流体及其主要物理性质课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章 流体及其主要物理性质,第,2,章 流体静力学,第,3,章 流体动力学基础,第,4,章 流动阻力和水头损失,第,5,章 孔口、管嘴出流及有压管流,第,6,章 明渠均匀流,第,7,章 明渠水流的两种流态及其转换,目录,第1章 流体及其主要物理性质第2章 流体静力学第3章 流体动,第四章 流动阻力和水头损失,第一节 流动阻力和水头损失的分类,第二节 粘性流体运动的两种流态,第三节 均匀流的沿程水头损失,第四节 圆管中的层流运动,第五节 紊流运动,第六节 紊流的沿程水头损失,第七节 局部水头损失,第四章 流动阻力和水头损失第一节 流动阻力和水头损失的,教学内容、重点及难点,基本内容,采用以水为代表的液体，研究水头损失的成因与分类，探讨水头损失与液流型态的关系，分析水头损失的变化规律及其计算方法。,重、难点,1.,流动的分类：层流和紊流的理解。,2.,经验公式的理解和应用。,教学内容、重点及难点 基本内容重、难点,了解,流动的两种流态（层流与紊流）及其判别，,知道,紊流的脉动特性与时间平均的概念；,知道,圆管层流和紊流的断面流速分布；,牢固掌握,确定圆管流动沿程水头损失系数和水头损失的途径和方法；,理解,边界层概念,，,了解,边界层分离现象和物体的绕流阻力,。,了解流动的两种流态（层流与紊流）及其判别，知道紊流的脉动特,造成能量损失的原因：流动阻力,内因,流体的粘滞性和惯性,外因,流体与固体壁面的接触情况,流体的运动状态,能量损失的表示方法,液体：,单位重量流体的能量损失,气体：,单位体积流体的能量损失,造成能量损失的原因：流动阻力能量损失的表示方法,第一节 流动阻力和,水头损失的分类,一、损失分类及计算,沿程损失：,在,均匀流,中，流体所承受的阻力只有不变的,摩擦阻力,，称为沿程阻力。,发生在,均匀流,段上，由,沿程阻力,产生的水头损失。,以,h,f,表示,或,第一节 流动阻力和一、损失分类及计算沿程损失：在均匀流中，流,在,非均匀流,动中，各流段所形成的阻力是各种各样的，但都集中在很短的流段内，这种阻力称为局部阻力。,发生在,非均匀流,段上，由,局部阻力,产生的水头损失。,以,h,j,表示,或,总损失：,局部损失：,在非均匀流动中，各流段所形成的阻力是各种各样的，但都集中在很,流体及其主要物理性质课件,二、水力半径及其,对水头损失的影响,b,/2,2,b,b,b,r,1,r,2,A,2,A,1,过流断面面积,A,越大，水头损失,h,w,越小。,湿周,：,在过流断面上流体与固体边壁的,接触周长,。,过流断面面积,A,相同时，湿周,越大，水头损失,h,w,越大。,流动阻力,F,：,二、水力半径及其b/22bbbr1r2A2A1 过流断,水力半径,R,：,水力半径,R,越大，水头损失,h,w,越小。,单位：,m,r,圆形,a,a,方形,b,h,矩形,b,h,矩形明渠,水力直径,d,R,：,单位：,m,水力半径 R ：水力半径 R 越大，水头损失 hw 越小。单,一、雷诺实验,层流,紊流,过渡阶段,速度由小到大，层流向紊流过渡,上临界速度,v,k,速度由大到小，紊流向层流过渡,下临界速度,v,k,稳定直线，质点不相混杂,线条摆动弯曲，,旋转，破裂,线条完全散开，质点混杂，作无规则运动,第二节 粘性流体运动,的两种流态,一、雷诺实验层流紊流过渡阶段速度由小到大，层流向紊流过渡,二、流动状态与水头损失的关系,紊流运动；,DE,线,层流运动；,AB,直线,流态不稳；,紊流运动；,E,点之后,二、流动状态与水头损失的关系紊流运动；DE线层流运动；AB直,通过,量纲分析和相似原理,发现，上面的物理量可以组合成一个,无量纲数,，并且可以用来,判别流态,。,称为雷诺数。,临界速度不能作为判别流态的标准！,三、流态的判别,雷诺数,1883,年，,雷诺试验,也表明：圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数,d,是圆管直径，,v,是平均流速，,是流体的运动粘性系数。,通过量纲分析和相似原理发现，上面的物理量可以组合成一个无量纲,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。,即惯性扰动和粘性稳定之间对比和抗衡的结果。,粘性稳定,扰动因素,d,v,利于稳定,对比抗衡,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,紊流,层流,紊流,层流,上临界雷诺数,下临界雷诺数,R,e,R,e,圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，又分为,上临界雷诺数和下临界雷诺数,。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值，圆管定常流动取为,12000-40000,紊流层流紊流层流上临界雷诺数下临界雷诺数ReRe圆管中恒定流,对圆管：,d,圆管直径,对非圆管断面：,R,水力半径,对明渠流：,R,水力半径,对绕流现象：,L,固体物的特征长度,对流体绕过球形物体：,d,球形物直径,对圆管：d 圆管直径对非圆管断面：R 水力半径对明渠,【例】,水和油的运动粘度分别为,若它们以 的流速在,直径为 的圆管中流动，试确定其流,动状态？,【解】,对,1,1,，,2,2,列写伯努利方程,水的流动雷诺数,紊流流态,油的流动雷诺数,层流流态,【例】水和油的运动粘度分别为【解】对11，22列写伯努利,【例】,温度 运动粘度 的水，在直径 的管中流动，测得流速 ，问水流处于什么状态？如要改变其运动，可以采取那些办法？,【解】,水的流动雷诺数,1,）改变流速,如要改变其流态,层流流态,2,）提高水温改变粘度,【例】 温度 运动粘度,A,n,l,对流体中一有限体进行受力分析,G,p,1,A,p,2,A,0,z,1,z,2,流股本身的重量,端面压力,流股表面受到的摩擦力,流股湿周上的平均切应力,一、均匀流基本方程,第三节 均匀流的沿程水头损失,Anl对流体中一有限体进行受力分析Gp1Ap2A0z1z,A,n,l,G,p,1,A,p,2,A,0,z,1,z,2,列写,动量方程,列写,伯努利方程,得,或,均匀流基本方程,AnlGp1Ap2A0z1z2列写动量方程列写伯努利方程,0,r,r,0,均匀流剪应力分布图,由,0,=,gRJ,及,R,=,r,/,2,（园管）得,沿程水头损失的计算公式,达西公式：,（园管公式）,（通用公式）,将均匀流基本方程代入达西公式，得,0rr0 均匀流剪应力分布图由0=gRJ 及 R,由均匀流基本方程,0,gRJ,，得园管内任一点处,对于层流,，,又满足牛顿内摩擦阻力定律,则,y,d,r,r,r,0,第四节 圆管中的层流运动,一、园管层流速度分布,由均匀流基本方程 0gRJ ，得园管内任一点处对于层,积分，并代入边界条件：,r,r,0,时，,u,0,，得,当,r,0,时，,抛物线分布,u,max,r,d,r,0,u,平均流速和流量,积分，并代入边界条件：rr0 时，u0，得当 r 0,二、达西公式和沿程阻力系数,由平均流速公式得,（只适于,层流,）,其中,沿程阻力系数,（无量纲量）,二、达西公式和沿程阻力系数由平均流速公式得（只适于层流）其中,【例】,在长度,l=10000m,、直径,d=300mm,的管路中输送,=9.31kN/m,3,的重油，其重量流量,G=2371.6kN/h,，求油温分别为,100,度,(,=25cm,2,/s),和,400,度,(,=1.5cm,2,/s),时的水头损失。,【解】,体积流量,平均流速,1,）,10,0,C,时的雷诺数,2,）,40,0,C,时的雷诺数,【例】在长度l=10000m、直径 d=300mm 的管路中,【例】,已知,=,9800kg/m,3,，,Q,m,=1.0kg/s,，,l,=1800m,，,=0.08cm,2,/s,，,d,=100mm,，,z,1,=85m,，,z,2,=105m,，,求,管路的压强降低值及损失功率。,d,l,z,2,z,1,0,0,【解】,对,1,1,，,2,2,列写伯努利方程,得,又,先判断流态,为,层流,即,则,压降为,损失功率为,【例】已知=9800kg/m3，Qm=1.0kg/s，l=,第四节 紊流的特征,一、紊流的发生机理,层流流动的稳定性丧失（雷诺数达到临界雷诺数）,扰动使某流层发生微小的波动,流速使波动幅度加剧,在横向压差与切应力的综合作用下形成旋涡,旋涡受升力而升降,引起流体层之间的混掺,造成新的扰动,第四节 紊流的特征一、紊流的发生机理层流流动的稳定性丧失（雷,+,+,-,+,-,-,高速流层,低速流层,任意流层之,上下侧的切应力,构成顺时针方向的力矩，有,促使旋涡产生,的倾向。,+-+-高速流层低速流层任意流层之上下侧的切应力构成顺时,涡体,旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺,涡体旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺,二、紊流的脉动和时均化现象,脉动,通过雷诺实验可知，当,ReRecr,时，管中紊流,流体质点是杂乱无章地运动的，不但,u,瞬息变化，而且，,一点上流体,p,等参数都存在类似的变化，这种,瞬息变化,的现象称,脉动,。层流破坏以后，在紊流中形成许多大大,小小方向不同的,旋涡,，这些旋涡是造成速度脉动的原因。,特征：,紊流的,u,、,p,等运动要素，在空间、时间上,均具有随机性质，是一种非定常流动。,二、紊流的脉动和时均化现象 脉动,紊流运动要素的时均化,紊流,的分析方法,统计时均法,。,如图所示。观测时间足够长，可得出各运动参量对时间的平均值，故称为,时均值,，如,时均速度、时均压强,等,。,u,x,u,x,u,x,t,时均速度：,瞬时速度在时,间周期,T,内的平均值,脉动速度,紊流运动要素的时均化uxuxuxt时均速度：瞬时速,时均化法,说明,：,时均周期,T,的取值：,使时均值与真实值相差太远，脉动变化的影响无法显示。,T,不能太大：,T,不能太小：,时均值与真实值很相近，脉动无法消除，时均化的意义不大。,脉动值的时均值：,紊流是非恒定的，但其时均值可以是恒定的。,时均化法说明： 时均周期 T 的取值：使时均值与真实值相差太,三、紊流的附加剪应力,对,层流,：,对,紊流,：,由,Prantl,的,动量传递理论,：,其中,1,由相邻两流层间,时均速度差,所产生的,粘性阻力,2,由,脉动,引起的紊流,附加切应力,对于紊流，,2,1,，,则,由,Prantl,的,混合长度理论,：,建立了脉动值与时均值的关系,三、紊流的附加剪应力对层流：对紊流：由Prantl的动量传递,四、园管紊流的速度分布,紊流运动中，由于流体涡团相互掺混，互相碰撞，因而产生了流体内部各质点间的动量传递；动量大的流体质点将动量传递给动量小的质点，动量小的流体质点牵制动量大的质点，结果造成,断面流速分布的均匀化,。,对数或指数分布规律,r,0,r,u,u,max,紊流中的速度分布,四、园管紊流的速度分布紊流运动中，由于流体涡团相互掺混，互相,五、紊流流道壁面的类型,紊流区域划分为：,过渡区,过渡区（层流,紊流）,紊流核心区,管壁的,绝对,粗糙度,/,d,管壁的,相对,粗糙度,0,层流边界层厚度,层流底层,层流底层,过渡区,紊流核心区,层流底层,0,管壁,五、紊流流道壁面的类型紊流区域划分为：过渡区过渡区（层流紊,流体处于“水力光滑管”区，壁面为,水力光滑面,。,流体处于“水力粗糙管”区，壁面为,水力粗糙面,。,流体介于“水力光滑管”区与“水力粗糙管”区之间，为过渡粗糙区，壁面为,过渡粗糙面,。,当,0,时，,当,0,时，,当,0,与,相当，,注意,水力光滑面和粗糙面并非完全取决于固体边界表面本身是光滑还是粗糙，而必须依据粘性底层和绝对粗糙度两者的相对大小来确定，即使同一固体边壁，在某一雷诺数下是光滑面，而在另一雷诺数下是粗糙面。,流体处于“水力光滑管”区，壁面为水力光滑面。流体处于“水力粗,六、 圆管紊流中的水头损失,紊流中的水头损失,区别,：,层流,紊流,是一个只能由实验确定的系数。,所以，计算紊流 的关键是确定,。,六、 圆管紊流中的水头损失,第五节 紊流的沿程水头损失,一、尼古拉兹实验,确定阻力系数,与,雷诺数,Re,及相对粗糙度,/,r,之间的关,系，具体关系要由实验确定，最著名的是尼古拉茨于,1932,1933,年间做的实验。,方法：,人为造出六种不同的相对粗糙度的管；,对不同的管径通过改变流量来改变雷诺数；,测出沿程阻力损失，由 求阻力系数,.,第五节 紊流的沿程水头损失一、尼古拉兹实验 确定阻力系数,尼古拉兹试验曲线,层流区：,Re,2000,1.5,30.6,60,126,252,3.0,6.0,0.2,5.0,4.0,0.4,0.6,0.8,1.0,层流区,圆管流动沿程水头损失系数的,尼古拉兹试验曲线,尼古拉兹试验曲线 层流区：Re20001.530.6601,尼古拉兹试验曲线,第一过渡区,（层流,紊流）,：,Re,2000,4000,1.5,30.6,60,126,252,3.0,6.0,0.2,5.0,4.0,0.4,0.6,0.8,1.0,过渡区,层流区,圆管流动沿程水头损失系数的,尼古拉兹试验曲线,尼古拉兹试验曲线 第一过渡区（层流紊流）：Re2000,尼古拉兹试验曲线,紊流的“水力光滑管”区：,1.5,30.6,60,126,252,3.0,6.0,0.2,5.0,4.0,0.4,0.6,0.8,1.0,过渡区,光滑管,层流区,圆管流动沿程水头损失系数的,尼古拉兹试验曲线,尼古拉兹试验曲线 紊流的“水力光滑管”区：1.530.660,尼古拉兹试验曲线,第二过渡区（“水力光滑管” 区,“,水力粗糙管”区 ）：,过渡粗糙区,1.5,30.6,60,126,252,3.0,6.0,0.2,5.0,4.0,0.4,0.6,0.8,1.0,过渡区,光滑管,层流区,尼古拉兹试验曲线 第二过渡区（“水力光滑管” 区 “水力,尼古拉兹试验曲线,紊流的“水力粗糙管”区（阻力平方区）：,过渡粗糙区,1.5,30.6,60,126,252,3.0,6.0,0.2,5.0,4.0,0.4,0.6,0.8,1.0,粗糙区,过渡区,光滑管,层流区,尼古拉兹试验曲线 紊流的“水力粗糙管”区（阻力平方区）：过渡,二、沿程阻力系数,的计算,由实验数据及损失规律,u,的表达式,v,的表达式,又,即,代入,v,的表达式，得,紊流的“水力光滑管”区：,紊流的“水力粗糙管”区：,人工粗糙管,第二过渡区（“水力光滑管” 区,“,水力粗糙管”区 ）：,Colebrook,公式,工业粗糙管,二、沿程阻力系数的计算由实验数据及损失规律 u 的表达,三、,实用管道流动的沿程水头损失系数,当量粗糙度,实用管道的粗糙是不规则的，须通过实用管道与人工粗糙管道试验结果之比较，把和实用管道断面形状、大小相同，紊流粗糙区 值相等的人工粗糙管道的砂粒高度 定义为实用管道的,当量粗糙度,。,常用管道的当量粗糙度可查表找到。,三、实用管道流动的沿程水头损失系数当量粗糙度,断面平均流速,沿程水头损失,紊流,Re,2300,层流,Re,2300层流Re 23,层流,层流区,过渡区,粗糙区,过渡粗糙区,光滑管,莫迪图,层流层流区过渡区粗糙区过渡粗糙区光滑管莫迪图,谢才系数,明渠均匀流的水力坡度即为水面线坡度,C,水力半径,R,J,第六节 非圆形截面紊流,运动中沿程阻力计算,将计算公式中的特征长度用,水力直径,或,水力半径,取代。,1775,年谢才总结明渠均匀流动的情况，给出计算均匀流动的经验公式,利用谢才公式进行计算,利用原有公式进行计算,谢才系数明渠均匀流的水力坡度即为水面线坡度C水力半径RJ第六,根据谢才公式,说明 相当于我们定义的 ，并无实质上的区别。正,因为如此，谢才公式也常用于有压管道的均匀流动。,曼宁公式,使用谢才公式要注意两点：谢才系数,C,是有量纲,的；确定谢才系数的经验公式主要依据来自于紊流粗糙区的实测资料。,是最常用的，使用米,秒制单位，,n,是边界粗糙系数（糙率），其量纲不甚明确，查表后将相应数值代入公式即可。,根据谢才公式说明 相当于我们定义的 ，并无实质上的,【解】,镀锌管,验算,【例】,长度为,1000m,，内径为,200mm,的普通镀锌,钢管，用来输送 的重油，测得其流量 。问其沿程损失为若干？,故：,采用布拉修斯公式,即： 为水力光滑管,【解】镀锌管验算 【例】长度为1000m，内径为,【解】,冬季时：,层流,夏季时,：,紊流,查莫迪图,【例】,长度为,300m,，直径为,200mm,的新铸铁管，用来输送 的石油，测得其流量 。,如果冬季时， 。夏季时 。,问在冬季和夏季中，此输油管路的沿程损失为若干？,由：,【解】冬季时：层流夏季时：紊流查莫迪图 【例】长,【解】,对,1,1,，,2,2,断面列写能量方程,z,01,，,z,02,明渠两处的底面高程,对均匀流：,h,1,h,2,，,v,1,v,2,则,z,01,z,02,h,f,或,即,i,J,，,说明明渠恒定均匀流的水力坡度等于明渠的底坡。,对明渠,【例】,水在矩形断面渠道作恒定均匀流动，渠道底宽,b,=6m,，,水深,h,=1.2m,，,壁面粗糙系数,n,=0.014,，,渠道底面坡度,i,=10,-4,，,用谢才公式和曼宁公式求明渠的流量,。,v,h,1,h,2,z,01,z,02,l,则,由谢才和曼宁公式,得,【解】对11，22断面列写能量方程z01，z02 ,突然扩大,突然缩小,闸阀,三通汇流,管道弯头,管道进口,分离区,分离区,分离区,分离区,分离区,分离区,分离区,第七节 局部水头损失,有压管道恒定流,遇到管道,边界的,局部突变,流动,分离形成剪切层,剪切层流动不,稳定，引起流动,结构的重新调整，,并,产生旋涡,平,均流动能量转化,成脉动能量，造,成,不可逆的能量,耗散,。,突然扩大突然缩小闸阀三通汇流管道弯头管道进口分离区分离区分离,v,1,A,1,A,2,v,2,1,1,2,2,与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部分损失可以看成是集中损失在管道边界的突变处，每单位重量流体承担的这部分能量损失称为,局部水头损失。,根据能量方程,局部水头损失,认为因边界突变造成的能量损失全部产生在,1-1,，,2-2,两断面之间，,不再考虑沿程损失,。,v1A1A2v21122与沿程因摩擦造成的分布损失不同，这部,v,1,A,1,A,2,v,2,1,1,2,2,局部水头损失系数,突扩圆管,局部水头损失折合成速度水头的比例系数,当上下游断面平均流速不同时，应明确它对应的是哪个速度水头？,其它情况的局部损失系数在查表或使用经验公式确定时也应该注意这一点。通常情况下对应,下游的速度水头,。,v1A1A2v21122局部水头损失系数突扩圆管局部水头损失,（,1,）列写,伯努利方程,（忽略沿程损失）,（,2,）列写,动量方程,（摩擦力忽略不计）,实验证明,：涡流区环形面积上,p,p,1,，,上式同除,gA,2,，,得,则,h,j,1,2,突扩的,局部阻力系数,p,O,O,l,d,2,d,1,v,2,v,1,2,1,1,2,p,1,A,1,p,2,A,2,一、圆管突扩的局部水头损失,G,（1）列写伯努利方程（忽略沿程损失）（2）列写动量方程（摩擦,【解】,对,2,2,，,3,3,列写伯努利方程,则,而,与长度,l,成正比，则,由,得,1,1,2,2,3,3,【例】,已知,1,2,3,及管内流速,v,求阀门,的局部阻力系数,。,1,2,3,l,2,l,v,【解】对22，33列写伯努利方程则而与长度 l 成正比，,减小管壁的粗糙度；,柔性,边壁换为,刚性,边壁,避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度；,如平顺的进口,渐扩或渐缩,弯管曲率半径,二、减小阻力的措施,1.,添加剂减阻,2.,改善边壁对流动的影响,减小管壁的粗糙度；柔性边壁换为刚性边壁二、减小阻力的措施 1,本章作业,习题,4.6,，,习题,4.14,，,习题,4.16,，,习题,4.18,本章作业习题 4.6，,第四章习题解答,4.6,管段,长,l,=20m,，,d,=15cm,，流量,Q,=40L/s,，水温,t,=10C,，水银面高差,h,=8cm,。求,、沿程损失及判断水流形态,。,解：,由温度得,2000,，所以是紊流。,h,l,=20m,又,第四章习题解答4.6 管段长l=20m，d=15cm，流量Q,解：,对两水池液面列伯努利方程,4.14,两水池水位恒定，管径,d,=10cm,，管长,l,=20m,，,=0.042,，,弯,=0.8,，,阀,=0.26,，通过流量,Q,=65L/s,，求水池水面高差,H,。,H,解：对两水池液面列伯努利方程4.14 两水池水位恒定，管径d,解：,列伯努利方程得,4.16,突扩管内流速由,v,1,减到,v,2,，若,d,1,和,v,1,一定，求使测压管液面差,h,成为最大的,v,2,及,d,2,是多少？并求最大,h,值。,h,d,2,d,1,v,2,v,1,时，,h,最大,此时,解：列伯努利方程得4.16 突扩管内流速由v1减到v2，若d,解：,有弯管时,4.18,一段直径,d,=100mm,的管路长,l,=10m,。其中有,2,个,90,的弯管,(,d/R,=1.0),。管段的沿程阻力系数,=0.037,。,如拆除弯管而管段长度不变，作用于管段两端的总水头也不变，问管段中的流量能增加百分之几？,即流量增加,7.65,无弯管时,解：有弯管时4.18 一段直径d=100mm的管路长l=10,紊流,层流,过渡区,m,=,1.75-2.0,m,=,1,由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十分必要的。层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的,1.75,2.0,次方成正比。利用这一点来判别流态比用肉眼直接观察更可靠、更科学。,紊流层流过渡区m=1.75-2.0m=1 由于两种流态,