《流體力學與流體機械》 課件 模塊四 粘性流體流動及阻力

模塊四黏性流體流動及阻力演講人

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

本模塊首先分析流動阻力產(chǎn)生的原因，介紹流動狀態(tài)及流態(tài)判別準則，進而研究黏性流體的層流和紊流，最后討論流場中物體所受到的阻力問題。項目一黏性流體的流動狀態(tài)及流動阻力項目一黏性流體的流動狀態(tài)及流動阻力【學習目標】掌握黏性流體的兩種流動狀態(tài)及對流態(tài)的判別標準；掌握研究流動狀態(tài)雷諾實驗的實驗原理及意義；掌握流動阻力的兩種形式及流動阻力系數(shù)的意義；掌握沿程損失與局部損失的成因及計算方法。黏性流體的流動狀態(tài)--雷諾實驗

從19實際初期起，通過實驗研究和工程實踐，人們注意到了流體流動的能量損失的規(guī)律和流動狀態(tài)密切相關(guān)。直到1883年，英國科學家雷諾所進行的著名實驗才進一步證明了實際流體存在兩種不同的流動狀態(tài)和能量損失與流速之間的關(guān)系。雷諾實驗是流體力學中的重要實驗之一。雷諾實驗裝置如圖4-1所示。

圖4-1雷諾實驗裝置雷諾實驗

圖4-2沿程損失與速度的關(guān)系流態(tài)判別準則——雷諾數(shù)當研究流體繞物體流動時，雷諾數(shù)定義為：故管中的水處于紊流狀態(tài)。黏性流體的流動阻力黏性流體在流動過程中，流體之間的相對運動而產(chǎn)生切應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流體的部分機械能不可逆轉(zhuǎn)化為熱能，引起流體機械能損失，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械能損失分成了沿程損失和局部損失，在實際的計算中，整個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.尼古拉茨實驗圖4-3尼古拉茨實驗曲線表4-1各種管道壁面的當量粗糙度△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.端面突然擴大圖4-5斷面突然擴大局部阻力系數(shù)對斷面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，由動量方程得此即斷面突然擴大的局部損失計算公式，稱為包達公式。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)局部裝置的當量管長幾種常見局部裝置的當量管長列于表4—3中，供使用時參考。局部阻力系數(shù)能量損失的疊加當一條管路中包含有若干個局部裝置時，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，它是計算管路總損失的基本公式。為便于應用，可將它變?yōu)楦啙嵉男问剑壕植孔枇ο禂?shù)習題與思考題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，當流速相等時，它們的雷諾數(shù)是否相等？當流過不同的流體時，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習題8圖圖4-8習題9圖項目二流體在圓管中的流動項目二流體在圓管中的流動【學習目標】掌握流體在圓管中的流動狀態(tài)及流動規(guī)律；掌握流體在圓管中流動時的流速分布、應力分布及損失等。圓管中的層流流動--速度分布圖4-9圓管中的層流流動將此式代入式（B），得（二）流量和平均速度（三）內(nèi)摩擦應力分布速度分布（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，這與雷諾實驗的結(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均為層流，沿程阻力系數(shù)可用式（4-21）計算，再由達西公式（4-5）得相應的沿程損失為：圓管中的紊流流動除少數(shù)情況外，工程上最常見的還是紊流流動。紊流十分復雜，到目前為止，對它的研究基本上還是在一定假設條件下，通過理論分析和實驗驗證，總結(jié)出一些半理論半經(jīng)驗的公式。脈動現(xiàn)象和均時化的概念紊流中，流體質(zhì)點經(jīng)過某一固定點時，速度、壓力等總是隨時間變化，而且毫無規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動。圖4-10圓管中的紊流脈動現(xiàn)象和均時化的概念圖4-11時均速度時均速度和時均壓力的引入，給研究紊流流動帶來了極大的方便，只需將流體的紊流流動看成是以時均速度、時均壓力等在流動，前面所述的一切概念可直接用于紊流中。有一點應當注意，對紊流的時均化處理只是研究紊流的一種方法，并不能改變紊流的實質(zhì)。當研究紊流阻力時，必須考慮質(zhì)點混雜運動和動量交換的影響。紊流中的切應力在紊流中，除了沿主流方向的運動外，流體質(zhì)點還有垂直于主流方向的脈動，如圖4-12所示。圖4-12脈動速度（三）水力光滑管與水力粗糙管紊流中的切應力（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數(shù)規(guī)律分布的，如圖4-13所示（實線）。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，即習題與思考題1.什么是紊流的時均化？怎樣理解定常紊流和非定常紊流？2.何謂層流底層？其厚度對紊流區(qū)的流動有何影響？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？項目三縫隙流【學習目標】掌握流體在通道內(nèi)流動的一般特性；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。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)摩擦應力為線性分布，即以上結(jié)果是針對平行平板縫隙流的討論得出的，但對同心環(huán)形縫隙中的軸向流動也適用。下面分三種情況進一步討論。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：這種情況可以簡化為兩固定平行平板間的流動問題。缸內(nèi)油的相對壓力為：泄露量為偏心環(huán)形縫隙流嚴格來說，工程實際中同心環(huán)形