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中流动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管道进口段粘性流体的流动§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各类管流的水力计算第六章管中流动§6.10几种常用的技术装置§6.11液体的出流§6.12水击现象§6.13气穴和汽蚀现象第六章管流损失和水力计算第六章管中流动按流体与固体接触情况来分,流体运动主要有下列四种形式外部绕流管中流动射流明渠第六章管中流动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。第六章管中流动概述一、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：2.从能量观点看，本章研究的是能量损失（水头损失）内因：粘性＋惯性；外因：外界干扰。第六章管中流动§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。gvdlhf22fh——单位重力流体的沿程能量损失——沿程损失系数l——管道长度d——管道内径gv22——单位重力流体的动压头（速度水头）。第六章管中流动§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。gvhj22jh——单位重力流体的局部能量损失。gv22——单位重力流体的动压头（速度水头）。——局部损失系数第六章管中流动§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。wh——总能量损失。jfwhhh第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验实验装置颜料水箱玻璃管细管阀门第六章管中流动1883观察流态测定损失§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验(续)实验现象过渡状态紊流层流层流：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。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。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。第六章管中流动层流Laminarflow,steadyflow过渡Transition紊流Turbulentflow,unsteady第六章管中流动§6.2粘性流体的两种流动状态一、雷诺实验(续)实验现象(续)第六章管中流动层流§6.2粘性流体的两种流动状态紊流第六章管中流动§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2、临界流速crv——下临界流速crv——上临界流速层流：不稳定流：紊流：crvvcrcrvvvcrvv流动较稳定流动不稳定crvv'crvv第六章管中流动临界速度与雷诺数上临界速度Vc(从层流到紊流)unstableuncertain下临界速度Vc’(从紊流到层流)stablecrvVdAEBCD层流过渡区紊流§6.2粘性流体的两种流动状态第六章管中流动§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、临界雷诺数层流：不稳定流：紊流：2320Recr——下临界雷诺数13800eRcr——上临界雷诺数crReRecrcreRReRecreRRe2000Recr工程上常用的圆管临界雷诺数2000Re2000Re层流：紊流：vdRe雷诺数第六章管中流动2、nfvh在观察现象的同时，测量，绘制的关系曲线。vhf,vhflg~lg层流：0.1vhf紊流：0.2~75.1vhf§6.2粘性流体的两种流动状态三、沿程损失与流动状态第六章管中流动§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第六章管中流动§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OhjvcrvDCBAv’cr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。层流：0.1vhf紊流：0.2~75.1vhf第六章管中流动AEBCD层流过渡区紊流层流：0.1vhf紊流：0.2~75.1vhf第六章管中流动vdReflaminarlghwlgVbcdealgVe’lgVetransitionturbulence第六章管中流动2、层流湍流的形成原因第六章管中流动内燃机冷却系统的散热器，热水在散热片间的扁平缝隙中流动，冷却空气将散热片的热量带走。为提高散热效果，要求水的流动状态为湍流，试确定水在缝隙中的最小平均速度。已知缝隙的宽度为h=2cm,水温100℃第六章管中流动解:Water620.50.1Re166723203010VdTurbulentOil610.50.1Re2793323201.7910VdLaminarAfluidflowsat0.5m/sthroughan100-mmdiameterpipe.Determinewhethertheflowislaminarorturbulentifthefluidis(a)Oil,with=3010-6m2/s,(b)water,with=1.7910-6m2/s第六章管中流动§6.3管道进口段黏性流体的流动一、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。第六章管中流动二、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。层流边界层紊流边界层完全发展的流动L*L*§6.3管道进口段黏性流体的流动第六章管中流动§6.3管道进口段黏性流体的流动第六章管中流动二、管道入口段(续)入口段内和入口段后速度分布特征层流边界层紊流边界层完全发展的流动L*L*入口段内:入口段后:各截面速度分布不断变化各截面速度分布均相同§6.3管道进口段黏性流体的流动第六章管中流动§6.3管道进口段黏性流体的流动第六章管中流动100Re1000RedL3whendL302320RedL67§6.3管道进口段黏性流体的流动第六章管中流动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§6.4圆管中流体的层流流动第六章管中流动§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。pp+(δp/l)δlmgrr0xhgδl受力分析：重力:侧面的粘滞力:两端面总压力:glr)δ(2pr2)δ(2llppr2(δ)rl0sinδδ2)δ(222glrlrllpprpr第六章管中流动§6.4圆管中流体的层流流动列力平衡方程pp+(p/l)dlmgrr0xhgδl0sinδδ2)δ(222glrlrllpprpr0sin12grlp两边同除r2δl得)(2ghpdldr)(2lhglpr由于lhsin得，hhgphhhmgrr0hhvxxw一、切向应力分布第六章管中流动§6.4圆管中流体的层流流动hhgphhhmgrr0hhvxxw二、速度分布drdvx将代入)(2ghpdldr得，rdrghpdlddvx)(21对r积分得，Crghpdldvx2)(41当r=r0时vx=0，得)(40ghpdldrC故：)(4220ghpdldrrvxhhgphhhmgrr0hhvxx)(2ghpdldr第六章管中流动§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)(4220ghpdldrrvxhhgphhhmgrr0hhvxx1.最大流速管轴处:)(420maxghpdldrvx2.平均流速)(82120maxghpdldrvvx3.圆管流量)(82402000ghpdldrvrdrvrqxrv水平管:lpdqv12840第六章管中流动§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:lpdqv1284040128dlqpvgvdlgvdlgvdlvdlvgdlvgphf22Re64264322222Re64结论：层流流动得沿程损失与平均流速得一次方成正比。第六章管中流动动能修正系数223302332[()]24()8RyApRrrdrvdAlpRvARl2230816()2RRrrdrR§6.4圆管中流体的层流流动第六章管中流动动量修正系数222202222[()]24()8RyApRrrdrvdAlpRvARl2220616()43RRrrdrR§6.4圆管中流体的层流流动第六章管中流动水平管§6.4圆管中流体的层流流动第六章管中流动212120()2022yyyFpprrldvdrdvppprrdrll第六章管中流动2、流速&流量rlpdrdvy224ypvrCl边界条件r=R,vy=024pCRl第六章管中流动22()4ypvRrlr00yx0drr第六章管中流动第六章管中流动第六章管中流动流量202()42RvAyvqdApRrrrldHagen-Poiseuillelaw448128pRpdllr00yx0drr第六章管中流动44128128VddptqlVpl第六章管中流动3.Averagevelocity&maximalvelocity22488vpvlqpRAlRR第六章管中流动0r2max24pRvvl2max2vvqvAR22()4ypvRrlIncenterr00yx0drr第六章管中流动4.Distributionofshearingstress|2yyrdvdvprdzdrl22()4ypvRrl第六章管中流动沿程损失1）压力损失448128vvlqlqpRd22832lvlvpRd第六章管中流动水头损失448128vvflqlqphggRgd22832flvlvhgRgd第六章管中流动达西公式22642Re2flvlvhdgdg22832flvlvhgRgd第六章管中流动3)PowerlossfvvvpPhgqgqpqpAvFvgHagen-Poiseuillelaw22448128vvlqlqPRd第六章管中流动层流粘性流体的两种流动状态紊流第六章管中流动§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