傳遞導(dǎo)論第三章

層流湍流分子傳遞拋物面渦流傳遞對數(shù)3.1.1雷諾試驗(yàn)3.1

流動(dòng)狀態(tài)—層流與湍流第三章動(dòng)量傳遞3.1.2

流動(dòng)狀態(tài)的判別—雷諾數(shù)Re判據(jù)：對圓管流動(dòng)：Re<2100

層流穩(wěn)定2100<

Re<10000

過渡流介穩(wěn)

Re>10000

湍流穩(wěn)定臨界雷諾數(shù)Rexc=2100Re數(shù)的物理含義：3.2管內(nèi)層流3.2.1管內(nèi)層流速度分布——拋物線分布3.2.2管道沿程阻力——壓降摩擦阻力系數(shù)動(dòng)量變化率：動(dòng)量守恒：薄殼圓環(huán)微元控制體合力：3.2.1管內(nèi)層流速度分布——拋物線分布

積分：邊界條件：牛頓流體：

積分：邊界條件：

速度分布：哈根-泊謖葉方程

流量：

平均速度：

速度分布：

速度分布：

家用燃?xì)鉄崴饕蛎簹鈮毫^小致使水溫偏低，若將原有1/2英寸(內(nèi)徑15.75mm)的煤氣管道用3/4英寸(內(nèi)徑21.25mm)管道替換。試求：兩種管道的流率之比。解：設(shè)流動(dòng)為層流例3-1煤氣管道安裝課后思考1.管內(nèi)層流截面上最大速度在何處？最大速度與截面平均速度的比值？2.奧氏粘度計(jì)和烏氏粘度計(jì)測量粘度的原理？使用中應(yīng)注意哪些問題？3.2.2管道沿程阻力—壓降摩擦阻力系數(shù)3.3.1流場顯示示蹤法光學(xué)法3.3研究流體流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法3.3.2速度測試激光測速儀熱絲(膜)流速儀畢托管測速例3-2粒子成像測速儀PIV

3.3.3量綱分析物理方程量綱和諧基本量綱導(dǎo)出量綱質(zhì)量[M]、長度[L]、時(shí)間[T]、溫度[K]速度[LT-1]、粘度[ML-1T-1]、力[MLT-2]等無量綱數(shù)雷諾數(shù)努塞爾數(shù)等考察對象：牛頓流體在長直光滑水平圓管中作定常層流流動(dòng)。求解問題：管流壓降變化規(guī)律。解決方案：①管流壓降與相關(guān)變量的函數(shù)關(guān)系；②管流壓降無量綱數(shù)的函數(shù)關(guān)系。例3-3管內(nèi)層流實(shí)驗(yàn)選擇影響過程的物理量沿程壓降理論推導(dǎo)

ρμLDU

密度粘度管長管徑流速①管流壓降與相關(guān)變量的函數(shù)關(guān)系

采用控制變量法（即只改變一個(gè)變量，其它變量保持常數(shù)），上式分解為實(shí)驗(yàn)求得函數(shù)關(guān)系需要注意：以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果是針對某一特定的管道系統(tǒng)②管流壓降無量綱數(shù)的函數(shù)關(guān)系冪指數(shù)形式量綱形式（基本量綱：質(zhì)量[M]、長度[L]、時(shí)間[T]）

描述一個(gè)物理過程的物理量有n個(gè)(x1，x2…xn)其中如含m個(gè)基本量綱，則該過程可由N=n-m個(gè)無量綱數(shù)（π

）進(jìn)行描述確定a、c、d，則π定理歐拉數(shù)雷諾數(shù)長徑比通過實(shí)驗(yàn)求函數(shù)關(guān)系

對牛頓流體在長直光滑水平圓管中作定常層流流動(dòng)的系統(tǒng)，上圖的結(jié)果皆適用。壓降與長度成正比，有定義摩擦阻力系數(shù)對數(shù)坐標(biāo)課后思考3.如何利用畢托管測量圓管內(nèi)流體流量？畢托管測速安裝需注意哪些問題？4.用量綱分析法決定雨滴從靜止云層中降落的終端速度ut的無量綱數(shù)?？紤]影響雨滴行為的變量有：雨滴的半徑r，空氣的密度ρ空氣和粘度μ，還有重力加速度g，表面張力σ可忽略。畢托管測速3.4湍流理論3.4.2時(shí)均模型3.4.1

湍流特性①.脈動(dòng)性②.有旋性③.擴(kuò)散性④.間歇性⑤.擬序性⑥耗能性湍流混合層中的渦結(jié)構(gòu)

脈動(dòng)值?時(shí)均值，僅幾%

。但頻率極高，幾百次/s。脈動(dòng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力τt

?τL

粘性應(yīng)力。對脈動(dòng)用統(tǒng)計(jì)方法描述對時(shí)均用唯象理論描述湍流強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)湍流尺度雷諾應(yīng)力渦流粘度模型混合長模型湍流場總剪切應(yīng)力：通用速度分布：

y+<5：

u+=y+5<y+<30：

u+

=5.05lny+-3.05y+>30：

u+

=2.5lny++5.53.4.3壁面湍流速度分布定義：布拉休斯經(jīng)驗(yàn)阻力定律例3-4管內(nèi)流動(dòng)截面上的速度已知：U、D、（0,5]u+=y+

（5,30]

u+=5.05lny+-3.05

（30,∞）u+=2.5lny++5.5ux=u+u*層湍解：f=0.079Re-1/4=7.80×10-3

湍流若水以平均流速0.21m/s，在直徑為50mm的圓管中作湍流流動(dòng)。已知：μ=1.005×10–3Pa.s，ρ=1000kg/m3。試求：U/umax=？y=25mm

，ux=umaxu+=2.5lny++5.5=19.94ux

=umax=u+u*

=0.259m/sU/umax=0.21/0.259≈0.8對粗糙管布拉休斯經(jīng)驗(yàn)阻力定律3.4.4圓管湍流壓降課后思考5.房地產(chǎn)開發(fā)使某地區(qū)居住人口增加，生活用水量增大，需更換原有主供水管道。若用水量增加十倍，水管道管徑應(yīng)增加幾倍？6.油輪卸油，油品密度800kg/m3、粘度0.75cP，輸油管道內(nèi)徑0.3m。若使流量達(dá)到3000m3/h，求長400m管道的壓降？3.5

邊界層理論1904年，普朗特提出“邊界層”概念3.5.1

概念和特點(diǎn)

流體區(qū)域以99%U

作為邊界，內(nèi)層區(qū)為粘性流體ux，外層區(qū)為理想流體U。特點(diǎn)①.慢：邊界層內(nèi)ux<U0

，壁面ux=0

。③.陡：很大。④.

增：x↑，δ↑。②.?。害?lt;<x

。⑨.

逆壓，失速會(huì)分離（繞曲面流動(dòng)時(shí)的表現(xiàn)）。⑤.

旋：微團(tuán)有旋。⑥.

慣、粘同量級：慣性力與粘性力在邊界層內(nèi)量級相當(dāng)。⑦.

截面等壓力：無壓差流動(dòng)。⑧.

流型會(huì)轉(zhuǎn)變：x>xc時(shí)，層流→湍流，臨界雷諾數(shù)Rexc=5105。層流湍流3.5.2平板邊界層阻力臨界雷諾數(shù)Rexc=51053.5.3圓管進(jìn)口段管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)與邊界層發(fā)展的關(guān)系：層流：Le≈100D

湍流：Le≈50D

層流匯交，層流湍流匯交，湍流進(jìn)口段：沿流動(dòng)方向ux

分布變化，中心速度加速，邊界層厚度增加直至交匯。3.5.4繞球邊界層分離邊界層分離條件層流邊界層分離湍流邊界層分離失速3.6繞流阻力—阻力系數(shù)3.6.1

阻力機(jī)理τ摩擦阻力DF；與接觸面有關(guān)。

p

壓差（形體）阻力Dp；與形狀有關(guān)。兩者相對大小取決于：定義：A

迎流投影面繞球爬流（Re<1）：斯托克斯阻力定律問題探討落球法測粘度3.6.2

阻力系數(shù)①.爬流區(qū)：無尾流。例3-5CD~Re變化曲線②.卡門渦街區(qū)：尾流從穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定。兩側(cè)交替，對稱，有周期地釋放旋渦。③.阻力平方區(qū)：層流邊界層分離，Re↑，D↑而CD不變。④.阻力危機(jī)區(qū)：當(dāng)Re≈3×105

時(shí)，層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚臃蛛x。尾流區(qū)大幅度減小，總阻力D↓↓，因而使CD↓↓。⑤.湍流區(qū)：Re↑，CD↑。