层流紊流及水头损失解析.pptx
会计学1层流紊流及水头损失解析层流紊流及水头损失解析粘滞性相对运动物理性质固体边界产生水流阻力损耗机械能hw水头损失的物理概念及其分类水头损失的物理概念及其分类水头损失的分类水头损失的分类沿程水头损失hf局部水头损失hj某一流段的总水头损失：各分段的沿程水头损失的总和各种局部水头损失的总和第1页/共57页 水头损失因实际液体具有粘性，在流动过程中产生水流阻力，克服阻力就要耗损一部分机械能，转化为热能，造成水头损失。水头损失与液体的物理特性和边界特征均有密切的关系。实际液体 理想液体第2页/共57页 实际液体断面上流速分布不均匀，相邻两流层间流层有相对运动，产生内摩擦切应力，流动过程中要克服这种阻力就要做功，做功就要耗损一部分机械能，转化为热能耗散。产生水头损失必需具备的条件：1、液体具有粘性；2、由于固体边界的影响，液流内部质点之间产生相对运动。第3页/共57页6.1 粘性流体运动的两种形粘性流体运动的两种形 6.1.1 雷诺试验雷诺试验hf颜色水颜色水颜色水颜色水第4页/共57页6.1.1 雷诺试验雷诺试验lglghfO流速由小至大流速由大至小12颜色水颜色水颜色水第5页/共57页6.1.2 雷诺数雷诺数c常数，视水流的边界条件而定。常数，与水流的边界条件和受外界干扰有关。圆管第6页/共57页 非圆管 物理意义：第7页/共57页沿程水头损失与流速的关沿程水头损失与流速的关系系层流：层流：m1=1.0，hf=k1，即沿程水头损失与流速的一次方成正比。紊流：紊流：m2=1.752.0，hf=k21.752.0，即沿程水头损失hf与流速的1.752.0次方成正比。第8页/共57页6.2 圆管中的层流圆管中的层流 6.2.1 水头损失的分类水头损失的分类水头损失=第9页/共57页气体管道一、沿程水头损失一、沿程水头损失二、局部水头损失二、局部水头损失第10页/共57页 6.2.2 均匀流沿程水头损失与切应力的关系均匀流沿程水头损失与切应力的关系 一、均匀流动方程一、均匀流动方程动量方程 F=Q(2-1)=0F=P1-P2+Gsin-T=0 p1A1-p2A2+ALsin-L0=0流股 第11页/共57页p1A1-p2A2+A-L0=0=能量方程 =hf hf=二、圆管过流断面上的切应力分布二、圆管过流断面上的切应力分布各流层之间 流束的水力半径第12页/共57页管流 R=d/4=r0/2r0圆管半径切应力线性分布。第13页/共57页三、阻力流速三、阻力流速第14页/共57页 6.2.3 圆管层流的断面流速分布圆管层流的断面流速分布 一、圆管中的均匀层流圆管中的均匀层流 二、流速分布 第15页/共57页rur0每一圆筒层表面的切应力：另依均匀流沿程水头损失与切应的关系式有：所以有积分整理得当r=r0时，u=0，代入上式得层流流速分布为抛物型流速分布第16页/共57页第17页/共57页 6.2.4 沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算第18页/共57页 6.3 紊流基本理论紊流基本理论 6.3.1 紊流的特征紊流的特征 紊流的特征：许许多多大小不等的涡体相互混掺着前进，它们的位置、形态、流速时刻不断地变化着。运动要素的脉动：当一系列参差不齐的涡体连续通过紊流中某一定点时，必然反映出该点上的瞬时运动要素（流速、压强）随时间发生波动的现象，这种现象就叫运动要素的脉动。第19页/共57页紊流特征：紊流特征：二、运动要素的脉动现象二、运动要素的脉动现象 瞬时运动要素（如流速、压强等）随时间发生波动的现象。三、紊流产生附加切应力三、紊流产生附加切应力由相邻两流层间时间平均流速相对运动所产生的粘滞切应力纯粹由脉动流速所产生的附加切应力一、质点运动特征：一、质点运动特征：液体质点互相混掺、碰撞，杂乱无章地运动着。第20页/共57页四、紊流粘性底层四、紊流粘性底层在紊流中紧靠固体边界附近，有一极薄的层流层，其中粘滞切应力起主导作用，而由脉动引起的附加切应力很小，该层流叫做粘性底层。粘性底层虽然很薄，但对紊流的流动有很大的影响。所以，粘性底层对紊流沿程阻力规律的研究有重大意义。第21页/共57页五、紊动使流速分布均匀化五、紊动使流速分布均匀化紊流中由于液体质点相互混掺，互相碰撞，因而产生了液体内部各质点间的动量传递，动量大的质点将动量传给动量小的质点，动量小的质点影响动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。流速分布的指数公式：流速分布的指数公式：当Re105时，流速分布的对数公式：流速分布的对数公式：层流流速分布紊流流速分布第22页/共57页A紊流6.3.2 紊流的脉动现象紊流的脉动现象tuxOtuxO或（时均）恒定流（时均）恒定流（时均）非恒定流（时均）非恒定流第23页/共57页 瞬时流速u；时均流速 ；平均流速。同理，第24页/共57页 6.3.3 粘性底层粘性底层 粘性底层内：边界条件：第25页/共57页紊流的粘性底层紊流的粘性底层粘性底层0紊流粘性底层厚度粘性底层厚度可见，可见，0随雷诺数的增加而减小。随雷诺数的增加而减小。当当Re较小时，较小时，水力光滑壁面水力光滑壁面当当Re较大时，较大时，00水力粗糙壁面水力粗糙壁面0过渡粗糙壁面过渡粗糙壁面第26页/共57页紊流形成过程的分析紊流形成过程的分析选定流层流速分布曲线干扰FFFFFFFFFFFF升力涡体紊流形成条件涡体的产生雷诺数达到一定的数值第27页/共57页 6.3.4 混合长度理论混合长度理论 1、紊流的切应力、紊流的切应力 第28页/共57页 的推导的推导 由动量方程可知：动量增量等于紊流附加切力T产生的冲量，即：第29页/共57页由质量守恒定律得：由质量守恒定律得：符号相反。符号相反。第30页/共57页2、半经验理论（PrandtlL.）第31页/共57页涡流粘度，是紊动质点间的动量传输的一种性质。不取决于流体粘性，而取决于流体状况及流体密度。紊流流速呈对数规律分布。第32页/共57页 6.4 圆管紊流的沿程水头损失圆管紊流的沿程水头损失 6.4.1 沿程阻力系数的影响因数沿程阻力系数的影响因数第33页/共57页6.4.2 6.4.2 尼古拉兹实验与紊流阻力分区尼古拉兹实验与紊流阻力分区尼古拉兹实验与紊流阻力分区尼古拉兹实验与紊流阻力分区一、一、尼古拉兹实验尼古拉兹实验层流时,=f(Re)=f(Re)=f(Re,/d)=f(,/d)第34页/共57页圆管紊流的流动分区：圆管紊流的流动分区：第1区层流区，=64/Re。第2区层流向紊流的过渡区，=f(Re)。第3区紊流水力光滑管区，Re4000,=f(Re)。第4区紊流过渡区，=f(Re,/d)。第5区水力粗糙管区或阻力平方区，=f(/d）。第35页/共57页光滑区的分析光滑区的分析第36页/共57页二、流速分布二、流速分布1、紊流光滑区第37页/共57页2、阻力平方区第38页/共57页第39页/共57页2、粗糙区四、阻力区的判别四、阻力区的判别五、工业管道的五、工业管道的Colebrookgshi Colebrookgshi 公式公式第40页/共57页穆穆 迪迪 图图第41页/共57页六、沿程阻力系数的经验公式六、沿程阻力系数的经验公式1、Blasius公式2、希弗林松公式（粗糙区）3、谢才公式第42页/共57页七、非圆管的沿程损失七、非圆管的沿程损失第43页/共57页2、局部水头损失的影响因素二、几种典型的局部水头损失系数二、几种典型的局部水头损失系数1、突然放大6.5 局部水头损失局部水头损失一、局部水头损失的一般分析局部水头损失的一般分析1、局部水头损失产生的原因第44页/共57页动量方程有：第45页/共57页通式 2、突然缩小管；3、渐扩管；4、渐缩管；5、弯管三、局部之间的相互干扰三、局部之间的相互干扰查表。第46页/共57页 1 1、边界层（、边界层（boundary layer）：亦称附面层 雷诺数很大时，粘性小的流体（如空气或水）沿固体壁面流动（或固体在流体中运动）时壁面附近受粘性影响显著的薄流层。2、流场的求解可分为两个区进行、流场的求解可分为两个区进行 边界层内流动边界层内流动 必须计入流体的粘性影响可利用动量方程求得近似解。边界层外流动边界层外流动 视为理想流体流动，可按势流求解。6.6 边界层概念和绕流阻力边界层概念和绕流阻力 6.6.1 边界层概念边界层概念第47页/共57页1、边界层的描述、边界层的描述 普兰特把贴近于平板边界存在较大切应力，粘性影响不能忽略的薄层称为边界层。U U U 粘性底粘性底层层层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层过渡过渡区区边界层界限边界层界限xcrxyUxUxx边界中的水流同样存在两种流态：层流和紊流。层流边界层和紊流边界层层流边界层和紊流边界层层流边界层和紊流边界层层流边界层和紊流边界层第48页/共57页6.6.2 边界层的厚度边界层的厚度 边界层厚度边界层厚度（boundary layer thickness）：）：自固体边界表面沿其外法线到纵向流速ux达到主流速U0的99%处，这段距离称为边界层厚度。边界层的厚度边界层的厚度顺流增大，即是x的函数。转捩点，临界雷诺数转捩点，临界雷诺数转捩点转捩点：在x=xcr处边界层由层流转变为紊流的过渡点。特点特点：临界雷诺数的大小与来流的脉动程度有关。临界雷诺数临界雷诺数：第49页/共57页 临界雷诺数的范围临界雷诺数的范围：边界层厚度边界层厚度 临界雷诺数并非常量，而是与来流的扰动程度有关，如果来流受到扰动，脉动强，流态的改变在较低的雷诺数就会发生。第50页/共57页 层流边界层（层流边界层（laminar boundary layer）：）：当边界层厚度d较小时，边界层内的流速梯度很大，粘滞应力的作用也很大，这时边界层内的流动属于层流，这种边界层称为层流边界层。紊流边界层（紊流边界层（turbulence turbulence boundary layer）：）：当雷诺数达到一定数值时，边界层中的层流经过一个过渡区后转变为紊流，就成为紊流边界层。层流边界层与紊流边界层层流边界层与紊流边界层层流边界层与紊流边界层层流边界层与紊流边界层 在紊流边界层内，最紧靠平板的地方，dux/dy仍很大，粘滞力仍起主要作用，其流态仍为层流，所以紊流边界层内有一粘性底层。U U U 粘性底粘性底层层层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层过渡过渡区区边界层界限边界层界限xcrxyUxUxx第51页/共57页 边界层分离（边界层分离（separation of boundary layer）：因压强沿流因压强沿流动方向增高，边界层内流体从动方向增高，边界层内流体从壁面离开壁面离开的现象称边界层分离。的现象称边界层分离。若压强梯度保持为零时，即若压强梯度保持为零时，即dp/dx=0平板绕流的边界层分离平板绕流的边界层分离 无论板有多长，都无论板有多长，都不会发生分离不会发生分离，这时边界层只会沿流，这时边界层只会沿流向向连续增厚。连续增厚。6.6.3 6.6.3 边界层分离边界层分离边界层分离边界层分离第52页/共57页 边界层迅速地增厚，压强的增大（流速减小）和阻力增大使边界层内动量减小，如两者共同作用在一足够长的距离，致使边界层内流体流动停滞下来，分离便由此而生，自分离点C起，边界流线必脱离边界，其下游近壁处形成回流（或涡旋），在分离点：dp/dx0 若压强沿程增大，即p2p1或梯度dp/dx0第53页/共57页2、尾流、尾流尾流尾流：分离流线与物体边界所围的下游区域。减小尾流的主要途径：使绕流体型尽可能流线型化。第54页/共57页1、边界层内是否一定是层流？影响边界层内流态的主要因素有哪些？否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离否，有层流、紊流边界层；粘性、流速、距离 2、边界层分离是如何形成的？如何减小尾流的区域？因压强沿流动方向增高，以及阻力的存在，使得边界层内动量减小，而形成了边界层的分离。使绕流体型尽可能流线型化，则可减小尾流的区域。第55页/共57页 边界层分离导致边界层分离导致 绕流阻力绕流阻力 阻力D=摩擦阻力Df+压强阻力DP 升力L(向上)第56页/共57页感谢您的观看！感谢您的观看！第57页/共57页
