《流體力學(xué)與流體機(jī)械》 課件 模塊四 粘性流體流動(dòng)及阻力_第1頁
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模塊四黏性流體流動(dòng)及阻力演講人

實(shí)際流體都是有粘性的。黏性流體運(yùn)動(dòng)中不可避免地存在阻力、衰減及擴(kuò)散現(xiàn)象,黏性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)總是伴隨著內(nèi)摩擦及傳熱過程,發(fā)生能量損耗。流體在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到阻力,阻力問題是流體力學(xué)中最重要的問題之一,阻力和能量損失的計(jì)算也是流體工程中必須解決的問題,因此也是流體力學(xué)必須研究的重要內(nèi)容。

本模塊首先分析流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因,介紹流動(dòng)狀態(tài)及流態(tài)判別準(zhǔn)則,進(jìn)而研究黏性流體的層流和紊流,最后討論流場(chǎng)中物體所受到的阻力問題。項(xiàng)目一黏性流體的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)阻力項(xiàng)目一黏性流體的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)阻力【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握黏性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)及對(duì)流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn);掌握研究流動(dòng)狀態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及意義;掌握流動(dòng)阻力的兩種形式及流動(dòng)阻力系數(shù)的意義;掌握沿程損失與局部損失的成因及計(jì)算方法。黏性流體的流動(dòng)狀態(tài)--雷諾實(shí)驗(yàn)

從19實(shí)際初期起,通過實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐,人們注意到了流體流動(dòng)的能量損失的規(guī)律和流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。直到1883年,英國(guó)科學(xué)家雷諾所進(jìn)行的著名實(shí)驗(yàn)才進(jìn)一步證明了實(shí)際流體存在兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)和能量損失與流速之間的關(guān)系。雷諾實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)之一。雷諾實(shí)驗(yàn)裝置如圖4-1所示。

圖4-1雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)

圖4-2沿程損失與速度的關(guān)系流態(tài)判別準(zhǔn)則——雷諾數(shù)當(dāng)研究流體繞物體流動(dòng)時(shí),雷諾數(shù)定義為:故管中的水處于紊流狀態(tài)。黏性流體的流動(dòng)阻力黏性流體在流動(dòng)過程中,流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生切應(yīng)力以及流體與固體壁面之間產(chǎn)生摩擦阻力,根據(jù)成因的不同,可將黏性流體所受的阻力分為沿程阻力和局部阻力兩大類。這些阻力的形成將使流動(dòng)流體的部分機(jī)械能不可逆轉(zhuǎn)化為熱能,引起流體機(jī)械能損失,稱為能量損失;其造成的能量損失根據(jù)所受阻力的不同可分為沿程損失和局部損失。(一)沿程阻力及沿程損失(二)局部阻力及局部損失單位重量流體的機(jī)械能損失分成了沿程損失和局部損失,在實(shí)際的計(jì)算中,整個(gè)管道的能量損失等于各管段的沿程損失和局部損失的總和。即沿程阻力系數(shù)1.尼古拉茨實(shí)驗(yàn)圖4-3尼古拉茨實(shí)驗(yàn)曲線表4-1各種管道壁面的當(dāng)量粗糙度△2.莫迪圖沿程阻力系數(shù)圖4-4莫迪圖局部阻力系數(shù)1.端面突然擴(kuò)大圖4-5斷面突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)對(duì)斷面1-1和2-2列伯努利方程得取斷面1-1和2-2間的流體為控制體,由動(dòng)量方程得此即斷面突然擴(kuò)大的局部損失計(jì)算公式,稱為包達(dá)公式。為求得局部阻力系數(shù),將式(4-11)稍作變換,并利用連續(xù)性方程??傻镁植孔枇ο禂?shù)斷面逐漸縮?。u縮管)圖4-6漸縮管局部阻力系數(shù)局部裝置的當(dāng)量管長(zhǎng)幾種常見局部裝置的當(dāng)量管長(zhǎng)列于表4—3中,供使用時(shí)參考。局部阻力系數(shù)能量損失的疊加當(dāng)一條管路中包含有若干個(gè)局部裝置時(shí),管路的總水頭損失等于沿程損失與所有管件的局部損失之和,即式(4-15)體現(xiàn)了能量損失的疊加原則,它是計(jì)算管路總損失的基本公式。為便于應(yīng)用,可將它變?yōu)楦?jiǎn)潔的形式:局部阻力系數(shù)習(xí)題與思考題1.造成沿程損失和局部損失的主要原因各是什么?它們分別發(fā)生在什么流段?局部阻力系數(shù)什么是能量損失?能量損失有哪幾類?3.在直徑相同的管中流過相同的液體,當(dāng)流速相等時(shí),它們的雷諾數(shù)是否相等?當(dāng)流過不同的流體時(shí),他們的臨界雷諾數(shù)是否相等?局部阻力系數(shù)什么是能量損失?能量損失有哪幾類?圖4-7習(xí)題8圖圖4-8習(xí)題9圖項(xiàng)目二流體在圓管中的流動(dòng)項(xiàng)目二流體在圓管中的流動(dòng)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握流體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)規(guī)律;掌握流體在圓管中流動(dòng)時(shí)的流速分布、應(yīng)力分布及損失等。圓管中的層流流動(dòng)--速度分布圖4-9圓管中的層流流動(dòng)將此式代入式(B),得(二)流量和平均速度(三)內(nèi)摩擦應(yīng)力分布速度分布(四)沿程損失此式表明,圓管層流中的沿程損失與平均速度的一次方成正比,這與雷諾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合。將式(4-20)稍作變換,可得比較式(4-5)得,圓管層流的沿程阻力系數(shù)為:即圓管層流的沿程阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān),與壁面的粗糙程度無關(guān)。解:由已知條件得由此可知兩種溫度下的流動(dòng)均為層流,沿程阻力系數(shù)可用式(4-21)計(jì)算,再由達(dá)西公式(4-5)得相應(yīng)的沿程損失為:圓管中的紊流流動(dòng)除少數(shù)情況外,工程上最常見的還是紊流流動(dòng)。紊流十分復(fù)雜,到目前為止,對(duì)它的研究基本上還是在一定假設(shè)條件下,通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,總結(jié)出一些半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式。脈動(dòng)現(xiàn)象和均時(shí)化的概念紊流中,流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過某一固定點(diǎn)時(shí),速度、壓力等總是隨時(shí)間變化,而且毫無規(guī)律,這種現(xiàn)象稱為脈動(dòng)。圖4-10圓管中的紊流脈動(dòng)現(xiàn)象和均時(shí)化的概念圖4-11時(shí)均速度時(shí)均速度和時(shí)均壓力的引入,給研究紊流流動(dòng)帶來了極大的方便,只需將流體的紊流流動(dòng)看成是以時(shí)均速度、時(shí)均壓力等在流動(dòng),前面所述的一切概念可直接用于紊流中。有一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)注意,對(duì)紊流的時(shí)均化處理只是研究紊流的一種方法,并不能改變紊流的實(shí)質(zhì)。當(dāng)研究紊流阻力時(shí),必須考慮質(zhì)點(diǎn)混雜運(yùn)動(dòng)和動(dòng)量交換的影響。紊流中的切應(yīng)力在紊流中,除了沿主流方向的運(yùn)動(dòng)外,流體質(zhì)點(diǎn)還有垂直于主流方向的脈動(dòng),如圖4-12所示。圖4-12脈動(dòng)速度(三)水力光滑管與水力粗糙管紊流中的切應(yīng)力(四)圓管中紊流速度分布此式表明,紊流狀態(tài)下,斷面上的速度是按對(duì)數(shù)規(guī)律分布的,如圖4-13所示(實(shí)線)。圖中虛線表示平均速度相等的層流速度分布。圖4-13除上述對(duì)數(shù)規(guī)律外,紊流速度分布還可表示成指數(shù)規(guī)律,即習(xí)題與思考題1.什么是紊流的時(shí)均化?怎樣理解定常紊流和非定常紊流?2.何謂層流底層?其厚度對(duì)紊流區(qū)的流動(dòng)有何影響?3.什么是水力光滑管和水力粗糙管?4.為什么圓管中紊流速度分布要比層流的均勻?項(xiàng)目三縫隙流【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握流體在通道內(nèi)流動(dòng)的一般特性;掌握兩無限大平行平板間的層流以及偏心環(huán)形縫隙流??p隙流是指流體在相距很近的兩固體壁面之間的流動(dòng)。因兩壁的間距很小,其間的流體因受到壁面阻滯作用較大,通常處于層流狀態(tài)。平面平板間的縫隙流圖4-14縫隙中的層流縫隙中的內(nèi)摩擦應(yīng)力為線性分布,即以上結(jié)果是針對(duì)平行平板縫隙流的討論得出的,但對(duì)同心環(huán)形縫隙中的軸向流動(dòng)也適用。下面分三種情況進(jìn)一步討論。平面平板間的縫隙流logo圖4-15壓差流由式(4-35)得這是線性規(guī)律,如圖4-16所示.平面平板間的縫隙流圖4-16剪切流流量和平均速度分別為:平面平板間的縫隙流圖4-18液壓千斤頂示意圖解:這種情況可以簡(jiǎn)化為兩固定平行平板間的流動(dòng)問題。缸內(nèi)油的相對(duì)壓力為:泄露量為偏心環(huán)形縫隙流嚴(yán)格來說,工程實(shí)際中同心環(huán)形

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