流动阻力和能量损失山科.ppt
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1、应用实际流体恒定总流能量方程解决工程实际问题的关键是定量地确定水头损失,即单位重量流体的能量损失。管道流动的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。均匀流中流体和管壁间的切应力沿程不变,称为沿程阻力,为克服沿程阻力所产生的水头损失称为沿程水头损失;在管道边界的突变处,流体集中损失的水头称为局部水头损失。,EXIT,第五章 黏性流体流动及阻力,能量损失的大小与流动型态有密切的关系。由于粘性的影响,实际流体的流动会呈现出两种不同的型态 层流和紊流,它们的流场结构和动力特性区别很大,必须加以判别,分别研究。讨论层流和紊流流态下,恒定总流能量损失的变化规律与计算方法。,EXIT,51 流动阻力的分类,
2、52 黏性流体的两种流动状态,53 圆管中的层流运动,EXIT,第五章 黏性流体流动及阻力,54 圆管中的紊流运动,水平基准线,测压管水头线,总水头线,o,o,两大类流动能量损失:1.沿程能量损失 2.局部能量损失,一、沿程能量损失,发生在缓变流整个流程中的能量损失,由流体的粘滞力造成的损失。,单位重力流体的沿程能量损失,沿程损失系数,管道长度,管道内径,单位重力流体的动压头(速度水头)。,5.1 流动阻力的分类,二、局部能量损失,发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失,即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。,单位重力流体的局部能量损失。,单位重力流体
3、的动压头(速度水头)。,局部损失系数,三、总能量损失,整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。,总能量损失。,EXIT,雷诺(O.Reynolds,18421912,爱尔兰),雷诺发现了两种流动状态,5.2 黏性流体的两种流动状态,1.雷诺实验,1)实验装置,流体的阻力特性直接影响到流体流动时的能量损失。1883年,雷诺(Osborne Reynolds)通过大量实验,发现流体在管道中流动时有着两种不同的流动状态(层流与湍流),其阻力特性也不相同。这种现象可用右所示的雷诺实验装置观测出来。,2)实验现象,当水平管中流体流速较小时,色液呈一条鲜明的细流(线),质点做直线运动,流体质点无横
4、向脉动,质点互不混杂,层次分明,具有非常平稳的流动状态,称为层流(Laminar flow)。,当管中流速增大到某定值时,染色线开始弯曲颤动,质点做曲线运动,管内流动不再保持稳定,不仅有横向脉动速度,而且纵向速度脉动,称为过渡状态流动(Transition regime,buffer state),这是一种不稳定的流动状态。,继续增大流速,色液不连续,向四周紊乱扩散,质点做无规则运动,流体质点在轴(横)向和纵向均有不规则的随机脉动速度,色液不再保持完整形状,而是破裂成杂乱无章、瞬息变化的状态,称为紊流或湍流(Turbulent flow,turbulence)。,上临界流速(Higher cr
5、itical velocity):由层流转变为湍流时的流速;下临界流速(Lower critical velocity):由湍流转变为层流时的流速。实验证明:上临界流速 大于下临界流速。,当使管内流速下降到一定程度时又重复前述状态。这就是著名的雷诺实验。,层流:流体质点平行向前推进,各层之间无掺混。主要以粘性力为主,表现为质点的摩擦和变形。为第一种流动状态。过渡状态:层流、紊流之间有短暂的过渡状态,为第二种流动状态。因为不稳定,有时划归湍流状态。湍流:单个流体质点无规则的运动,不断掺混、碰撞,整体以平均速度向前推进。主要以惯性力为主,表现为质点的撞击和混掺,为第三种流动状态。,3)实验结论,流
6、体具有三种流动状态:层流、过渡状态、湍流。,Laminar flow and turbulent flow over a submarine hull,Turbulent flow around an obstacle;the flow further upstream is laminar,流过潜艇外壳的层流和湍流,障碍物周围的湍流远上游为层流,实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动的情况,容易理解:减小 d,减小 v,加大 三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看,小雷诺数流动趋于稳定,而大雷诺数流动稳定性差,容易发生紊流
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- 流动 阻力 能量 损失
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