流體力學(xué)第五章

1、一、名詞解釋1邊界層:黏性流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，在固體壁面法線方向上存在一速度急劇變化的薄層，稱為邊界層。2管道進(jìn)口段:邊界層相交以前的管段稱為管道進(jìn)口段（或稱起始段），其長度以L*表示。3、粘性底層：緊貼壁面有一因壁面限制而脈動(dòng)消失的層流薄層，其粘滯力使流速使流速急劇下降，速度梯度較大，這一薄層稱為粘性底層。二、簡答題1：何謂普朗特混合長理論？根據(jù)這一理論紊流中的切應(yīng)力應(yīng)如何計(jì)算？答：沿流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向上的脈動(dòng)速度都與時(shí)均速度的梯度有關(guān)。2：什么是水力光滑管與水力粗糙管？與哪些因素有關(guān)？答：當(dāng)粘性底層厚度大于管壁的粗糙突出部分時(shí)，粘性底層完全淹沒了管壁的粗糙突出部分。這時(shí)紊流完全感受不

2、到管壁粗糙度的影響，流體好像在完全光滑的管子中流動(dòng)一樣。這種情況的管內(nèi)流動(dòng)稱作“水力光滑”或簡稱“光滑管”當(dāng)粘性底層厚度小于管壁的粗糙突出部分時(shí)，管壁的粗糙突出部分有一部分或大部分暴露在紊流區(qū)中，當(dāng)流體流過突出部分時(shí)，將產(chǎn)生漩渦，造成新的能量損失，管壁粗糙度將對(duì)紊流產(chǎn)生影響。這種情況的管內(nèi)紊流稱作“水力粗糙”或簡稱“粗糙管”對(duì)于同樣的管子，其流動(dòng)處于水力光滑或水力粗糙取要看雷諾數(shù)的大小。3、黏性流體總體的伯努利方程及適用條件？黏性流體總體的伯努利方程：z+匕+a性二z+pZL1Pg12g2pg22g適用條件：（D流動(dòng)為定常流動(dòng)；流體為黏性不可壓縮的重力流體；列方程的兩過流斷面必須是緩變流截面，

3、而不必顧及兩截面間是否有急變流。4、黏性流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的損失有哪幾種？分別怎么計(jì)算？答：沿程損失是發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，是由流體的粘滯力造成的損失。單位重力作用下流體的沿程損失可用達(dá)西一魏斯巴赫公式計(jì)算。hL。fd2g局部損失發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中，單位重力作用下流體流過某個(gè)局部件時(shí)，產(chǎn)生的能量損失:h=匚v。j2g總能量損失：h二工h+工hWfj5、試從流動(dòng)特征、速度分布、切應(yīng)分布以及水頭損失等方面來比較圓管中的層流和紊流特性。流動(dòng)特征層流流動(dòng)：微通道和速度低、黏性大。紊流流動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，做無定向、無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素具有隨機(jī)性；紊流質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞，導(dǎo)

4、致流體質(zhì)點(diǎn)間進(jìn)行劇烈的質(zhì)量、動(dòng)量、熱量等物理量的輸運(yùn)、交換、混合等；除黏性消耗一部分能量外，紊流附加切應(yīng)力會(huì)引起更大的耗能。速度分布：v一r2=r2d(p+pgh)圓管中的層流流動(dòng)，其流速的分14卩dl布規(guī)律為旋轉(zhuǎn)拋物面。紊流流動(dòng)由于流動(dòng)機(jī)制不同于層流，其速度分布和層流有根本的不同。在靠近管軸的大部分區(qū)域內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)的橫向脈動(dòng)使層流間進(jìn)行的動(dòng)量交換較為劇烈，速度趨為均勻，速度梯度較小，該區(qū)域稱為紊流充分發(fā)展區(qū)或紊流核區(qū)。由于緊貼壁面有一因壁面限制而脈動(dòng)消失的層流薄層，其粘滯力使流速急劇下降，速度梯度較大，這一薄層稱為黏性底層。切應(yīng)力分布：T一丿(p+pgh)黏性流體在圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，2dl

5、同一截面上的切向應(yīng)力的大小與半徑成正比，同樣適用于圓管中的紊流流動(dòng)。6結(jié)合尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線簡述各分區(qū)及其影響因素。層流區(qū)。R2320且“64R。該區(qū)域內(nèi)，管壁的相對(duì)粗糙度與沿ee程損失系數(shù)無關(guān)。過渡區(qū)。可能是層流也可能是紊流。紊流光滑區(qū)。該區(qū)域沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度無關(guān)，只與雷諾數(shù)有關(guān)。紊流粗糙管過渡區(qū)。此過程中，隨雷諾數(shù)的增大，黏性底層逐漸減弱，水力光滑管逐漸變?yōu)樗Υ植诠?，進(jìn)入粗糙管過渡區(qū)。該區(qū)域的沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度、雷諾數(shù)有關(guān)。紊流粗糙管平方阻力區(qū)。沿程損失系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)，只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。三、計(jì)算題例如圖所喬為用于測(cè)試新閥門壓強(qiáng)降的設(shè)備.2】匸的水從一容器通過銳邊入門進(jìn)入筲

6、系+鋼管的內(nèi)輕均対5山1*絕対粗糙度為曲】嘰行路中三個(gè)彎管的管徑和曲率半徑之比d/W旳水泵保持穩(wěn)定的流/h,若在緒定流量下水俶養(yǎng)用計(jì)的示數(shù)人mm（門求水通過閥門的圧強(qiáng)降*計(jì)算水逋過閥門的局部損失系數(shù)：O）訐算閥門前水的計(jì)示壓強(qiáng)：（4）不計(jì)水泵損失，求逋過該聚統(tǒng)的總損失”井計(jì)算水衆(zhòng)供給水的功率.【解】管內(nèi)的平均流遠(yuǎn)為=1.699nifs4乞_4x12霽3.14xO.O52x3600閥門流體尊閥門的壓強(qiáng)降印=(pH：,-p)gh=(13600-100Qx9.807xO15=18522(2)觸鬥的局部損失系數(shù)2由竺2gpg解得宀QV-2x18522lOOOxl.6992=12.83(3)計(jì)算閥門前的

7、計(jì)示壓強(qiáng)，由于要用到粘性流休的伯努里方程,必瀕用有先已知量確M方稈中的沿程損失系數(shù)*2PC的A嚓度Q近似取0(X)kg/m3,Jj粘度丸1+0.033+0.00022121.792x11+0.0337x21+0.000221=21-=0.993x10-Pa,s管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)為1000 x1.699x0.050.993x10-=855xl0426.98X(J/e)sn=26.9SX(.50/0.04)fl/7=9.J4X104由于4000Re26.98X(die)可按紊流光滑管的有關(guān)公式計(jì)算沿程損矢系數(shù).又由于4000ReIO所以沿樓損先系數(shù)的計(jì)算町用勃拉修斯公式即q0.3164Z=0.316

8、4Re025(8.55x1O4)=O185忖逍入I的周部損先系數(shù)：二0.5報(bào)據(jù)粘性流體的伯努里方程可解得卩=1用-(1+彳+兄)2Ljpgl2g469Q21.8-(I十0.54-0,0185x：一xl000 x9,807=133170.052x9.807hIIIIII諾數(shù)Re=試求管內(nèi)=0.15mm的均勻沙粒人工粗糙管時(shí)，其沿程損失dfO.3(4)根據(jù)己知條件d/R=0.1查表，彎管的局部阻力系數(shù)=0.131、在管徑d=100mm、管長L=300m的圓管中流動(dòng)著t=10的水，雷解：10C時(shí)，i/=L3Lm2總損失h嚴(yán)為打遷旳計(jì)單位返嚴(yán)流體經(jīng)過水泵時(shí)錢紂的能彊人hp、列水箱液面利水管出11的伯勢(shì)

9、里方程20=(2-1.8)+-/if+AHy2i6Q92由”式可解得/i=(2-1.8)+-+/!=0.2+2.70=3.047mH.Op2g2x9,807-Re=-x80000=1.04m/sd0.1rIV2d2g關(guān)鍵在確定三種情況的阻力系數(shù)2(1)管內(nèi)壁為K=0.15mm的溝勻砂粒時(shí)/d=0.0015,Re=80000,杳圖4-11得2=042故/23),142提示；屬于紊流過渡區(qū)知=A-0.02XX-=3.31m均勻粗糙管只能杳尼古心01196拉茲圖4U水泵的功率P為P=卩飢鳳=1000 x9.807x-x3.Q47=99.61w3600在圖5-22所示并聯(lián)管道中1i=900m=0.00

10、03m;l=600m,d=0.2m,=0.00003m;l=1200m,d=0.4m,TOC o 1-5 h z22233=0.000024m；u=1X10-6m2/s,p=998kg/m3,p=9.807X3A105pa,z=z=20m,若總流量q=0.4m3/s.求每個(gè)分支管道的流量q和BABvvi點(diǎn)的壓強(qiáng)PB.解由于管道很長，局部損失忽略不計(jì)。按式(5-42)，式(5-43)計(jì)算沿程損害系數(shù)。對(duì)于管1，試取q=0.1m3/s.則v=1.415m/s,R=424413，由于v11e1/d=0.001,可算得入=0.02143.111hf1=0.02143X(900/0.3)X(1.4152

11、/(2X9.807)=6.563m對(duì)于管2入2X(600/0.2)X(u22/(2X9.807)=6.563m由于2/d2=0.00015,試取入2=0.016,則u2=1.638m/s,Re2=327524VR=2.333X107,在試取入=0.01632.則u=1.621m/s,R=324279,eb222e2入2=0.01634,故有q=n/4X0.22X1.621=0.0509m3/sv2對(duì)于管3入3X1200/0.4Xu23/2X9.807=6.563m由于/d=0.00006,試取入=0.014，則u=1.75m/s,R=700276VTOC o 1-5 h z3333e3R=2.

12、333X107，入=0.01384。以入為試取值，則eb233u=1.76m/s,R=704346,A=0.01383,故有3e33q=n/4X0.42X1.76=0.2212m3/sv3工q=0.1+0.0509+0.2212=0.3721m3/sv流量的分配為qvi=(0.1/D.3721)X0.4=0.1075m3/sqv2=(0.0509/D.3721)X0.4=0.0547m3/sQv3=(0.2212/0.3721)X0.4=0.2378m3/s校核hu=1.521m/s,R=456244，入=0.02138,h=7.565mTOC o 1-5 h zf1el1flu=1.741m/s,R=348231，入=0.01622,h=7.521me22f2u=1.892m/s,R=756941，入=0.01373h=7.5517me33f3Hf1,hf2與hf3之間的最大誤差不超過1%,這在工程商事允許的，可取平均損失水頭hf=7.534m作為計(jì)算的依據(jù)，由于Za+PA/Pg=ZB+P