第五章管道流动(中文)技术分析.ppt

12 第五章管中流动第五章管中流动§5–1 引言§5–2 雷诺实验§5–3 圆管中的层流§5–4 圆管中的紊流§5–5 管路中的沿程阻力§5–6 管路中的局部阻力§5–7 管路计算 3 第五章管中流动第五章管中流动§5-1 引言§5-1 引言管中不可压缩流体的运动规律,其中有许多基本概念对于绕流或明渠流动也是适用的,管中流动所涉及的问题包括流动状态、速度分布、起始段、流量和压强的计算、能量损失等等。 4 §5-2 雷诺实验§5-2 雷诺实验雷诺数代表惯性力和粘性力。雷诺数不同,这两种力的比值也不同,由此产生内部结构和运动性质完全不同的两种流动状态。雷诺实验的装置如图 5—1所示,主要由恒水位水箱 A和玻璃管B等组成。玻璃管入口部分用光滑喇叭口连接,管中的流量用阀门 C调节,小容器 D内盛有与水的密度相近的有色液体,经细管E流入玻璃管 B,用以演示水流状态。 ( a ) ( b ) ( c ) A DEB C 12 fh图5—1 雷诺实验装置 5 现象: 表明: a. 当管 B内流速较小时,管内颜色水呈一细股界限分明的直线流束,如图 5—1(a),表明流动稳定,这种流动状态称为层流。 C逐渐开大使管中流速达到某一临界值时,颜色水开始出现摆动,如图 5—1(b)。 ,颜色水迅速与周围清水相搀混,如图 5—1 (c)所示。流体质点的运动轨迹是极不规则的,流体互相剧烈搀混,这种运动状态称为紊流或湍流。 6 二、层流和紊流的判别标准流动状态不仅与流速有关,还与管径,流体密度和运动粘度有关。根据第四章的量纲分析方法可以将上述 4 个参数组合成一个无量纲数——雷诺数。 d ?v dd?????? Re 定义: c?? c? vd当管径及流体运动粘度一定,则从层流变紊流时的平均速度也是一定的,此速度称为上临界速度,以表示;从紊流变层流时的平均速度也是一定的,此速度称为下临界速度,以表示, 。 cc???? 7 定义: 实验证明: 对圆管流动,流态的判别条件是:当 2300 Re Re 2300 Re Re???? c c属于层流属于紊流 c? c Re 2300 Re? c虽然当管径或流体介质不同时, 不同,但基本上保持在一个确定的范围。即。 c? c Re 对应于临界流速的雷诺数称为临界雷诺数,记作。 8 三、管中层流、紊流的水头损失规律? 21pph f??改变速度逐次测量层流、紊流两种情况下的与对应的值,实验结果如图 5—2所示。? fh ? 045? lg fh lg 1 lgk 2 lgk c?? lg c? lg C C ?图5—2层流、紊流的水头损失规律在所实验的管段上,因为水平直管路中流体作稳定流时, 根据能量方程可以写出其沿程水头损失就等于两断面间的压力水头差,即 9 结果表明: ? lg lg lgmkh f??式中 k lg—直线的截距; m—直线的斜率,且( 为直线与水平线的交角)。? tgm??大量实验证明: ??? 1 1 01 lg lg lg1,45khkhm f f?????或即(5—1) 沿程水头损失与平均流速成正比。紊流时: m f fkhmkhm??? 2 2 02 lg lg lg2 75 .1, 45?????或即—(5—2) 沿程水头损失与平均流速的 —2次方成正比。无论是层流状态还是紊流状态,实验点都分别集中在不同斜率的直线上,方程式为层流时: 10 §5-3 管流中的层流§5-3 管流中的层流雷诺数较小,也就是速度,直径较小而粘度较大时出现层流。工程上层流情况很多。如石油输运,化工管道, 地下水渗流甚至轻工、建筑、生理等许多领域都有。 v d?从微元体的受力平衡关系出发建立层流的常微分方程。如图 5—3所示,取半径为 r ,长度为的一个圆柱体,在定常流动中这个圆柱体处于平衡状态。 lx y zo 1p R 1p 2p 2pl ??r??图5—3 圆管层流一、分析层流运动的方法