第五章 粘性流体流动及阻力

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1、1第五章 粘性流体流动及阻力 任务：任务：1.流动阻力产生的原因，流动阻力产生的原因，2.流动状态，流动状态，3.层流和紊流，层流和紊流，4.绕流阻力问题。绕流阻力问题。内容：内容：第一节流动阻力的分类第一节流动阻力的分类第二节粘性流体的两种流动状态第二节粘性流体的两种流动状态第三节附面层和管流起始段的概念第三节附面层和管流起始段的概念第四节圆管中的层流运动第四节圆管中的层流运动第五节缝隙流第五节缝隙流第六节圆管中的紊流运动第六节圆管中的紊流运动第七节不可压缩流体绕流物体的运动第七节不可压缩流体绕流物体的运动2第五章 粘性流体流动及阻力 第一节第一节 流动阻力的分类流动阻力的分类一、一、 沿程

2、阻力及沿程损失沿程阻力及沿程损失沿程阻力是指流体在过流断面沿程不变的均匀流道沿程阻力是指流体在过流断面沿程不变的均匀流道中所受的流动阻力。由此所发生的能量损失称为沿程损中所受的流动阻力。由此所发生的能量损失称为沿程损失。失。二、局部阻力及局部损失二、局部阻力及局部损失局部阻力是指流体流过局部装置局部阻力是指流体流过局部装置(如阀门、弯头、如阀门、弯头、断面突然变化的流道等断面突然变化的流道等)时，也就是发生在急变流中的时，也就是发生在急变流中的阻力。由此所发生的能量损失称为局部损失。阻力。由此所发生的能量损失称为局部损失。3水平基准线水平基准线位置水头线位置水头线粘性流体总水头线粘性流体总水头

3、线oo理想流体总水头线理想流体总水头线第一节第一节 流动阻力的分类流动阻力的分类hfhjhw=hf+hjhw=hf+ hj4第二节 粘性流体的两种流动状态 一、一、 雷诺实验雷诺实验 目的：目的：观察流态；研究观察流态；研究h hf f 。原理：原理：1.1.黑色水和透明水同时流入透明的管内。黑色水和透明水同时流入透明的管内。2.2.伯诺里方程。伯诺里方程。装置：装置：5第二节 粘性流体的两种流动状态 一、一、 雷诺实验雷诺实验 步骤：步骤：1.阀阀5的开度从的开度从0到最大，观察流态，测量到最大，观察流态，测量hf 、v；2.阀阀5的开度从最大到的开度从最大到0，观察流态，测量，观察流态，测

4、量hf 、v；结果：结果：紊流紊流层流层流cvcv6第二节 粘性流体的两种流动状态 一、 雷诺实验 hf=kvm 层流，层流，m=1。紊流，紊流，m=1.752。层流层流紊流紊流过渡区过渡区7 18831883年，雷诺试验表明：圆管中年，雷诺试验表明：圆管中恒恒定流动的流态转化取决于定流动的流态转化取决于雷诺数雷诺数vdRe d 是圆管直径，是圆管直径，v 是断面平均流速，是断面平均流速， 是流体的运动粘性系数。是流体的运动粘性系数。 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。针对圆管中恒定流动与

5、粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中恒定流动的情况，容易理解：减小的情况，容易理解：减小 d ，减小，减小 v ，加大，加大 三种途径都是三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。 第二节 粘性流体的两种流动状态 8+-+-高速流层高速流层低速流层低速流层 任意流层之上下侧的任意流层之上下侧的切应力构成顺时针方向切应力构成顺时针方向的力矩，有促使旋涡产的力矩，有促使旋涡产生的倾向。生的倾向。第二节 粘性流体的两种流动状态9旋涡受升

6、力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺旋涡受升力而升降，产生横向运动，引起流体层之间的混掺涡体涡体第二节 粘性流体的两种流动状态10 紊流的发生紊流的发生紊流发生的机理是十分复杂的，下面给出一种粗浅的描述。紊流发生的机理是十分复杂的，下面给出一种粗浅的描述。层流流动的稳定层流流动的稳定性丧失（雷诺数性丧失（雷诺数达到临界雷诺数）达到临界雷诺数）扰动使某流层发扰动使某流层发生微小的波动生微小的波动流速使波动流速使波动幅度加剧幅度加剧在横向压差与切应力的在横向压差与切应力的综合作用下形成旋涡综合作用下形成旋涡旋涡受升旋涡受升力而升降力而升降引起流体引起流体层之间的层之间的混掺混掺造成造成新的

7、新的扰动扰动第二节 粘性流体的两种流动状态11粘性稳定粘性稳定扰动因素扰动因素 d v 利于稳定利于稳定 圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数，这是客观规律用圆管中恒定流动的流态转化仅取决于雷诺数，这是客观规律用无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。无量纲量表达的又一例证，也是粘性相似准则的实际应用。对比抗衡第二节 粘性流体的两种流动状态 12二、 流态判别准则雷诺数 vdvdRe时，紊流时，层流ccvdRe2320ReRe时，紊流时，层流20002000Reivd时，紊流时，层流12001200Reivd一切有压流一切有压流一切无压流一切无压流13第三节 附面层的概念 沿壁面

8、的法线方向一个速度逐渐增加的区域，这沿壁面的法线方向一个速度逐渐增加的区域，这就是附面层。就是附面层。速度从壁面处的零增加到速度从壁面处的零增加到0.99u时的法线方向的时的法线方向的距离，定义为附面层厚度，用距离，定义为附面层厚度，用表示。表示。 Rex = ux/ 14第三节 附面层的概念 附面层分离15第四节 圆管中的层流流动 本节讨论粘性不可压缩粘性流体在等径直管中的定本节讨论粘性不可压缩粘性流体在等径直管中的定常层流流动规律。常层流流动规律。速度分布流量和平均流速内摩擦应力分布沿程损失 16rdx第四节 圆管中的层流流动 一、 速度分布 因为在直管中的流动定常不可压，所以微元柱体因为

9、在直管中的流动定常不可压，所以微元柱体作匀速直线运动。作匀速直线运动。Fx = 0。xr1pdxxppp12G0sin222221dxrdxrrprpFx17第四节 圆管中的层流流动 一、 速度分布 xrdx1pdxxppp12Gzxsinzx sinzxdxdurdrduxzp2因为流动因为流动轴对称，轴对称，u仅仅仅是仅是r的函数的函数因为缓变因为缓变流，流，p/+z仅仅仅仅是是x的函数的函数18第四节 圆管中的层流流动 一、 速度分布 xrdx1pdxxppp12Gzx1z2z列微元柱体两列微元柱体两端的能量方程端的能量方程19第四节 圆管中的层流流动 一、 速度分布 xrdx1pdxx

10、ppp12Gzx1z2z常数irdrdudxdhf20,0urr)(4220rriu20max4riu20二、 流量和平均速度0002200422rrrdrrrirdruQxrrdr21三、 内摩擦应力分布 )(4220rriuxrdrdu对层流和紊流对层流和紊流都适用。都适用。22四、 沿程损失 gvdlhf22dldhif22324didQvgvdlhf2Re642Re6423补充例题一补充例题一=850kg/m3、 v=1.810-5m2/s的油，在管径的油，在管径100mm的管中的管中以平均速度以平均速度v=0.0635m/s的速度作层流运动，求的速度作层流运动，求 （1）管中心处）管

11、中心处的最大流速；（的最大流速；（2）在离管中心）在离管中心r=20mm处的流速；（处的流速；（3）沿程阻）沿程阻力系数力系数 ；（；（4）管壁切应力）管壁切应力0及每及每km管长的水头损失。管长的水头损失。 解解:(1)max2221324udidQvsmvu/127. 00635. 022max(2)(4220rriu20max4riu)02. 0(4220riu20220max02. 0rruusmu/107. 024补充例题一补充例题一=850kg/m3、 v=1.810-5m2/s的油，在管径的油，在管径100mm的管中的管中以平均速度以平均速度v=0.0635m/s的速度作层流运动