文档介绍：第四章管路的水力计算
§ 粘性流体的两种流动状态
§ 管路的水力计算
§ 管路中的水击
§ 孔口与管嘴出流
§ 粘性流体的两种流动状态
在不同的初始和边界条件下,粘性流体质点的运动会出现两种不同的运动状态,一种是所有流体质点作定向有规则的运动,另一种是作无规则不定向的混杂运动。前者称为层流状态,后者称为湍流状态(别称紊流状态)。首先是英国物理学家雷诺在1883年用实验证明了两种流态的存在,确定了流态的判别方法。
一、雷诺实验
如图为雷诺实验装置。
打开阀门A、B,当玻
璃管中流速较小时,
可看到颜色水在玻璃
管中呈明显的直线形
状且很稳定,这说明此时整个管中的水都是作平行于轴向流动,流体质点没有横向运动,不互相混杂,为层流状态,如a所示。将阀A逐渐开大颜色水开始抖动,直线形状破坏,为过渡状态,如b所示。当阀门开大到一定程度,颜色水不再保持完整形态,而破裂成如c所示的杂乱无章、瞬息变化的状态。这说明此时管中流体质点有剧烈的互相混杂,质点运动速度不仅在轴向而且在纵向均有不规则的脉动现象,此为湍流状态。
如果此时将阀门关小,紊乱现象逐渐减轻,管中流速降低到一定程度时,颜色水又恢复直线形状出现层流。
二、流态的判别
上临界流速:从层流变紊流时的平均速度。
下临界流速:从紊流变层流时的平均速度。
由雷诺实验,流体呈何种运动状态与管径、流体的粘度以及速度有关。如果管径或运动粘度改变,则临界流速也随之而变,但却是一定的。将这一无量纲数称为雷诺数Re,对应于上、下临界流速有上、下临界雷诺数
雷诺通过实验知:下临界雷诺数为一定值,而上临界雷诺数与实验遇到的外界扰动有关。所以一般以下临界雷诺数判别流态,即
§ 管路的水力计算
一、流动阻力及能量损失的两种形式
1、沿程阻力与沿程损失
粘性流体运动时,由于流体的粘性形成阻碍流体运动的力称为沿程阻力。流体克服沿程阻力所消耗的机械能称为沿程损失。单位重量流体的沿程损失称为沿程水头损失为
其中称为沿程阻力系数,它与雷诺数和管道表面的粗糙度有关,是一个无量纲数,由实验确定。
2、局部阻力与局部损失
粘性流体流经各种局部障碍装置时,由于过流断面变化
流动方向改变,速度重新分布,质点间进行动量交换而产生的阻力称为局部阻力。流体克服局部阻力所消耗的机械能称为局部损失。单位重量流体的局部损失称为局部水头损失为
其中: 为局部阻力系数,是一个由实验确定的无量纲数。
工程上的管路系统既有直管段又有阀门弯头等局部管件。在应用总流伯努利方程进行管路水力计算时,所取两断面之间的能量损失既有沿程损失又有局部损失。应分段计算再叠加,即
二、圆管层流运动
这里讨论不可压缩粘性流体在等截面水平直圆管中的定
常层流运动。
如图,在定常流动中,作用在圆柱流束上的外力在y方向的投影和为零。即
又粘性流体作层流运动,满足牛顿内摩擦定律
代入上式得
1、速度分布
对上式积分得
即
上式为圆管层流的速度分布公式,表明断面速度沿半径r呈抛物线分布,如右上图。
2、流量和平均流速
由速度分布可求通过断面的流
量q。如右下图半径为r处宽度为dr
的微小环形面积流量为,
则通过断面的总流量为
所以
管中平均流速为
因
所以
3、切应力

此式说明在圆管层流过流断面上,切应力与半径成正比,其分布规律如右图。
4、沿程损失
由伯努利方程,并考虑到等截面水平直管,则沿程水头损失就是管路两断面间压力水头之差,即
因, 则
则层流沿程阻力系数
由以上讨论可以看出,层流运动的沿程水头损失与平均流速的一次方成正比,其沿程阻力系数只与雷诺数有关,这些结论已被实验所证实。