湍流《传递过程基础》--课件

第五章 湍 流 本章重点讨论湍流的特点及表征，探讨应用 N-S 方程求解湍流问题的途径，并讨论圆管内湍流的求解问题。工程实际中最常见的是湍流流动。1PPT课件5.1 湍流的特点与表征二、湍流的表征一、湍流的特点第五章 湍 流2PPT课件一、湍流的特点一、湍流的特点 层 流 湍 流湍湍流流的的速速度度分分布布：分分布布较较层层流流均匀均匀层流速度分布：抛物线层流速度分布：抛物线流体的质点无宏观混合，流体的质点无宏观混合，是一种规则流动是一种规则流动流体的质点发生强烈的混合流体的质点发生强烈的混合和高频脉动和高频脉动应力是由流体粘性引起，应力是由流体粘性引起，即分子的随机运动引起的即分子的随机运动引起的动量交换动量交换应力是由应力是由流体粘性和流体粘性和质点质点的宏观混合产生，的宏观混合产生，即湍即湍流的流动阻力远远大于层流流的流动阻力远远大于层流层流与湍流的比较3PPT课件1.时均量与脉动量 某一点速度随时间变化的图象ux0瞬时量=时均量+脉动量瞬时速度 时均速度 脉动速度 二、湍流的表征二、湍流的表征4PPT课件时均速度 湍流中的其它物理量，如温度、压力、密度等也都是脉动的，可采用同样的方法表征：二、湍流的表征二、湍流的表征ux05PPT课件 微观上，湍流流动应属非稳态过程，因为流场中各物理量均随随时间而变。稳态湍流指物理量的时均值不随时间变化，即uxux稳态非稳态二、湍流的表征二、湍流的表征6PPT课件一维湍流 二、湍流的表征二、湍流的表征7PPT课件2.湍流强度 湍流强度是表征湍流特性的一个重要参数。流体在圆管中流动时，I=0.010.1，在尾流、自由射流这样的高湍动情况下，I 可达0.4。二、湍流的表征二、湍流的表征8PPT课件例：用热线风速仪测定湍流流场中某一点的瞬时流速值如下(以毫秒计的相等时间间隔):ux(cm/s):77，78，75，75，70，73，78，83，81，77，72试计算该点处的时均速度及湍流强度。解：（1）时均速度二、湍流的表征二、湍流的表征9PPT课件(2)脉动速度 脉动速度为将题给各ux值代入上式得(cm/s)0.7,1.7,-1.3,-1.3,-6.3,-3.3,1.7,6.7,4.7,0.7,-4.3(cm2/s2)0.49,2.89,1.69,1.69,39.69,10.89,2.89,44.80,22.09,0.49,18.49故即即则湍流强度为二、湍流的表征二、湍流的表征10PPT课件5.1 湍流的特点与表征5.2 湍流时的运动方程一、雷诺转换与雷诺应力二、雷诺方程的分析第五章 湍 流11PPT课件 雷诺转换：将动量传递的变化方程取时均值，获得湍流运动方程。一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力 对连续性方程和运动方程进行时均值转换的意义：考察各方程在时间内物理量的平均变化情况，从而获得描述湍流的物理量的时均值所满足的方程。12PPT课件 时均值运算法则：设则一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力13PPT课件连续性方程的雷诺转换结论：湍流的时均速度满足连续性方程。一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力14PPT课件x 方向以应力表示的运动方程为例：连续性方程乘以ux（1）与（2）相加得运动方程的雷诺转换（1）（2）一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力15PPT课件取时均值移项得一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力16PPT课件层流湍流雷诺方程与运动方程的比较一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力17PPT课件雷诺方程中，以时均值代替瞬时值，方程多3项：量纲雷诺应力x方向：总应力一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力18PPT课件 y 和 z方向的运动方程进行雷诺转换后，可得出相应的雷诺应力：xzy一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力19PPT课件 雷诺方程中，有9个雷诺应力，其中3个为法向应力，其余6个为剪应力。雷诺方程的未知量数多于方程个数,需要建立雷诺应力（脉动速度）与时均速度之间的关系。方法：（1）湍流的统计学说；（2）湍流的半经验理论。一、一、雷诺转换与雷诺应力雷诺转换与雷诺应力20PPT课件5.1 湍流的特点与表征5.2 湍流时的运动方程5.3 湍流的半经验理论二、普朗特混合长理论 一、波希尼斯克的湍应力公式第五章 湍 流21PPT课件一、波希尼斯克的湍应力公式一、波希尼斯克的湍应力公式 Boussinesq 仿照层流流动中的牛顿粘性定律，提出了雷诺应力与时均速度之间的关系：对于 x 方向的一维湍流：式中 流体的密度；涡流运动粘度，又称表观运动粘度。22PPT课件普兰德假定(I)一定距离 l内，脉动的流体团不与其它流体团相碰保持自己动量不变；在运动一定距离 l后才和那里的流体团掺混，改变自身的动量，l 称为混合长。考察一维稳态湍流：二、普朗特混合长理论二、普朗特混合长理论 yy+lyllyx23PPT课件流体层(y,y+l)，(y-l,y)之间的动量交换：当层中有一流体团以 向下脉动 l 进入层中，将使层获得动量通量：如果层内的流体团以 的速度脉动进入层，则将使层流体失去动量通量：二、普朗特混合长理论二、普朗特混合长理论 24PPT课件 单位时间单位面积上层流体内动量通量增加的平均值为 因雷诺应力表示湍流动量交换的通量，故上式代表的量即为雷诺应力 ，因此，去掉时均值二、普朗特混合长理论二、普朗特混合长理论 25PPT课件为获得 与时均速度的关系，普朗特又假定 普朗特假定()二、普朗特混合长理论二、普朗特混合长理论 26PPT课件与 l 的关系 二、普兰德混合长理论二、普兰德混合长理论 27PPT课件5.1 湍流的特点与表征5.2 湍流时的运动方程5.3 湍流的半经验理论5.4 圆管中的稳态湍流第五章 湍 流一、圆管湍流边界层的结构一、圆管湍流边界层的结构二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力28PPT课件湍流边界层由3层组成，其应力特点如下：流体的粘性力起主导作用；雷诺应力与粘性应力兼有；雷诺应力远远大于粘性应力一、圆管湍流边界层的结构一、圆管湍流边界层的结构层流内层缓冲层湍流主体层流内层缓冲层湍流核心29PPT课件层流内层层流内层剪应力分布：或 令 则 B.C.y=0，u=0积分得 二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程yr30PPT课件定义摩擦速度 摩擦距离 无量纲速度分布二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程31PPT课件湍流核心雷诺应力黏性应力 管内流动：开方 B.C.y=y0，u=ue y 0 y0二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程由Karman实验：32PPT课件无量纲速度分布y0层流内层厚度；ue层流内层与湍流核心交界处的流速。积分得 积分常数：K、C1 为模型参数，需由实验确定。二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程33PPT课件 对于光滑圆管，用尼古拉则 (Nikurades)等的实验数据拟合，K0.4，C1 5.5。故湍流核心的速度分布为、大量研究表明，圆管湍流的速度分布采用对数形式表达是正确的。二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程34PPT课件 采用尼古拉则和莱查德数据拟合的结果：1.层流内层(0y5)2.缓冲层(5y30)3.湍流主体(y30)圆管湍流通用速度分布 二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程35PPT课件（1）层流内层(0y5)（2）缓冲层(5y30)（3）湍流核心(y30)圆管湍流边界层厚度的计算0.0305.0riy+ri层流内层缓冲层湍流核心二、圆管湍流的通用速度分布方程二、圆管湍流的通用速度分布方程36PPT课件代入积分主体流速ub 将三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力37PPT课件圆管湍流经验速度分布Re=1105，n=7三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力38PPT课件范宁摩擦系数 f 的定义（1）（2）（1）与（2）联立：适用范围：三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力39PPT课件布拉修斯（Blasius）式：适用范围：适用范围：科尔本（Colburn)式：三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力40PPT课件例例：温度为温度为20的水流过内径为的水流过内径为50mm的水平圆管，测得的水平圆管，测得每米管长流体的压降为每米管长流体的压降为1500Pa。(1)证明此流动为湍流；证明此流动为湍流；(2)求求层层流流内内层层外外缘缘处处水水流流速速、该该处处的的y向向距距离离及及涡涡流流粘粘度；度；(3)求求过过渡渡区区与与湍湍流流主主体体交交界界处处流流体体的的流流速速，该该处处的的y向向距离及涡流粘度。距离及涡流粘度。三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力41PPT课件流动为湍流流动为湍流解：20水的物性水的物性：=998.2kg/m3，=1000.510-5Pas (1)管内流动型态管内流动型态三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力42PPT课件(2)层流内层外缘处水的流速、该处的层流内层外缘处水的流速、该处的 y 向距离及涡流粘度向距离及涡流粘度即即 由于由于 故故 =0 (层流内层仅有粘性应力层流内层仅有粘性应力)三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力43PPT课件故故 又由于又由于 因此因此 (3)过渡区与湍流主体交界处流体的流速，该处的过渡区与湍流主体交界处流体的流速，该处的y向距离及涡流粘度向距离及涡流粘度 三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力44PPT课件例例：试应用上题中的已知数据，求算试应用上题中的已知数据，求算 r=ri/2的流速、涡流粘度和的流速、涡流粘度和混合长值混合长值。解：因此因此 由由 三、光滑圆管中的流动阻力三、光滑圆管中的流动阻力45PPT课件第五章 湍 流5.1 湍流的特点与表征5.2 湍流时的运动方程5.3 湍流的半经验理论5.4 圆管中的稳态湍流5.5 平板壁面上湍流边界层的近似解46PPT课件平板壁面上湍流边界层的近似解平板壁面上湍流边界层的近似解边界层积分动量方程也适用于平板壁面上的湍流边界层求解。（1）湍流边界层的速度剖面与层流不同；（2）不能通过直接微分湍流速度分布求出，因为 是在层流内层区，而速度剖面是在湍流核心区。因此必须采用经验的或半经验的公式。47PPT课件（1）速度分布经验的布拉修斯的1/7次方定律：u0yx0（2）壁面剪应力采用如下经验公式：适用范围：平板壁面上湍流边界层的近似解平板壁面上湍流边界层的近似解48PPT课件B.C.边界层厚度平板壁面上湍流边界层的近似解平板壁面上湍流边界层的近似解49PPT课件壁面剪应力 摩擦曳力平均曳力系数平板壁面上湍流边界层的近似解平板壁面上湍流边界层的近似解50PPT课件 以上推导假定：湍流边界层由 x0 开始形成，与实际情况不符。如果考虑前缘附近的层流边界层段，可得：xc A=f(Rex)1050170033008700A平板壁面上湍流边界层的近似解平板壁面上湍流边界层的近似解51PPT课件 1.20的水在内径为的水在内径为1m 的直管内作稳态湍流的直管内作稳态湍流流动。测得其速度分布为流动。测得其速度分布为 ux=10+0.8 ln y，在离，在离管内壁管内壁1/3m处的剪应力为处的剪应力为103Pa，试求该处的涡试求该处的涡流黏度、混合长。流黏度、混合长。已知已知20 下水的物性：下水的物性：习习 题题52PPT课件习习 题题 2.温度为温度为 20的水流过内径为的水流过内径为 50mm 的圆管。测的圆管。测得每米管长流体的压降为得每米管长流体的压降为1500N/m2，试证明此情况，试证明此情况下流体的流动为湍流，并求下流体的流动为湍流，并求（1）层流底层外缘处水的流速、该处的）层流底层外缘处水的流速、该处的 y 向距离向距离及涡流粘度；及涡流粘度；（2）过渡区与湍流主体交界处流体的流速、该处）过渡区与湍流主体交界处流体的流速、该处的的 y 向距离及涡流粘度。向距离及涡流粘度。已知已知20水的物性水的物性：53PPT课件习习 题题3.利用流体阻力实验可估测某种流体的粘度，其方法利用流体阻力实验可估测某种流体的粘度，其方法是根据实验测得稳态湍流下的平均速度是根据实验测得稳态湍流下的平均速度 ub 及管长为及管长为 L 时的压降时的压降 而求得。试导出以管内径而求得。试导出以管内径d、流体密、流体密度度 、平均流速平均流速 ub 和单位管长压降和单位管长压降 表示的流表示的流体粘度的计算式。体粘度的计算式。54PPT课件习习 题题4 4.假定平板湍流边界层内的速度分布可用两层模型假定平板湍流边界层内的速度分布可用两层模型描述，即在层流底层中，速度分布为线性；在湍流描述，即在层流底层中，速度分布为线性；在湍流核心，速度分布满足核心，速度分布满足1/71/7规律，试求层流底层厚度的规律，试求层流底层厚度的表达式。表达式。55PPT课件习习 题题5.5.试从光滑圆管中湍流核心的对数速度分布式：试从光滑圆管中湍流核心的对数速度分布式：出发，证明涡流粘度的表达式为出发，证明涡流粘度的表达式为和圆管中剪应力的分布式和圆管中剪应力的分布式56PPT课件