汽车工程流体力学(03管路水力计算)

西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院第五讲管路水力计算汽车工程流体力学课程名称第三章管路水力计算1.层流和湍流2.雷诺数3.圆管中的层流运动4.湍流运动5.湍流粘性底层6.阻力系数7.局部阻力系数西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院1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。实验装置西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院2.实验现象层流（LaminarFlow）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，表明玻璃管中的水呈现一种质点互不掺混的层状流动。=4043临界流、过渡流（TransitionalFlow）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（TurbulentFlow）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。西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院3.正、反向实验实验曲线分为三部分：（1）ab段：vvc流动为稳定层流（2）ef段：vvc″流动为湍流（3）be段：vcvvc″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。lgvcabcedflgvlghflgvc''O层流湍流过渡区第三章管路水力计算1.层流和湍流2.雷诺数3.圆管中的层流运动4.湍流运动5.湍流粘性底层6.阻力系数7.局部阻力系数2.1圆管雷诺数雷诺通过实验发现cvdReccvd（下）临界雷诺数Recccvdvd圆管流态判别：层流：Re2320临界流：Re≈2320湍流：Re2320实验得知：圆管临界雷诺数Re2320c2.雷诺数2.2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。ARx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。2.雷诺数d21144dRddhb2()bhRbhbh2bhRbh2.雷诺数当计算雷诺数时，采用当量直径D进行计算。对应的临界雷诺数也不同于圆管4DR2.3雷诺数的物理意义Revd惯性力粘性力层流：Re数较小，粘性力作用较强湍流：Re数较大，惯性力作用较强2.雷诺数【例】有一直径25mm的水管，流速v=1.0m/s，水温为10℃。（1）试判别流态；（2）若使上题保持层流，最大流速是多少？解：（1）由P3表1-1，查得10℃水的运动粘性系数ν=1.308×10-6m2/s-610.025Re==191131.30810vdRe＞2320，此管流是湍流（2）ccRe=2320vd6ccRe23201.30810=0.12(m/s)0.025d2.雷诺数1、雷诺数与哪些因数有关？其物理意义是什么？当管道流量一定时，随管径的加大，雷诺数是增大还是减小？雷诺数与流体的粘度、流速及流动边界形状有关。Re=惯性力/粘性力：4Re=vdQdRed2、为什么用下临界雷诺数，而不用上临界雷诺数作为层流与湍流的判别标准？上临界雷诺数不稳定，而下临界雷诺数较稳定，只与流动的过流断面形状有关。3、当流管的直径由小变大时，其下临界雷诺数如何变化？不变。Rec只取决于流动边界形状，即流体的过流断面形状。2.雷诺数第三章管路水力计算1.层流和湍流2.雷诺数3.圆管中的层流运动4.湍流运动5.湍流粘性底层6.阻力系数7.局部阻力系数西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院3圆管中的层流运动3.1、层流流动特征特点：1.有序性。水流呈层状流动，各层的质点互不掺混，质点作有序的线性运动。2.粘性占主要作用，遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。3.在流速较小且雷诺数Re较小时发生4.水头损失与流速的一次方成正比定义：流体质点互不掺混，作有条不紊的有序的线性运动。dduy1.0fhu西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院3.2、圆管层流流速分布-1定常流动，受力平衡212()20PPyLy满足牛顿内摩擦定理：dduy则：212d()20duPPyLyy分离变量：121d()d2uPPyyL2121()4uPPyCL1、流速分布表达式西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院3.2、圆管层流流速分布-2带入边界条件：y=R,u=021210()4PPRCL则：2121()4CPPRL则：22121()()4uPPRyL西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院3.2、圆管层流流速分布-3、轴心处的速度3、流量4、断面平均流速2max121()4uPPRLdAQuA212max11()82QvPPRuAL5、动能修正系数2221201()(-y)d4RPPRAL221201=()(-y)2yd4RPPRyL412=()8PPRL西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院3.3、沿程阻力损失(等截面水平直管定常流)由伯努利方程：Z1=Z2，v1=v2，得：12fPPhg2121()8vPPRL将断面平均速度带入上式则：f28LvhgR达西公式6464Revd沿程阻力损失与平均速度的一次方成正比，沿程阻力系数只与雷诺数有关。沿程阻力系数：2211122212f2g2gPvPvZZhgg226422LvLvvddgdg(ReRe)c例：应用细管式粘度计测定油的粘度，已知细管直径d=6mm，测量段长L=2m如图。实测油的流量Q=77cm3/s，水银压差计的读值hp=30cm，油的密度ρ=900kg/m3。试求油的运动粘性系数和动力粘性系数。解：列细管测量段前、后断面伯诺里方程'12f(13600900)0.34.23(m)900ghPPhgg假设为层流2.73(m/s)QvA2f642Lvhvddg由：动力粘性系数12f1231642122.734.23649002.730.0060.00629.87.6810(Pas)Lvhvddg运动粘性系数628.5310(m/s)校核流态62.730.006Re192023208.5310vd层流，假设成立第三章管路水力计算1.层流和湍流2.雷诺数3.圆管中的层流运动4.湍流运动5.湍流粘性底层6.阻力系数7.局部阻力系数4湍流运动4.1．湍流的特征（或称紊流）湍流定义：流体质点相互掺混，局部速度、压力等流动参数在时间和空间中发生不规则脉动的流体运动无序性：流体质点相互掺混，运动无序，运动要素具有随机性。耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。扩散性：除分子扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和动量传递等扩散特性。高雷诺数湍流运动的规律性同它的随机性是相伴存在的，通过运动参数的时均化，来求得其时间平均的规律性，是流体力学研究湍流运动的有效途径。4湍流运动4.2．湍流运动的时均化时均速度：在湍流中，流体质点的瞬时速度始终围绕着某一平均值而不断跳动（即脉动），将ux对某一时段T平均，所得到的平均值就称作是时均速度（时间平均流速）'xxxuuu瞬时速度平均速度脉动速度'PPP4湍流运动脉动流速随时间改变，时正时负，时大时小。在时段T内，脉动流速的时均值为零，但绝对值不为零。''01d0TxxuutT对一元湍流流动'xxxuuu'0yyuu'0zzuu结论：湍流可分解为时均流动和脉动流动。西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院思考题1.习题3-2.2.习题3-4.西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院AnyQuestion?西华大学XIHUAUNIVERSITY交通与汽车工程学院第六讲汽车工程流体力学课程名称第三章管路水力计算1.层流和湍流2.雷诺数3.圆管中的层流运动4.湍流运动5.湍流粘性底层6.阻力系数7.局部阻力系数5湍流粘性底层1、湍流的结构粘性底层（层流底层）圆管作湍流运动时，靠近管壁处存在着一薄层，该层内速度很快从主流速度减为零，流速梯度较大，速度近似呈线性分布的薄层，粘性应力起较大作用。湍流核心：湍流的内部除边壁外均处于湍流核心，此时速度分布为对数规律。（普朗特-卡门对数分布律----补充学习）过渡层：位于粘性底层的内侧，界限不明显2.粘性底层速度分布粘性底层内，切应力近似为壁面切应力τ=τ0dduy积分：uyC边界条件：y=0,u=00Cuy则：速度呈线性分布3.粘性底层厚度1mm实验资料表明：说明：当管径d相同时，随着流体的流动速度增大，雷诺数增大，粘性底层变薄。'30Red5湍流粘性底层4.水力光滑管和水力粗糙管当δ’Δ，管壁绝对粗糙度在粘性底层之下，流体像在光滑的管中流动，这时管道称为水力光滑管。当δ’Δ，管壁绝对粗糙度在粘性底层之上，流体冲到管壁凸起部分，发生碰撞并形成旋涡，造成能量损失，这时管道成为水力粗糙管。Δδ’dΔδ’d5湍流粘性底层第三章管路水力计算1.层流和湍流2.雷诺数3.圆管中的层流运动4.湍流运动5.湍流粘性底层6.阻力系数7.局部阻力系数6.1尼古拉兹实验实验装置：人工粗糙管实验方法：Δ/d=1/30～1/1014的人工粗糙管作不同组实验对每根人工粗糙管(Δ/d=C)，改变流量，即改变平均速度。则Re、hf变化。Revd2f2Lvhdg在不同的Re条件下，计算λ值，计算公式由实验得出。将各点绘在双对数坐标纸上，就得到λ=f(Re,Δ/d）曲线，即尼古拉兹曲线图6.阻力系数=26116.2尼古拉兹实验结果5个阻力区6.3尼古拉兹实验结果分析Ⅰ区：层流区，λ=f(Re)，λ=64/Re，Re2300。直线Ⅱ区：层流向湍流过渡区，λ=f(Re),Re=2300~4000，范围窄。Ⅲ区：湍流光滑区，λ=f(Re),Re4000，Ⅲ区的λ与Re的关系为一条直线，说明λ仅与R