1 《流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)》教案(章節(jié)備課)教學(xué)目的教學(xué)目的和要求教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)進(jìn)程 教學(xué)時(shí)間教學(xué)輔助1.重點(diǎn)掌握粘性流體的兩種流態(tài)，管流水頭損失的計(jì)算(包括層流和湍流)；；3.掌握管流的水力計(jì)算。1.邊界層的概念粘性流體的兩種流態(tài)(’)()流體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)(’)年英國(guó)物理學(xué)家雷諾()通過(guò)試驗(yàn)觀察到液體中存在層流和湍流兩種流態(tài)()層流與湍流(’)的特點(diǎn)()有序性。水流呈層狀流動(dòng)，各層的質(zhì)點(diǎn)互不混摻，質(zhì)點(diǎn)作有序的直線運(yùn)()粘性起主要作用，遵循牛頓內(nèi)摩擦定律。()能量損失與流速的一次方成正比。()在流速較小時(shí)發(fā)生。湍流：是指局部速度、壓力等力學(xué)量在時(shí)間和空間中發(fā)生不規(guī)則(1)6學(xué)時(shí) (2)各部情況調(diào)整， 2)采用多教學(xué)，在多流實(shí)驗(yàn)視等演示4)板書(shū)設(shè)計(jì)：左側(cè)一容2 ()無(wú)序性、隨機(jī)性、有旋性、混摻性。流體質(zhì)點(diǎn)不再分層流動(dòng)，而是呈現(xiàn)不規(guī)則湍動(dòng)，流層間質(zhì)點(diǎn)相互混摻，為無(wú)序的隨()湍流受粘性和湍動(dòng)的共同作用。()水頭損失與流速的次方成正比。()在流速較大時(shí)發(fā)生。雷諾數(shù)：雷諾發(fā)現(xiàn)流動(dòng)由層流至湍流的轉(zhuǎn)變與管內(nèi)的平均流速、圓管直徑、流體密度、以及流體動(dòng)力粘度四個(gè)物理量組成的無(wú)因次數(shù)有關(guān)，故命名為雷諾數(shù)。()雷諾數(shù)的計(jì)算(’)：3 對(duì)于非圓管，采用當(dāng)量直徑d或水力半徑R表示管直徑。H當(dāng)量直徑：d=4RH水的流速在直徑為v10油100的圓管中流動(dòng)若它們以0試確定它們的流動(dòng)狀態(tài)答水的流動(dòng)雷諾數(shù)油的流動(dòng)雷諾數(shù)1空氣的流動(dòng)雷諾數(shù)(1)試判斷管中水流流態(tài)？()若要保持層流，最大流速是多少？管流水頭損失(’)水頭損失：流體流動(dòng)克服粘性內(nèi)摩擦力消耗機(jī)械能為熱能單位重量流體所損失的機(jī)械能為能頭損失水頭(1)沿程水頭損失(10’)λ沿程水頭損失：為克服沿程阻力而消耗的機(jī)械能稱(chēng)為沿程能量損失，單位重量流體的沿程能量損失稱(chēng)為沿程水頭損失。能量損失往往以壓強(qiáng)差的形式表現(xiàn)出來(lái)，因此又叫壓強(qiáng)損失4 ()局部水頭損失(’)ξ體的局部能量損失，即為局部水頭損失()總能量損失(’)圓管中的層流運(yùn)動(dòng)(’)()過(guò)流斷面上流速分布規(guī)律(’)流體沿圓形管路流動(dòng)時(shí)，其雷諾數(shù)，則為層流。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，有5 管內(nèi)平均流速()流量計(jì)算(’)拓展到傾斜管路(’)()切應(yīng)力分布(’)切應(yīng)力管壁處的切應(yīng)力6 管壁上的總摩擦力(也適用于湍流)()沿程能量損失(’)壓強(qiáng)損失水頭損失圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流速的一次方成正比，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。只適用于均勻流情況，在管路進(jìn)口附近無(wú)效。推導(dǎo)中引用了層流的流速分布公式，但可擴(kuò)展到湍流，湍流拓展功率損失(’)流量一定時(shí)，降低粘度或加大管徑都可以減少功率損失。例題(5’)U=12cm/s,=0.01306cm2/s,求：沿程阻力損失例題二(10’)已知ρ的油在管徑的管中以的平均速度作層流運(yùn)動(dòng)，求()管中心處的最大流速；7 ()在離管中心處的流速；()沿程阻力系數(shù)λ；()管壁切應(yīng)力τ及每管長(zhǎng)的水頭損失。圓管內(nèi)的湍流流動(dòng)(’)(1)湍流脈動(dòng)現(xiàn)象及時(shí)均化(15’)由雷諾實(shí)驗(yàn)知湍流流動(dòng)時(shí)，不但流體質(zhì)點(diǎn)跡線非常復(fù)雜，而且速度、壓力等運(yùn)動(dòng)要素均在不斷變化。故湍流本質(zhì)上是非定常流動(dòng)。研究湍流唯一可行的方法是時(shí)間平均流速：流體質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度始終圍繞著某一平均值而不斷跳動(dòng)(即脈動(dòng))，這一平均值就稱(chēng)為時(shí)間平均流速。將任意一點(diǎn)的瞬時(shí)流速分為時(shí)均速度與脈動(dòng)速度之和，即瞬時(shí)速度在時(shí)間間隔T內(nèi)的平均值稱(chēng)時(shí)(間平)均速度，即:推廣到其它物理量S，可采用同樣的方法進(jìn)行時(shí)均化處理。8 脈動(dòng)量的均方值不等于零，即運(yùn)用時(shí)均化法可將湍流分為兩個(gè)組成部分：⑴用時(shí)均值表示的時(shí)均流動(dòng)——運(yùn)動(dòng)的主流。⑵用脈動(dòng)值表示的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)——湍流的本質(zhì)。本課程主要研究時(shí)均流動(dòng)。(2)湍流的速度結(jié)構(gòu)與水力光滑管和水力粗糙管(5’)有一層極薄的流體保持層流。湍流核心:管軸中心區(qū)域,粘性影響減弱,過(guò)渡層：粘性底層與湍流核心之間有一界限不很分明的區(qū)域。絕對(duì)粗糙度△與粘性底層δ之比有：△＜δ，管壁粗糙不平處被粘性底層覆蓋，對(duì)紊流核心沒(méi)有影響，稱(chēng)為水力光滑管△>δ，管壁粗糙不平處部分暴露在粘性底層外，紊流核心的流體運(yùn)動(dòng)撞擊到突起處，不斷產(chǎn)生新的旋渦，增加湍流度稱(chēng)為水力粗糙管。的原因；轉(zhuǎn)捩:轉(zhuǎn)捩是擾動(dòng)放大導(dǎo)致流動(dòng)失穩(wěn)的結(jié)果。Re數(shù)表示慣性力與粘性力的比值，慣性力促使擾動(dòng)增長(zhǎng)而粘性力則起由許許多多不同尺度的旋渦運(yùn)動(dòng)疊加而成。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，大尺度的旋渦分裂成小渦，而小渦則由于粘性耗損逐漸消失，其所帶的能量轉(zhuǎn)化為熱能，整個(gè)流動(dòng)是旋渦不斷產(chǎn)生——分裂——(3)湍流切應(yīng)力分布及斷面速度分布(10’)湍流中，流速大小方向隨機(jī)變化，除了主流動(dòng)還存在不同方向的脈動(dòng)，出現(xiàn)層間相互摻混現(xiàn)象。摻混引起層間動(dòng)量傳遞，這種由湍流脈動(dòng)速度引起的作用力稱(chēng)作附加切應(yīng)力。9 物理意義：1)在Re較小時(shí)，脈動(dòng)較弱，粘性切應(yīng)力占主要地位.2)Re較大時(shí)，脈動(dòng)程度加劇，湍流附加切應(yīng)力加大，在已充分發(fā)展的湍流中，粘性切應(yīng)力與湍流附加切應(yīng)力相比可忽略不計(jì)。3)沿?cái)嗝媲袘?yīng)力分布不同，近壁處以粘性切應(yīng)力為主 層流：拋物型湍流：指(對(duì))數(shù)型(豐滿)。Re愈普蘭特-卡門(mén)圓管湍流速度分布指數(shù)公式(4)圓管內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)的沿程損失(10’)但是λ的取值方法不同 局部阻力系數(shù)的確定(’)失大致可分為如下三類(lèi)：①由于管道斷面面積的大小發(fā)生變化引起的局部能量損失。例如管道斷面突然擴(kuò)大、突然縮小、逐漸擴(kuò)大和縮小等；②由于管道的方向發(fā)生變化，引起的局部能量損失，例如各種等；③由于流動(dòng)的速度大小和方向均發(fā)生變化而引起的局部能量損失。例如各種閥門(mén)(平板閥、球形閥、錐閥、滑閥等). (1)斷面突擴(kuò)的局部阻力系數(shù)(’)(2)常見(jiàn)障礙的局部阻力系數(shù)(’)例題一(’)不同管徑的兩管道的連接處出現(xiàn)截面突然擴(kuò)大。管道的管徑＝＝。為了測(cè)量管的沿程阻力系數(shù)λ以及λ和ξ。 管流水力計(jì)算(’)(1)串聯(lián)管路的計(jì)算(’)由幾段不同直徑或不同粗糙度的管子例題一(10’)s0管徑d=0.2m，長(zhǎng)度ls0管徑d=0.2m，長(zhǎng)度l=4m，沿程損失系數(shù)λ＝0.024，總的局1111221222 (2)并聯(lián)管路的計(jì)算(’)由幾條簡(jiǎn)單管路或串聯(lián)管路的入口端與出口端分別連接在一起的管路邊界層概述(’)(1)邊界層概念(’)雷諾數(shù)很大時(shí)，粘性小的流體(如空氣或水)沿固體壁面流動(dòng) (或固體在流體中運(yùn)動(dòng))時(shí)壁面附近受粘性影響顯著的薄流層稱(chēng)為邊界層。 邊界層厚度δ(boundarylayerthickness)：自固體邊界表面沿其外法線到縱向流速u(mài)達(dá)到主流速U的99%處，這段距離稱(chēng)為邊0邊界層流動(dòng)同樣存在兩種流態(tài)：層流和湍流)：當(dāng)邊界層厚度較小時(shí)，邊界層內(nèi)的流速梯度很大，粘滯應(yīng)力的作用也很大，這時(shí)邊界層內(nèi)的流動(dòng)屬于層流，這種邊界層稱(chēng)為層流邊界層。)：隨著邊界層厚度增加，內(nèi)部流體速度減小，黏性作用力減弱，流態(tài)從層流經(jīng)過(guò)：思考第1次課預(yù)習(xí)思考題題流體在管路中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有哪些，怎樣判定？層流的速度分布、壓力分布、平均流速、沿程損失等如何計(jì)算？湍流速度如何研究？湍流的速度分布是怎樣的？湍流中的水力計(jì)算？并聯(lián)管路與串聯(lián)管路及其相應(yīng)的水力計(jì)算？邊界層的概念？思考1、為何不能直接用臨界流速作為判別流態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)？題2、雷諾數(shù)與那些因素有關(guān)？其物理意義是