第五章管中流動第一節(jié)雷諾實驗實驗裝置1層流和湍流現(xiàn)象實驗結(jié)果：1.當(dāng)管中流體速度較小時，紅線呈明顯的直線形狀，只有縱向運(yùn)動，質(zhì)點無橫向混雜的運(yùn)動---層流hf較小2.當(dāng)流速增大時，紅線波動，質(zhì)點不完全是軸向直線運(yùn)動，有橫向混雜的運(yùn)動---過渡狀態(tài)hf增加3.當(dāng)流速大到一定值，紅色擴(kuò)散到整個流動空間，表明流體質(zhì)點縱橫的運(yùn)動混雜---湍流hf很大第一節(jié)雷諾實驗4.當(dāng)流速降低到某一值時，管中又恢復(fù)層流狀態(tài)2一、臨界速度與雷諾數(shù)稱：第一節(jié)雷諾實驗若設(shè)由層流變?yōu)橥牧鞯牧魉偈怯赏牧髯優(yōu)閷恿鞯乃俣葹橥ǔＧ蚁屡R界速度上臨界速度實驗證明和對于各種管徑，流體種類是不變的定義下臨界雷諾數(shù)上臨界雷諾數(shù)3第一節(jié)雷諾實驗且層流過渡狀態(tài)湍流二、湍流的形成原因1.層流表示粘性、約束與慣性之比當(dāng)Re較小時，表明約束、粘性作用大，流體質(zhì)量不易產(chǎn)生橫向運(yùn)動流體質(zhì)點在壓強(qiáng)和粘性阻力作用下沿流動方向運(yùn)動，抵制橫向擾動能力大4第一節(jié)雷諾實驗2.湍流當(dāng)Re較大時，質(zhì)量的慣性作用大，在發(fā)生橫向擾動時，慣性力的作用會加劇不穩(wěn)定作用，從而使質(zhì)點進(jìn)入混雜的運(yùn)動狀態(tài)所以即使在過渡狀態(tài)，發(fā)生湍流的可能性也是很大的，?。杭磳恿魍牧?三、水力直徑式中：對于非圓過流端面的管道，定義A—過流斷面面積對于圓管：第一節(jié)雷諾實驗S—流體與固體接觸的周長（邊界約束的長度）顯然：6四、層流、湍流的水頭損失第一節(jié)雷諾實驗雷諾實驗中為水頭損失不同的和流動狀態(tài)，實驗結(jié)果如圖層流：湍流：7一、速度分布第二節(jié)圓管層流流體指點只有沿軸線y方向的運(yùn)動，無橫向運(yùn)動由N-S方程8定常流動，不可壓縮得第二節(jié)圓管層流在y方向：9第二節(jié)圓管層流不計重力影響，水平放置管路10顯然“-”表示壓強(qiáng)隨y的增加而減小取管中1、2兩斷面有第二節(jié)圓管層流且與y無關(guān)，即對y而言是常數(shù)注意管的軸對稱性11第二節(jié)圓管層流積分：顯然12積分：速度分布：第二節(jié)圓管層流半徑為r的流體受力平衡13第二節(jié)圓管層流二、流量直徑對q的影響很大三、平均速度和最大速度14四、切應(yīng)力分布第二節(jié)圓管層流平衡：15五、動能、動量修正系數(shù)第二節(jié)圓管層流16六、沿程損失流量：第二節(jié)圓管層流速度：水頭：式中：-阻力系數(shù)17一、損失原因1.類似于層流的摩擦損失第四節(jié)圓管湍流沿程阻力因為還無解析分析結(jié)果，采用層流阻力計算的公式二、時均流動、近壁層流層、水力光滑管、水力粗糙管2.質(zhì)點間相互碰撞引起的附加切應(yīng)力只是有不同的λ1.時均流動湍流狀態(tài)下，流體質(zhì)點的運(yùn)動是不穩(wěn)定的，一切系數(shù)均隨時間變化實驗表明，各系數(shù)是脈動的18分析時，取平衡位置的參數(shù)值來代替實際參數(shù)-時均系數(shù)用時均系數(shù)描述的流動：時均流動利用對時均參數(shù)的分析來研究湍流流動的特性。如：第四節(jié)圓管湍流沿程阻力2.近壁層流層（粘性底層）管中湍流時，并不是管內(nèi)所有流體質(zhì)點均處于湍流狀態(tài)下，在距管內(nèi)壁很近的一層流體，由于管壁的約束作用，使其速度較小，混雜程度小，仍保持層流狀態(tài)--近壁層流層19從近壁層流向管中的方向，有過渡層，再向中心是完全湍流區(qū)通常情況下，近壁層流層的厚度可按經(jīng)驗公式計算：第四節(jié)圓管湍流沿程阻力一般在1mm以下，但對湍流的影響很大3.水力光滑管、水力粗糙管設(shè)管內(nèi)壁絕對粗糙度為當(dāng)時，水力光滑管當(dāng)時，水力粗糙管通常：－相對粗糙度20三、沿程阻力1.層流2.臨界區(qū)第四節(jié)圓管湍流沿程阻力不穩(wěn)定狀態(tài)，層流湍流過渡可按經(jīng)驗公式計算3.光滑管湍流區(qū)（1）對于較小的管，由于δ較大，管中流動處于水力光滑管狀態(tài)21第四節(jié)圓管湍流沿程阻力由于相當(dāng)于只要上述計算方法適用于（2）當(dāng)（3）不同的對應(yīng)于不同的光滑管Re上限，實驗表明224.過渡區(qū)若第四節(jié)圓管湍流沿程阻力或從光滑管湍流向粗糙管湍流過渡的范圍（δ與Δ相近）過渡區(qū)的上限為：23第四節(jié)圓管湍流沿程阻力與Re無關(guān)即：速度范圍5.粗糙管湍流區(qū)δ很小，已不起作用或24第四節(jié)圓管湍流沿程阻力Ⅰ.層流Ⅱ.臨界區(qū)Ⅲ.光滑管湍流區(qū)Ⅳ.過渡區(qū)或Ⅴ.過渡區(qū)或25由于局部裝置產(chǎn)生的阻力-局部阻力第五節(jié)局部阻力一、突然擴(kuò)大管條件：水平放置，定常流動，實際流體，不可壓縮對1、2截面應(yīng)用實際流體伯努利方程因1、2截面很近，沿程損失可以忽略不計，hf即為局部裝置產(chǎn)生的損失26由動量方程：第五節(jié)局部阻力27第五節(jié)局部阻力代入hf表達(dá)式令而28第五節(jié)局部阻力－局部阻力系數(shù)速度水頭損失：局部阻力的普遍表達(dá)式29第五節(jié)局部阻力二、局部阻力系數(shù)目前還無法求得一個適用于各種局部裝置阻力計算的方法，但突然擴(kuò)大的阻力計算表明了局部阻力損失的本質(zhì)，所以對于各種局部裝置的水頭損失均可以按計算不同種類、不同系數(shù)的局部裝置均可查得相應(yīng)的ξ30第五節(jié)局部阻力三、總損失計算相鄰局部裝置對阻力會有一定影響，若保證上式計算的準(zhǔn)確性，應(yīng)限定在兩相鄰局部裝置的最小距離大于一定數(shù)值，實驗表明這一最小間距管路的損失由沿程阻力和各種局部裝置的阻力構(gòu)成一般當(dāng)間距很小時，應(yīng)通過實驗來確定阻力系數(shù)31第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象當(dāng)管中流體速度發(fā)生突然變化而引起管中壓強(qiáng)突然變化的現(xiàn)象－管中水擊水擊現(xiàn)象中所產(chǎn)生的瞬時壓強(qiáng)－水擊壓強(qiáng)水擊壓強(qiáng)的峰值最大可能超過正常壓強(qiáng)的幾倍至幾十倍輕微的水擊現(xiàn)象表現(xiàn)為振動和噪音嚴(yán)重時會造成管路或元件的破壞32則閥口處流體停止運(yùn)動，并伴隨壓強(qiáng)上升至壓強(qiáng)增量將沿反向傳播第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象在t=0時刻，突然關(guān)閉閥門一、物理過程設(shè)有一管路，理想流體，定常流動，速度：υ，壓強(qiáng)：33第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象設(shè)傳播速度為c，則時間，閥口壓強(qiáng)均為時刻，整個管中流體壓強(qiáng)均達(dá)到由于管進(jìn)口處Δp的作用，流體膨脹，并產(chǎn)生反向速度-υ由于Δp作用，管中流體開始加速時刻，所有管中流體壓強(qiáng)為，并具有反向速度-υ動能→壓力能時刻，所有管中流體壓強(qiáng)為壓力能→動能動能→壓力能時刻，所有管中流體壓強(qiáng)為，并具有速度υ壓力能→動能34第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象水擊周期：水擊的相：35第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象二、壓強(qiáng)和傳播速度設(shè)從t=0開始，經(jīng)過Δt時間，水擊波傳播到ΔS處當(dāng)水擊壓強(qiáng)Δp作用時，流體的體積發(fā)生變化（壓縮性）管路的截面積會增加（周向彈性變形）上述作用將使停止流體截面向右移動，后面的流體以υ的速度向前補(bǔ)充由動量方程：36第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象管路斷面積為A+ΔA.則：設(shè)：在作用下，液壓密度變?yōu)楹雎詣t：37第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象而注意：很小38第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象在作用下，設(shè)管路材料的彈性模量為E,則：39第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象代入的表達(dá)式解得：若不計管路彈性變形(E→∞)：－液體中的聲音傳播速度40第七節(jié)管中水擊現(xiàn)象三、減小水擊的措施

1.間接水擊設(shè)閥門關(guān)閉時間為管中流體的速度從逐漸減小直至停止水擊壓強(qiáng)特別是當(dāng)時，間接水擊41第七