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第六章流動(dòng)阻力與水頭損失主要內(nèi)容液體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布、能量損失和各類管流的水力計(jì)算及液體出流第一節(jié)管內(nèi)流動(dòng)的能量損失理想流體黏性流體黏性流體切向應(yīng)力機(jī)械能損耗能量損失能量損失沿程能量損失局部能量損失第一節(jié)管內(nèi)流動(dòng)的能量損失一、沿程能量損失發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失,是由于流體的黏滯力造成的損失。λ為沿程損失系數(shù),與Re,d,ε有關(guān)的量,v2/2g為單位重量流體的動(dòng)壓頭第一節(jié)管內(nèi)流動(dòng)的能量損失二、局部能量損失發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失,是在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由于流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的旋渦等造成的損失。ζ為局部損失系數(shù),實(shí)驗(yàn)確定第一節(jié)管內(nèi)流動(dòng)的能量損失三、總能量損失第二節(jié)黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)1、雷諾實(shí)驗(yàn)laminarturbulent實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察粘性流體的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)裝置:水箱,染色水,玻璃管,閥門;很干凈,擾動(dòng)小。
層流(laminarflow):流速較低,紅墨水跡線平穩(wěn)。水質(zhì)點(diǎn)沿軸向分層平穩(wěn)流動(dòng)。不穩(wěn)定流動(dòng):紅墨水跡線波動(dòng)。水質(zhì)點(diǎn)不穩(wěn)定,有軸向和垂向的分速度。
湍流(turbulentflow):流速超過某值時(shí),紅墨水跡線破裂。各層流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混,出現(xiàn)不規(guī)則、隨機(jī)脈動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)表明:粘性流動(dòng)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)——層流和湍流。/v/b/56097598-1273049445.html
2、Reynolds數(shù)(non-dimensionalnumber)Reynolds數(shù)的物理意義:慣性使擾動(dòng)放大,導(dǎo)致湍流,粘性抑制擾動(dòng)使流動(dòng)保持穩(wěn)定。當(dāng)時(shí),流動(dòng)趨于理想流體運(yùn)動(dòng)。臨界Reynoldsnumber——流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)捩對(duì)應(yīng)的Renumber。(層流)(湍流)
不是一個(gè)確定的常數(shù),它與水流擾動(dòng)等實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。擾動(dòng)大低;擾動(dòng)小高。它的下限約2320,上限會(huì)高達(dá)13800。3、沿程損失與流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系ab段層流ef段湍流be段臨界狀態(tài)結(jié)論:流態(tài)不同,沿程損失規(guī)律不同例題水在內(nèi)徑d=100mm的管中流動(dòng),流速為v=0.5m/s,水的運(yùn)動(dòng)黏度ν=1×10-6m2/s。試問水的流動(dòng)狀態(tài)?若管中液體是油,流速不變,但運(yùn)動(dòng)黏度ν=31×10-6m2/s。問油的流動(dòng)狀態(tài)?第三節(jié)管道進(jìn)口段黏性流體的流動(dòng)層流進(jìn)口段長(zhǎng)度:湍流進(jìn)口段長(zhǎng)度:通過管道流量一定,邊界層厚度逐漸增加,中心流速將加快。不斷改變流速分布的流動(dòng)一直發(fā)展到邊界層在管軸處相交,成為充分發(fā)展流動(dòng),邊界層相交以前的管段稱為管道進(jìn)口段。與擾動(dòng)有關(guān),擾動(dòng)越大越短第四節(jié)圓管中流體的層流流動(dòng)得到1.管道內(nèi)切應(yīng)力分布傾斜角度為θ的圓管內(nèi)不可壓粘性流體定常層流流動(dòng)。取半徑為r,長(zhǎng)度為δl的微圓柱體為分析對(duì)象,受重力、兩端壓力和側(cè)面粘滯力平衡,則:切向力的大小與半徑成正比。2.斷面流速分布牛頓內(nèi)摩擦定律積分旋轉(zhuǎn)拋物面體積是其外切圓柱的一半第四節(jié)圓管中流體的層流流動(dòng)平均速度為最大速度的一半邊界條件:第四節(jié)圓管中流體的層流流動(dòng)2.斷面流速分布圓管中流量:水平放置的圓管中流量:h不變,dp/dl=-?p/l哈根-泊肅葉公式3.動(dòng)能與動(dòng)量修正系數(shù)第四節(jié)圓管中流體的層流流動(dòng)4.沿程損失系數(shù)單位重量流體壓降比較注意:沿程損失系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)。第四節(jié)圓管中流體的層流流動(dòng)壓降:例題內(nèi)徑為20mm的傾斜放置的圓管,其中流過密度ρ=815.7kg/m3,黏度μ=0.04Pa.s的流體,已知截面1處壓強(qiáng)9.806×104Pa,截面2的壓強(qiáng)為19.612×104Pa,,求流體在管道中流動(dòng)方向,流量,雷諾數(shù)。一、紊流流動(dòng)紊流流動(dòng):流體質(zhì)點(diǎn)作復(fù)雜,無規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。時(shí)均速度:時(shí)間間隔T內(nèi)軸向速度的平均值。瞬時(shí)速度:脈動(dòng)速度:瞬時(shí)速度與時(shí)均速度之差,其時(shí)均值為零。第五節(jié)黏性流體的湍流流動(dòng)物理意義:以代替v
時(shí)保持相同的流量。T:是比湍流脈動(dòng)周期長(zhǎng)得多的時(shí)間間隔。
湍流場(chǎng)可看成是統(tǒng)計(jì)平均場(chǎng)和隨機(jī)脈動(dòng)場(chǎng)的疊加,即每一點(diǎn)的瞬時(shí)物理量看成是平均值和脈動(dòng)值之和。vot0TDtt時(shí)均值定義:幾何意義:v~t
曲線和t軸所圍面積的平均高度,瞬時(shí)速度平均速度脈動(dòng)速度流體壓強(qiáng)
瞬時(shí)壓強(qiáng)=時(shí)均壓強(qiáng)+脈動(dòng)壓強(qiáng)第五節(jié)黏性流體的湍流流動(dòng)工程中關(guān)心的是:流體主流的速度分布,壓強(qiáng)分布以及能量損失。時(shí)均定常流動(dòng):空間各點(diǎn)的時(shí)均速度不隨時(shí)間改變的紊流流動(dòng)。第五節(jié)黏性流體的紊流流動(dòng)紊流(隨機(jī)的旋渦運(yùn)動(dòng)):由許許多多不同尺度的旋渦運(yùn)動(dòng)疊加而成。運(yùn)動(dòng)過程中,大尺度的旋渦分裂成小渦,而小渦則由于粘性耗損逐漸消失,其所帶的能量轉(zhuǎn)化為熱能,整個(gè)流動(dòng)是旋渦不斷產(chǎn)生——分裂——消滅的過程。紊流(湍流)流動(dòng)
除分子碰撞外,流體微團(tuán)脈動(dòng)摻混。從而產(chǎn)生了湍流擴(kuò)散、湍流摩阻和湍流熱傳導(dǎo),它們的強(qiáng)度比分子運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散、摩阻和熱傳導(dǎo)大得多。速度剖面變得豐滿,壓力降幾乎與平均速度的平方成正比。第五節(jié)黏性流體的湍流流動(dòng)湍流的隨機(jī)性或脈動(dòng)性——湍流的基本特征。紊流中的切向應(yīng)力第五節(jié)黏性流體的紊流流動(dòng)層流:
湍流:
(微團(tuán)脈動(dòng))(分子運(yùn)動(dòng))湍流粘性系數(shù)渦粘性系數(shù)平面平行定常湍流的摩擦剪應(yīng)力:脈動(dòng)切向應(yīng)力二、普朗特混合長(zhǎng)度理論第五節(jié)黏性流體的湍流流動(dòng)基本思想:把湍流中微團(tuán)的脈動(dòng)與氣體分子的運(yùn)動(dòng)相比擬。yxy1vv+δvv-δvl'l'v'δAo脈動(dòng)切向應(yīng)力與混合長(zhǎng)度和時(shí)均速度梯度乘積成正比.μt不是流體的屬性,決定于流體的密度、時(shí)均速度梯度和混合長(zhǎng)度V-δv流層的微團(tuán)脈動(dòng)到v流層時(shí),速度差:三、圓管中紊流的速度分布第五節(jié)黏性流體的湍流流動(dòng)湍流核心區(qū)過渡區(qū)黏性底層——普朗特-卡門對(duì)數(shù)分布規(guī)律δ為黏性底層厚度,對(duì)湍流流動(dòng)能量損失以及流體與壁面換熱有重要影響。δ
隨Re的改變而變化。第五節(jié)黏性流體的紊流流動(dòng)四、水力光滑與水力粗糙eded(a)(b)ε——管壁的絕對(duì)粗糙度ε/d——相對(duì)粗糙度“水力光滑管”:“水力粗糙管”:ε:管壁粗糙凸出部分
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