文档介绍：西华大学
XIHUA UNIVERSITY
交通与汽车工程学院
管路水力计算
第五讲
汽车工程流体力学
课程名称
第三章管路水力计算
层流和湍流
雷诺数
圆管中的层流运动
湍流运动
湍流粘性底层
阻力系数
局部阻力系数
管路水力计算
管路中的水击
西华大学
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交通与汽车工程学院
层流和湍流—雷诺实验
1883年英物理学家雷诺Reynolds经过实验研究发现,管道水力损失规律之所以不同,是因为流体的流动存在着两种不同的流态。
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1. 实验装置
流速较低
整个流场呈一簇相互平行的流线
这种流动状态称为层流(态)
2. 实验现象-1
流速逐渐增大到一定数值
流束开始振荡,处于不稳定状态—过渡态
2. 实验现象-2
流速再增加,流束破裂
流体质点做复杂无规则的运动
这种流动状态称为紊/湍流(态)
2. 实验现象-3
3. 实验总结
层流(Laminar Flow)
流速较小时,玻璃管内的颜色水成一条界限分明的纤流,与周围清水不相混合,表明玻璃管中的水流呈现一种质点互不掺混的层状流动。
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临界流、过渡流(Transitional Flow)
玻璃管内流速增大到某一临界值vc时,颜色水纤流出现抖动。
湍流(Turbulent Flow)
流速继续增大,颜色水纤流破散并与周围清水混合,使玻璃管的整个断面都带颜色,表明此时各层质点相互掺混,质点的运动轨迹极不规则,呈现一种杂乱无章的状态。
4. 正、反向实验
实验曲线分为三部分:
(1)ab段:v<vc 流动为稳定层流
(2)ef 段: v>vc″流动为湍流
(3)be段:vc<v< vc″流动可能是层流(bce段),也可能是湍流(bde段),取决于水流的原来状态。
上临界流速vc″:层流→湍流时的临界流速,它易受外界干扰,数值较大,不稳定。
下临界流速vc:湍流→层流时的临界流速,数值较小,稳定。可作为流态的判别标准。
lgvc
a
b
c
e
d
f
lgv
lghf
lgvc''
O
层流
湍流
过渡区
圆管雷诺数
雷诺通过实验发现
(下)临界雷诺数
圆管流态判别:
层流: Re < 2300
临界流: Re ≈ 2300
湍流: Re > 2300
实验得知:圆管临界雷诺数
雷诺数
非圆管雷诺数
非圆断面管流,同样可以用雷诺数判别流态,需引用一个综合反映断面大小和几何形状对流动影响的特征长度,代替圆管流雷诺数中的直径d,即水力半径。
R—水力半径,m;
A—过流断面面积,m2;
x—湿周,过流断面上流体与固体壁面接触的周界长,m。
雷诺数