池的面積足夠大，求水泵進水口2-2處以毫米水銀柱表示的真空。(425mmHg)例：離心水泵的體積流量為Q=20m3/h，安裝高度hs=5.576.2圓管內(nèi)層流通過水平圓截面管道的不可壓縮粘性流體的定常層流流動一、微分方程6.2圓管內(nèi)層流通過水平圓截面管道的不可壓縮粘性流體的定常58二、速度分布、流量、切應(yīng)力二、速度分布、流量、切應(yīng)力59上式為Hagen-Poiseuille公式——測黏度平均流速V由速度分布可得切應(yīng)力上式為Hagen-Poiseuille公式——測黏度由速度分60三、沿程阻力公式由哈根公式單位重量流體的能量損失三、沿程阻力公式單位重量流體的能量損失61四、入口段與充分發(fā)展的管流四、入口段與充分發(fā)展的管流62管內(nèi)湍流的發(fā)展管內(nèi)湍流的發(fā)展636.3平板間的層流一、微分方程與速度分布LU2hyxO6.3平板間的層流一、微分方程與速度分布LU2hyxO64求解此微分方程代入以下邊界條件，可得積分常數(shù)及特解上式右邊兩項，分別代表泊肅葉流、庫艾特剪切流。求解此微分方程代入以下邊界條件，可得積分常數(shù)及特解上式右邊兩65設(shè)定一無量綱壓力梯度B，將速度式無量綱化壓力梯度B對流動的影響u*0123-101-1y*設(shè)定一無量綱壓力梯度B，將速度式無量綱化壓力梯度B對流動的影66二、流體潤滑xyppLU二、流體潤滑xyppLU67求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得壓強分布：利用h和x的關(guān)系，得流量：求解此方程，得速度分布：求流量，消去u，得壓強分布：利用h和68所以壓強分布為：軸承的承載力、摩擦力分別為：承載力、摩擦力之比：所以壓強分布為：軸承的承載力、摩擦力分別為：承載力、摩擦力之696.4管內(nèi)湍流一、湍流流動的時均值6.4管內(nèi)湍流一、湍流流動的時均值70瞬時值=時均值+脈動值積分時間的選取？脈動值的時均值為0其它參數(shù)也有類似性質(zhì)瞬時值=時均值+脈動值積分時間的選?。科渌鼌?shù)也有類71管內(nèi)層流與湍流：層流：士兵列隊在街上行進！湍流：一群醉漢在街上行進！湍流的重要特性隨機性擴散性有渦性耗散性管內(nèi)層流與湍流：72二、雷諾應(yīng)力由于橫向脈動的存在，使流層間發(fā)生動量交換，引起能量損失，其宏觀效果等于產(chǎn)生了一種切向應(yīng)力——稱為湍流脈動切應(yīng)力或雷諾應(yīng)力。u+duuu-duy-ly+lyv’二、雷諾應(yīng)力u+duuu-duy-ly+lyv’73關(guān)于普朗特混合長l湍流黏度關(guān)于普朗特混合長l74三、水力粗糙與水力光滑1、層流底層2、相對粗糙度3、水力光滑4、水力粗糙三、水力粗糙與水力光滑75四、圓管湍流的速度分布圓管湍流速度分布可借助混合長理論導(dǎo)出考慮水力光滑圓管對層流底層、湍流區(qū)域分別推導(dǎo)四、圓管湍流的速度分布圓管湍流速度分布可借助混合長理論導(dǎo)出76層流底層湍流區(qū)域?qū)恿鞯讓油牧鲄^(qū)域77利用層流、湍流分界面流速可得積分常數(shù)，故由尼古拉茲實驗數(shù)據(jù)，得光滑管實用公式粗糙管實用公式利用層流、湍流分界面流速可得積分常數(shù)，故由尼古拉茲實驗數(shù)據(jù)，78馮卡曼（VonKarman）1/7次方規(guī)律當Re增大，n減小，V/umax越接近1，壁面附近速度變化越劇烈。馮卡曼（VonKarman）1/7次方規(guī)律當Re增大，n減796.5沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)一、沿程阻力系數(shù)與穆迪圖管內(nèi)湍流的沿程阻力系數(shù)目前無法理論求解尼古拉茲（Nikuradse，1933）和穆迪（Moody，1944）先后給出了實驗曲線穆迪圖適合工業(yè)管道，較常用沿程阻力系數(shù)可表示為以下函數(shù)：6.5沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)一、沿程阻力系數(shù)與穆迪圖80工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件81工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件821、層流區(qū)2、臨界區(qū)3、湍流光滑管區(qū)4、過渡區(qū)5、湍流粗糙管區(qū)1、層流區(qū)83二、局部阻力系數(shù)急變流處的流動阻力損失常用管件：彎頭、三通、閥門、過濾器、節(jié)流元件、變截面管多數(shù)情況下，只能由實驗給出阻力系數(shù)舉例：彎管二、局部阻力系數(shù)84工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件85工程流體力學(xué)ch6---不可壓縮黏性流體的內(nèi)部流動課件86變截面管局部阻力系數(shù)推導(dǎo)：V1,A1V2,A2變截面管局部阻力系數(shù)推導(dǎo)：V1,A1V2,A2876.6管內(nèi)流動的能量損失一、單一圓管的能量損失什么是單一圓管？

直徑不變，且無分岔。6.6管內(nèi)流動的能量損失一、單一圓管的能量損失88三類常見問題：1）已知Q、d，求阻力損失hw2）已知d、hw，求流量Q3）已知Q、hw，求管徑d三類常見問題：89例6-4密度680kg/m3，運動黏度3.5×10-7m2/s的汽油流經(jīng)一根內(nèi)徑150mm，絕對粗糙度0.25mm，長400m的鑄鐵管，其體積流量0.012m3/s，求經(jīng)過該管道的壓降。例6-520°C的水流過內(nèi)徑0.3m，絕對粗糙度1.7mm的水泥管，每1000m產(chǎn)生的能頭損失為41m，求質(zhì)量流量。例6-4密度680kg/m3，運動黏度3.5×10-7m290例6-6運動黏度2×10-6m2/s的煤油存放在一個開口容器中，用一根長度為3m，內(nèi)徑6mm，絕對粗糙度0.046mm的鋼管將煤油從底部引出，液面與出口的垂直距離為4m，直角彎管的曲率半徑為12mm，求煤油的體積流量。例6-6運動黏度2×10-6m2/s的煤油存放在