第五章-液体在管道中流动的基础知识

第五章液体在管道中流动的基础知识（BasicsofHydraulicFlowinPipes）5.1概述（INTRODUCTION）迄今为止我们还没有研究液体在管道中流动时由于摩擦而产生的能量损失的机理。液体是直观的，像水和汽油，它们比像油液这样高粘度的液体容易流动。流动的这个阻尼实质上是液体粘度的度量标准。粘度越大的流体越不容易流动也就是流动所需的能量越大。这些能量的减少是因为它散失成了热及代表了损耗的能量（Uptonowwehavenotinvestigatedthemechanismofenergylossesduotofrictionassociatedwiththeflowofafluidinsideapipe.Itisintuitivethatliquid,suchaswaterorgasoline,flowmuchmorereadilythandoheavierliquidssuchasoil.Theresistancetoflowisessentiallyameasureoftheviscosityofthefluid.Thegreatertheviscosityofafluid,thelessreadilyitflowsandthemoreenergyisrequiredtomoveit.Thisenergyislossbecauseitisdissipatedintoheatandthusrepresentswastedenergy）。能量损失总是出现在被称为管接头的管道收缩部位，管接头是一个输送和控制液体的元件（与直管不同）。例如阀、三通管接头、弯头和节流口。通过管接头流动的路径性质确定了能量损失的多少。一般来说，路径越弯曲，损失越大。在许多液体传动的使用中，管接头造成的能量损失超过了管道中因粘性流动的损失（Energylossesalsooccurinpipelinerestrictionscalledfittings.Afittingisacomponent（otherthanastraightpipe）thatisusetocarryorcontrolthefluid.Examplesarevalves,tees,elbows,andorifices.Thenatureoftheflowpaththroughafittingdeterminestheamountofenergylosses.Generallyspeaking,themoretorturousthepath,thegreaterthelosses.Inmanyfluidpowerapplications,energylossesduetofittingsexceedthoseduetoviscousflowinpipes）。在液压传动系统中所有的能量损失保持在最小的容许范围是非常重要的。这要求适当选择组成系统的油管和管接头的尺寸。通常，油管直径或管接头尺寸越小，损失越大。然而，使用大直径管道和管接头会增大成本以及对空间利用不利。因此，元件尺寸的选择就代表在能量损失、元件成本和空间占用三者之间的平衡（Itisveryimportanttokeepallenergylossesinafluidpowersystemtoaminimumacceptablelevel.Thisrequirestheproperselectionofthesizesofthepipesandfittingswhichmakeupthesystem.Ingeneral,thesmallerthepipediameterorfittingsize,thegreaterthelosses.However,usinglarge-diameterpipesandfittingsresultsingreatercostandpoorspaceutilization.Thus,theselectionofcomponentsizesrepresentsacompromisebetweenenergylossesandcomponentcostandspacerequirements）。油管和管接头的阻尼可以由根据实验得出的经验公式确定。这些公式可以计算任何系统元件的能量损失。伯努利方程和连续方程可以用来完成液压传动系统的分析。这包括计算液压传动系统所有元件的压力降、流量和功率损失（Theresistanceofpipesandfittingcanbedeterminedusingempiricalformulaswhichhavebeendevelopedbyexperimentation.Thispermitsthecalculationofenergylossesforanysystemcomponent.Bernoulli’sequationandthecontinuityequationcanthenbeusedtoperformacompleteanalysisofafluidpowersystem.Thisincludescalculatingthepressuredrops,flowrates,andhorsepowerlossesforallcomponentsofthefluidpowersystem）。5.2层流和紊流（LAMIMARANDTURBULENTFLOW）我们在第3章中讨论液体在管道中流动时，假定在任何位置其速度都为一定值。然而，当液体在管道中流动时，其与管壁接触的流层速度为0。这是由于粘度，导致液体微粒粘着在管壁上。流层的速度随着与管壁的距离的增大而提高，其最高速度出现在管道中心，如图所示（InourdiscussionsoffluidflowinpipesinChapter3,weassumedaconstantvelocityatanyonestation.However,whenafluidflowsthroughapipe,thelayeroffluidatwallhaszerovelocity.Thisisduetoviscosity,whichcausesfluidparticlestoclingtothewall.Layersoffluidattheprogressivelygreaterdistancesfromthepipesurfacehavehighervelocities,withthemaximumvelocityoccurringatthepipecenterline,asillustratedinthefigure）。实际上，管道中的流动有两种基本形态，这取决于影响流动的不同因素（Actuallytherearetwobasictypesofflowinpipes,dependingonthenatureofthedifferentfactorswhichaffecttheflow）。1.层流（laminarflow）：第一种形态称为层流，它表明液体以平滑层或薄片流动。在这种流态中，一个给定层的液体微粒始终停留在这一层中，如图所示。因为液体所有的微粒都以平行路线运动，这种类型的液体运动称为层流。因此层流对微粒在本质上没有碰撞而平滑。对于层流，摩擦是由流体的一层或微粒以平滑连续的形态在另一层上滑动所产生的（Thefirsttypeiscalledlaminarflow,whichischaracterizedbythefluidflowinginsmoothlayersorlaminas.Inthistypeofflow,aparticleoffluidinagivenlayerstaysinthatlayer,asshowninthefigure.Thistypeoffluidmotioniscalledstreamlineflowbecausealltheparticlesoffluidaremovinginparallelpaths.Thereforelaminarflowissmoothwithessentiallynocollisionofparticles.Forlaminarflow,thefrictioniscausedbytheslidingofonelayerorparticleoffluidoveranotherinasmoothcontinuousfashion）。2.紊流（turbulentflow）：如果流速达到足够高的数值，流动就中止层流而变成紊流。如图所示，在紊流中，微粒的运动变成了无规则并在与指定的流动方向垂直和平行的方向上下波动。这个混合作用由于液体微粒的碰撞而产生扰动。这引起了相当大的流动阻尼以及比层流产生的能量损失更大（Ifthevelocityofflowreachesahighenoughvalue,theflowceasestobelaminarandbecomesturbulent.Asshowninthefigure,inturbulentflowthemovementofaparticlebecomesrandomandfluctuatesupanddowninadirectionperpendicularaswellasparalleltothemeanflowdirection.Thismixingactiongeneratesturbulenceduetothecollidingfluidparticles.Thiscausesconsiderablymoreresistancetoflowandthusgreaterenergylossesthanthatproducedbylaminarflow）。层流和紊流的区别可以通过使用水龙头来看出。当水龙头部分打开时，少量的水流出，这个流动形态是平滑的层流。然而，当水龙头全开时，流动扰动并变成紊流（Thedifferencebetweenlaminarandturbulentflowcanbeseenwhenusingawaterfaucet.Whenthefaucetisturnedonlypartiallyopen,withjustasmallamountofflow,theflowpatternobservedisasmoothlaminarone.However,whenthefaucetisopenedwide,theflowmixesandbecomesturbulent）。5.3雷诺数（REYNOLDSNUMBER）了解管道中的流态是层流还是紊流很重要。这带给我们奥斯本•雷诺在1883年完成的从层流转换到紊流状态的实验。使用图中的测试装置，雷诺让在大箱体中的液体进入一个喇叭口并沿着光滑的玻璃管流动。他利用装在管道尾部的阀来控制流量。一个毛细管连接到染料箱，让染料射流入主要的流束中（Itisimportanttoknowwhethertheflowpatterninsideapipeislaminarorturbulent.ThisbringsustotheexperimentsperformedbyOsbornReynoldsin1833todeterminetheconditionsgoverningthetransitionfromlaminartoturbulentflow.Usingthetestsetupinthefigure,Reynoldsallowedthefluidinthelargetanktoflowthroughabell-mouthedentranceandalongasmoothglasstube.Hecontrolledtheflowratebymeansofavalveattheendofthetube.Acapillarytube,connectedtoareservoirofdye,allowedtheflowofafinejetofdyeint