流体力学第5章圆管流动

104第5章圆管流动一.学习目的和任务1.本章学习目的（1）掌握流体流动的两种状态与雷诺数之间的关系；（2）切实掌握计算阻力损失的知识，为管路计算打基础。2.本章学习任务了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点，熟练掌握流态判别标准；掌握圆管层流基本规律，了解紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论；了解尼古拉兹实验和莫迪图的使用，掌握阻力系数的确定方法；理解流动阻力的两种形式，掌握管路沿程损失和局部损失的计算；了解边界层概念、边界层分离和绕流阻力。二.重点、难点重点：雷诺数及流态判别，圆管层流运动规律，沿程阻力系数的确定，沿程损失和局部损失计算。难点：紊流流速分布和紊流阻力分析。由于实际流体存在黏性，流体在圆管中流动会受到阻力的作用，从而引起流体能量的损失。本章将主要讨论实际流体在圆管内流动的情况和能量损失的计算。5.1雷诺(OsborneReynolds)实验和流态判据5.1.1雷诺实验1883年，英国科学家雷诺通过实验发现，流体在流动时存在两种不同的状态，对应的流体微团运动呈现完全不同的规律。这就是著名的雷诺实验，它是流体力学中最重要实验之一。图5－1雷诺(OsborneReynolds)实验图5－2雷诺实验结果105如图5－1所示为雷诺实验的装置。其中的阀门T1保持水箱A内的水位不变，使流动处在恒定流状态；水管B上相距为l处分别装有一根测压管，用来测量两处的沿程损失fh，管末端装有一个调节流量的阀门T3，容器C用来计量流量；容器D盛有颜色液体，T2控制其流量。进行实验时，先微开阀门T3，使水管中保持小速度稳定水流，然后打开颜色液体阀门T2放出连续的细流，可以观察到水管内颜色液体成一条直的流线，如图5－2（a）所示；从这一现象可以看出，在管中流速较小时，它与水流不相混和，管中的液体质点均保持直线运动，水流层与层间互不干扰，这种流动称为层流（Laminarflow）。比如，实际中黏性较大的液体在极缓慢流动时，属层流运动。随后，逐渐开大阀门T3，增大管中液体流速，流速达到一定速度时，管内颜色液体开始抖动，具有波形轮廓，如图5－2（b）所示。继续增大流速，颜色液体抖动加剧，并在某个流速/cu（上临界流速）时，颜色液体线完全消失，颜色液体溶入水流中，如图5－2（c）所示；这种现象是液体质点的运动轨迹不规则，各层液体相互剧烈混和，产生随机的脉动，这种流动称为湍流（Turbulentflow）或紊流。上述实验是液体流速由小到大的情况，流速由大到小的实验过程是首先全开阀门T3，让水流在水管B中高速流动，形成湍流状态，然后适当打开颜色液体阀门T2，使颜色液体溶入水流中；然后缓慢关小阀门T3，使液体流速逐渐降低，当流速减到某一值cu（下临界流速）时，流动形态就由湍流变成层流。这两次实验所不同的是，由层流转变成湍流时的流速/cu要小于由湍流转变成层流的流速cu。实验表明，流体流动具有两种形态，并且可以相互转变。5.1.2流态判据上述实验告诉我们流体流动有层流和湍流两种流态，以及流态与管道流速间的关系，可以用临界流速来判别。通过对雷诺实验的数据测定和进一步分析，流态不但与断面平均流速v有关，而且与管径d、液体密度以及其黏性有关。归结为一个无因数——雷106诺数（Reynoldsnumber）——作为判别流动状态的准则。雷诺数Re为Reudud(5.1-1)式中――流体密度，kg/m3；u——管内平均流速，m/s；——动力黏度，Pa.s；——运动黏度，m2/s；d——圆管直径，对于非圆管为水力直径，m。水力直径d可表示为Ad4(5.1-2)式中A——过流断面面积。——过流断面上流体与壁面接触的周界，称为湿周长度。雷诺实验及其他大量的实验表明，与下临界流速对应的雷诺数几乎不变，约为Re2320c（称为下临界雷诺数），而与上临界流速对应的雷诺数随实验条件不同在2320~13800的范围内变化。对于工程实际来说可取下临界雷诺数为判别，即:ReRec时为层流；ReRec时为湍流。由上述可知，流态不仅反映了管道内液体的特性，同时还反映了管道的特性。雷诺数是判别流态的标准。5.2圆管中的层流运动圆管中的层流运动常见于工程实际中，在机械工程上尤其常用，如液压传动、润滑油管、滑动轴承中油膜的流动等。研究圆管层流具有非常重要的意义。1075.2.1建立圆管中层流运动微分方程的方法第一种方法是基于纳维－斯托克斯方程（N－S）方程的简化分析，第二种方法是基于微元流体的牛顿力学分析法。前者只要根据层流特点简化即可，为应用N－S方程以后解决湍流等问题奠定基础；后者简明扼要，物理概念明确。第一种分析方法将在下一节中讲述，下面介绍第二种方法。5.2.1.1牛顿力学分析法管内流动的沿程损失是由管壁摩擦及流体内摩擦造成的。首先建立关于水平圆管内流动的摩擦阻力与沿程损失间的关系；如图5-3所示，取长为dx，半径为r的微元圆柱体，不计质量力和惯性力，仅考虑压力和剪应力，则有02)(22dxdpprpr得2dprdx由于2121ppdppdxxxL根据牛顿黏性定律drdu，再考虑到Lpdxdp，则有rLpdrdu2(5.2-1)5.2.1.2速度分布规律与流量对式(5.2-1)作不定积分，得crLpu24(5.2-2)边界条件Rr时，0u；0r时，maxuu。则可定积分常数24RLpc并代入上式，得图5-3圆管层流（二）108)(422rRLpu和2max4RpuL(5.2-3)式(5.2-3)表明，圆管层流的速度分布是以管轴线为轴线的二次抛物面，如图5-4所示。umaxuτ0τRdr在半径r处取壁厚为dr的微圆环，在dr上可视速度u为常数，圆环截面上的微流量dq为：2222()4pdqudAurdrRrrdrL(5.2-5)积分上式，可求圆管流量q422002()4128RRpdqdqRrrdrpLL(5.2-6)式(5.2-16)称哈根－伯肃叶定律（Hagen-Poiseuillelaw），它与精密实测结果完全一致。5.2.1.3最大流速与平均流速由式(5.2-3)知2max4RpuL(5.2-7)由式(5.2-6)可求平均流速u22max13282qpdpuRuALL＝(5.2-8)5.2.1.4剪应力分布规律由式(5.2-3)并根据牛顿内摩擦定律可求剪应力图5-4圆管层流的速度和剪应力分布109rLprRLpdrddrdu2)](4[22＝－(5.2-9)由上式知，剪应力服从线性分布，如图5-4所示，并且Rr时管壁上的剪应力即最大值max，即duRLp82max0(5.2-10)5.2.1.5压力损失p或Lh由式(5.2-6)可求流体在圆管流经L距离后的压降p4212832qLLupdd(5.2-11)压力损失p也可用液柱高度形式表示ugdLgudLgudLphL222322Re642(5.2-12)式(5.2-12)为圆管层流时的损失计算公式，称达西公式（Darcyequation），式中称沿程阻力系数，对于水Re64＝，对于油液Re80~75＝。5.2.1.6功率损失LN242241288128LqLdNpqLupLd(5.2-13)【例5-1】在长度1000lm,直径300dmm的管路中输送密度为0.95kg/m3的重油，其重量流量6.2371GkN/h，求油温分别为10°C（运动黏度为25cm2/s）和40°C(运动黏度为15cm2/s)时的水头损失。【解】体积流量2371.60.07080.959.83600Gqgm3/s平均速度11020.07080.34qvA1m/s10°C时的雷诺数110030Re120232025vd40°C时的雷诺数210030Re200232015vd该流动属层流，故可以应用达西公式计算沿程水头损失。703.908.923.012011000642Re64222121gvdlgvdlhfm油柱高同理，可计算40°C时的沿程水头损失421.548.923.0200110006422fhm油柱高5.3椭圆管层流在上一节中，已经分析了圆管中层流的情况。由于医疗设备等技术的发展，非圆管特别是椭圆管也被应该在流体输送管道中。这一节将分析较少见的椭圆管层流的问题。5.3.1椭圆管流体运动微分方程由数学知识可知，如图5－5所示，椭圆形方程为22221xzab（,axabzb）(5.3-1)前面已经提到分析管中层流有两种方法，这里运用基于纳维－斯托克斯方程（N－S）方程的简化分析。图5－5椭圆形管道111参看图5-5，取0-xyz坐标系，y轴与椭圆管轴线重合。层流仅有y向的运动，没有x和z向运动，即0xzuu，0yu；另外，在层流状态下，流态稳定，故惯性力和质量力可不计，即0dtdudtdudtduzyx和0xyzfff。则一维层流状态条件下，根据如上设定，直角坐标系中的N－S方程可简化为：2222221()0xxxuuupvxyzyppxz(5.3-2)上式(5.3-2)知，p与x,z无关，仅为y的函数，则pdpydy；又由不可压缩流体在稳态流条件下的连续方程为0zuyuxuzyx，因0xzuu，则有0yuy，220yuy，另外，流体为一维流动，yuu，则上式简化为22221puuyxz(5.3-3)上式即为椭圆管内流体运动方程。5.3.2管内流速分布由于(,)uuxz与y无关，所以可以视1dpCdy（C为常数），则式(5.3-3)可表示为2222uuCxz(5.3-4)可写为212212uCxuCz（其中11CCC）(5.3-5)112对上式（5.3-5）积分，得1212()()uCyCzxuCzCyz(5.3-6)由上一节分析可知，根据边界条件有：0,00,00,0uuxzxzxz，代入上式(5.3-5)，得22()()0CzCy。代入积分常数并积分式（5.3-5），得213213()2()2CuyCzCuzCy(5.3-7)上式中，可设221133(),()22CCCzzCyy，可得221122CCuyz(5.3-8)由数学知识可知，式（5.3-3）的解一般形式为2211022CCuyzC(5.3-9)式中0C为常数。注意到上式中,111dpCCCdy和由边界条件有：,0xaz时，0u；,0zbx时，0u。代入上式定出积分常数，得222211022222211,,2()dpadpbabdpCCCdyabdyababdy将上述常数代入式（5.3-9），得222222221(1)2dpabxzudyabab(5.3-10)113式中dpdy表示压强p在y轴上的变化量，即21ppdppdyLL（负号代表递减）。则式(5.3-10)可写成22222222(1)2()pabxzuLabab(5.3-10)上式就是椭圆管层流速度计算公式，速度分布如图5－6所示。上图可以看出，平行x轴的任意截面内速度服从抛物线分布，两个面的速度分布构成椭圆球抛物面。且最大速度22max22(0,0)2()pabuuLab(5.3-11)1．流量和压降取微元面积dA,则流过dA的流量为22222222(1)2()pabxzdqudAdzdxLabab（dAd