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第六章 管内流动和水力计算 液体出流

第六章 管内流动和水力计算 液体出流. 第六章 管流损失和水力计算. §6.1 管内流动的能量损失. §6.2 粘性流体的两种流动状态. §6.3 管道入口段中的流动. §6.4 圆管中流体的层流流动. §6.5 粘性流体的紊流流动. §6.6 沿程损失的实验研究. §6.7 非圆形管道沿程损失的计算. §6.8 局部损失. §6.9 综合应用举例. 第六章 管流损失和水力计算. §6.10 管道水力计算. §6.11 液体的出流. §6.12 水击现象. §6.13 气穴和汽蚀现象. 管道输送的应用.

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第六章 管内流动和水力计算 液体出流

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Presentation Transcript

  1. 第六章 管内流动和水力计算 液体出流

  2. 第六章 管流损失和水力计算 §6.1 管内流动的能量损失 §6.2 粘性流体的两种流动状态 §6.3 管道入口段中的流动 §6.4 圆管中流体的层流流动 §6.5粘性流体的紊流流动 §6.6 沿程损失的实验研究 §6.7 非圆形管道沿程损失的计算 §6.8 局部损失 §6.9 综合应用举例

  3. 第六章 管流损失和水力计算 §6.10管道水力计算 §6.11液体的出流 §6.12水击现象 §6.13气穴和汽蚀现象

  4. 管道输送的应用 管道输送稳定可靠，不受外界因素的影响。 安全性好，管理简单，不需装车却车环节。 管道输送有很好的经济特性。

  5. 概述 一、章目解析 1 .从力学观点看，本章研究的是管道水流阻力 产生水流阻力的原因： • 内因：粘性＋惯性； • 外因：外界干扰。 2 .从能量观点看，本章研究的是能量损失（水头损失）

  6. §6.1 管内流动的能量损失 两大类流动能量损失: 1.沿程能量损失 2.局部能量损失 一、沿程能量损失 发生在缓变流整个流程中的能量损失，由流体的粘滞力造成的损失。 ——单位重力流体的沿程能量损失 ——管道内径 ——管道长度 ——沿程损失系数 ——单位重力流体的动压头（速度水头）。

  7. §6.1 管内流动的能量损失 二、局部能量损失 发生在流动状态急剧变化的急变流中的能量损失，即在管件附近的局部范围内主要由流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。 ——单位重力流体的局部能量损失。 ——局部损失系数 ——单位重力流体的动压头（速度水头）。

  8. §6.1 管内流动的能量损失 三、总能量损失 整个管道的能量损失是分段计算出的能量损失的叠加。 ——总能量损失。

  9. 颜料 细管 玻璃管 水箱 阀门 §6.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验 实验装置

  10. §6.2 粘性流体的两种流动状态 测定损失 观察流态 1883

  11. 层流 过渡状态 紊流 §6.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验(续) 实验现象 层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。着色流束为一条明晰细小的直线。 过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振荡。 紊流：流体质点作复杂的无规则的运动。着色流束与周围流体相混，颜色扩散至整个玻璃管。

  12. 层流Laminar flow, steady flow 过渡Transition 紊流Turbulent flow, unsteady

  13. §6.2 粘性流体的两种流动状态 一、雷诺实验(续) 实验现象(续)

  14. §6.2 粘性流体的两种流动状态 层流 紊流

  15. §6.2 粘性流体的两种流动状态 二、两种流动状态的判定 1、实验发现 流动较稳定 流动不稳定 2、临界流速 层 流： ——下临界流速 不稳定流： ——上临界流速 紊 流：

  16. D C B E 过渡区 紊流 层流 A 临界速度与雷诺数Critical velocity and Reynolds Number • 上临界速度Vc(从层流到紊流)unstable uncertain • 下临界速度Vc’ (从紊流到层流) stable

  17. §6.2 粘性流体的两种流动状态 二、两种流动状态的判定（续） 3、临界雷诺数 雷诺数 层 流： ——下临界雷诺数 不稳定流： ——上临界雷诺数 紊 流： 工程上常用的圆管临界雷诺数 层 流： 紊 流：

  18. 2、 在观察现象的同时，测量 ，绘制 的关系曲线。 • 层流： • 紊流： §6.2 粘性流体的两种流动状态 三、沿程损失与流动状态

  19. §6.2 粘性流体的两种流动状态 三、沿程损失与流动状态 实验装置

  20. D hj 层流： C 紊流： B A O vcr v v’cr §6.2 粘性流体的两种流动状态 三、沿程损失与流动状态(续) 实验结果 结论： 沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。

  21. D C • 层流： B E • 紊流： 过渡区 紊流 层流 A

  22. f lghw e d c b a laminar lgVe lgVe’ lgV turbulence transition

  23. 2、层流湍流的形成原因

  24. 3.Hydraulic Diameter

  25. §6.3 管道入口段中的流动 一、边界层 当粘性流体流经固体壁面时，在固体壁面与流体主流之间必定有一个流速变化的区域，在高速流中这个区域是个薄层，称为边界层。

  26. L* 层流边界层 完全发展的流动 紊流边界层 L* §6.3 管道入口段中的流动 二、管道入口段 当粘性流体流入圆管,由于受管壁的影响,在管壁上形成边界层,随着流动的深入,边界层不断增厚,直至边界层在管轴处相交,边界层相交以前的管段,称为管道入口段。

  27. L* 层流边界层 完全发展的流动 紊流边界层 L* §6.3 管道入口段中的流动 二、管道入口段(续) 入口段内和入口段后速度分布特征 各截面速度分布不断变化 入口段内: 入口段后: 各截面速度分布均相同

  28. §6.4 圆管中流体的层流流动 • 应用情况 石油运输、化工管道地下渗流、机械润滑、燃料供给、机床静压支承、滑动轴承、液压传动等

  29. x  p+(δp/l)δl g r0 r p mg  h δl  §6.4 圆管中流体的层流流动 以倾斜角为的圆截面直管道的不可压缩粘性流体的定常层流流动为例。 受力分析： 重 力: 两端面总压力: 侧面的粘滞力:

  30. x g p+(p/l)dl r0 r p mg h   δl  §6.4 圆管中流体的层流流动 一、切向应力分布 列力平衡方程 两边同除r2δl得 由于 得，

  31. §6.4 圆管中流体的层流流动 二、速度分布 代入 将 得， 对r积分得， 当r= r0时 vx=0，得 故：

  32. §6.4 圆管中流体的层流流动 三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降 1. 最大流速 管轴处: 2. 平均流速 3. 圆管流量 水平管:

  33. §6.4 圆管中流体的层流流动 三、最大流速、平均流速、圆管流量、压强降(续) 4. 压强降(流动损失) 水平管: 结论： 层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。

  34. 沿程损失 • 1）压力损失

  35. 水头损失

  36. 达西公式

  37. 3) Power loss Hagen-Poiseuille law

  38. 粘性流体的两种流动状态 层流 紊流

  39. §6.5 粘性流体的紊流流动 一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动 1. 紊流流动 流体质点相互掺混，作无定向、无规则的运动，运动在时间和空间都是具有随机性质的运动,属于非定常流动。

  40. §6.5 粘性流体的紊流流动 一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续) 2.时均值、脉动值 在时间间隔t 内某一流动参量的平均值称为该流动参量的时均值。 某一流动参量的瞬时值与时均值之差，称为该流动参量的脉动值。 瞬时值 时均值 脉动值

  41. §6.5 粘性流体的紊流流动 一、紊流流动、时均值、脉动值、时均定常流动(续) 3.时均定常流动 空间各点的时均值不随时间改变的紊流流动称为时均定常流动，或定常流动、准定常流动。

  42. §6.5 粘性流体的紊流流动 二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度 1.紊流中的切向应力 摩擦切向应力 层流： 液体质点的脉动导致了质量交换，形成了动量交换和质点混掺，从而在液层交界面上产生了紊流附加切应力 摩擦切向应力 紊流： + 附加切向应力 由动量定律可知： 动量增量等于紊流附加切应力△T产生的冲量

  43. §6.5 粘性流体的紊流流动 二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长度 (1)流体微团在从某流速的流层因脉动vy'进入另一流速的流层时，在运动的距离l（普兰特称此为混合长度）内，微团保持其本来的流动特征不变。 普朗特假设: (2)脉动速度与时均流速差成比例

  44. §6.5 粘性流体的紊流流动 二、紊流中的切向应力 普朗特混合长度(续) 2.普朗特混合长度(续)

  45. §6.5 粘性流体的紊流流动 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失 1.粘性底层 、圆管中紊流的区划、水力光滑与水力粗糙 粘性流体在圆管中紊流流动时，紧贴固体壁面有一层很薄的流体，受壁面的限制，脉动运动几乎完全消失，粘滞起主导作用，基本保持着层流状态，这一薄层称为粘性底层。 粘性底层: 圆管中紊流的区划: 1.粘性底层区 2.由粘性底层区到紊流充分发展的中心区的过渡区 3.紊流充分发展的中心区

  46. §6.5 粘性流体的紊流流动 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续) 1.粘性底层 、圆管中紊流的区划、水力光滑与水力粗糙(续) 水力光滑与水力粗糙 粘性底层厚度： 管壁的粗糙凸出的平均高度： 水力光滑： >  紊流区域完全感受不到管壁粗糙度的影响。 管壁的粗糙凸出部分有一部分暴露在紊流区中，管壁粗糙度紊流流动发生影响。 水力粗糙： < 

  47. ε 水力光滑与水力粗糙 ε- 管壁绝对粗糙度 δ- 粘性底层的厚度

  48. §6.5 粘性流体的紊流流动 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续) 2.圆管中紊流的速度分布 (1)光滑平壁面 切向应力速度(摩擦速度) 假设整个区域内= w=常数 粘性底层内 粘性底层外 因

  49. §6.5 粘性流体的紊流流动 三、圆管中紊流的速度分布和沿程损失(续) 2.圆管中紊流的速度分布(续) (2)光滑直管 速度分布: 具有与平壁近似的公式 最大速度: 平均速度:

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