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文檔簡介
第五章管中流動
討論不可壓縮流體在管中的運動規(guī)律?!?-1雷諾實驗
通過雷諾實驗觀察流體的流動變化。
改變流動速度,如果管中流體沿軸向直線流動,流體質點沒有橫向運動、不互相混雜,則為層流;如果管中流體擴散,流體質點有劇烈的相互混雜,軸向、橫向均有不規(guī)則脈動,則為湍流。一、臨界速度與雷諾數(shù)
從層流轉變?yōu)橥牧鞯钠骄俣确Q為上臨界速度,此時的無量綱數(shù)稱為上臨界雷諾數(shù);從湍流轉變到層流的平均速度稱為下臨界速度,此時的無量綱數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)。
雷諾實驗測得上、下臨界雷諾數(shù)為可據(jù)此判斷:時,管中流動狀態(tài)是層流。時,管中流動狀態(tài)是湍流。時,層流、湍流都可能,湍流居多。
二、層流湍流形成原因簡析雷諾數(shù)代表慣性力與粘性力之比。較小時,支配流動的主導因素是粘性力,方向與流動方向相同或相反,流體質點不會偏離,形成層流。較大超過臨界值時,慣性力成為主導因素,粘性力對質點束縛降低,質點容易偏離原來方向,形成無規(guī)則脈動,形成湍流。
三、雷諾數(shù)中的水力直徑圓管:取管徑d
異型斷面管:采用過流斷面面積與過流斷面上流體與固體接觸周長之比的4倍常見斷面的水力直徑可查表5-1?!?-2圓管中的定常不可壓縮層流(自學)
包括層流的速度、流量、切應力、動能與動量修正系數(shù)、沿程損失、層流起始段等表達式和概念。
§5-3圓管中的湍流(紊流)(自學)三、管中湍流的分布由于摩擦及分子力影響,靠近管壁區(qū)域是層流,稱粘性底層,一般不足1mm;遠離管壁的管中大部分區(qū)域,粘性影響減弱,稱湍流核心;在粘性底層和湍流核心之間為過渡層。
管道分類:
將粘性底層厚度與管壁絕對粗糙度比較時,管壁粗糙度對湍流核心幾乎沒有影響,稱為水力光滑管;時,管壁粗糙度加劇湍亂程度,增大能量損失,稱為水力粗糙管;時,過渡狀態(tài)。
注意與幾何光滑管、幾何粗糙管區(qū)別?!?-4管路中的沿程阻力
沿程阻力造成沿程水頭(壓強、能量)損失,計算沿程阻力需先求出沿程阻力系數(shù)。
一、尼古拉茲實驗取六種相對粗糙度不同的管路,以為橫坐標,為縱坐標,實驗研究二者關系。
實驗結果的曲線分為五個區(qū)域:
Ⅰ.層流區(qū)
Re<2320時,所有管路的試驗點均分布在直線Ⅰ上,方程此區(qū)域不同不影響。根據(jù)達西公式(p230式4-44)
水頭損失與速度成正比。
Ⅱ.臨界區(qū)
2320<Re<4000時,層流開始轉變?yōu)橥牧?,不穩(wěn)定臨界狀態(tài),試驗點分布在曲線Ⅱ附近。隨增大。采用扎依欽科經驗公式
Ⅲ.光滑管湍流區(qū)時,試驗點分布在直線Ⅲ上。大的管路離開直線時的Re較小,小者離開時的Re大。采用半經驗公式
也可根據(jù)Re范圍采用布拉休斯公式或尼古拉茲經驗公式。
Ⅳ.過渡區(qū)時,各種管道試驗點均脫離直線Ⅲ,構成曲線Ⅳ,是管壁粗糙度影響的結果。采用柯列布茹克公式或簡化形式的阿里特蘇里公式
Ⅴ.粗糙管湍流區(qū),即超過虛線后,進入粗糙管湍流區(qū)Ⅴ。每種的試驗點都分布在水平直線上,雷諾數(shù)變化不影響值,是決定值的唯一因素。該區(qū)雷諾數(shù)對流動特性、力學性能失去影響,稱為自動模型區(qū)。采用尼姑拉茲粗糙管式
五個阻力區(qū)范圍及計算公式表
二、莫迪圖
除可用上表公式計算,亦可用莫迪圖查得。根據(jù)雷諾數(shù)Re和相對粗糙度,查得,判斷所在阻力區(qū)。常用管材數(shù)值可查表5-5。
三、管道沿程阻力計算
(1)先用經驗或半經驗公式求出,再代入
(2)先根據(jù)經驗假定阻力區(qū),計算,然后檢查假定正確性。經驗:水管、氣流多為粗糙管湍流,油管多為光滑管湍流;小者多為層流或光滑管湍流,大者多為粗糙管湍流?!?-5管路中的局部阻力
流體經過管路及附件時,由于渦流區(qū)和速度重新分布,產生局部水頭(壓強、能量)損失:
為局部阻力系數(shù),含義是將折合成的倍。
對于等徑管路,只有一個局部阻力系數(shù);
兩種直徑管路,則有兩個注意:、要與前、后速度水頭相對應。一、常用的局部阻力系數(shù)
1.突然擴大根據(jù)包達定理,P189式3-120
2.逐漸擴大仍可采用包達定理表示
系數(shù)k可查圖5-28。
3.突然縮小查表5-8,與有關。
4.逐漸縮小查圖5-31。
5.管道的進、出口管道出口1看成突然擴大,由式5-62
管道入口2看成突然縮小,由表5-86.彎管與折管由于流動慣性,內側流線分離形成渦旋區(qū)損失,由式5-66,5-67計算。7.三通接頭、閘板閥、截止閥、液壓附件查表5-11,5-12,5-13。
二、水頭損失疊加原則計算管路總水頭(壓強、能量)損失,應將所有沿程損失與局部損失相加:
或折合為下式,實質一樣:或
§5-6管路計算
管路總水頭(壓強、能量)損失的計算。一、短管計算需同時考慮沿程損失和局部損失稱為管路的阻力綜合參數(shù)。
二、長管計算沿程損失占絕大部分,局部損失可忽略。
三、管路特性研究指管路上水頭損失H與流量qv間的函數(shù)關系。
1.串聯(lián)管路流量處處相等,總損失等于各段水頭損失之和。帶入,得總阻力綜合參數(shù)
2.并聯(lián)管路各段管路水頭損失相等,總流量為各段流量之和。帶入得
總阻力綜合參數(shù)
注意:并聯(lián)水頭損失H相等,不等于能量損失相等。因為各段流量不同,能量損失不同。
四、計算舉例5-8。管路的串并聯(lián)
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