流体力学精品课件：第5章 粘性流动及阻力（32学时）.pptx

1、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第五章,第五章 粘性流动及阻力,5.1 流动阻力的分类,5.2 粘性流体的两种流动状态,5.3 附面层及管流起始段的概念,5.4 圆管中的层流流动,5.5 缝隙流,5.6 圆管中的紊流流动,5.7 不可压缩流体绕流,5.1 流动阻力的分类,一、沿程阻力及沿程损失,沿程阻力：流体在缓变流整个流程中受到的流动阻力。 沿程阻力主要由流体与壁面的摩擦造成。,沿程损失：因沿程阻力造成的能量损失。, 沿程阻力系数；,d 管道直径或水力直径。,5.1 流动阻力的分类,二、局部阻力及局部损失,局部阻力：流体流过局部装置时受到的流动阻力。 局部阻力发生在急变流中，主

2、要由流体与 壁面的冲击以及流体质点之间的碰撞造成。,局部损失：因局部阻力造成的能量损失。, 局部阻力系数。,5.2 粘性流体的两种流态,一、雷诺实验,（1）流速由小到大,流速较低，可看到一条细小着色流束，不与周围水相混。称为层流。,当流速增大到一定数值，着色流束开始振荡，处于不稳定状态。,流速再增大，震荡的流束突然破裂，与周围的流体相混。这种流动状态称为紊流或湍流。,（2）流速由大到小,实验反过来进行，紊流状态的流动便会转变为层流状态。,5.2 粘性流体的两种流态,（1）当流速小于下临界速度时，为层流状态；,雷诺实验结果,上临界速度 ：由层流转变为紊流的流速。,下临界速度 ：由紊流转变为层流的

3、流速。,（2）当流速大于上临界速度时，为紊流状态；,（3）当流速介于上、下临界速度之间时，为过渡状态；,（4）上、下临界速度的数值与很多因素有关。,（5）沿程损失与流速的关系：,层流，m =1；紊流，m=1.752,5.2 粘性流体的两种流态,二、流态判别准则-雷诺数,雷诺数,下临界雷诺数为2320； 上临界雷诺数为13800。,（1）当流动雷诺数 2000 时，为层流状态；,流态判别准则,（2）当流动雷诺数 2000 时，为紊流状态。,5.3 附面层与管流起始段,一、附面层的形成和分类,速度从壁面处的零增加到 99% 来流速度时的法线方向的距离，定义为附面层厚度。,附面层内的流动也有层流和紊

4、流之分。,即使在紊流附面层中，紧邻壁面仍有一极薄的层流层，称为层流底层。,5.3 附面层与管流起始段,二、附面层分离和压差阻力,在S点，紧邻壁面的流体因动能耗尽而完全停止。 S点后的流体在压差作用下就贴着壁面向S点回流，迫使附面层离开壁面。S点为分离点。,在此过程中，粘性所消耗的能量可部分地从压力降低中得到补偿，使流体得以继续向前流动。,从B点到S点，正好相反；流体的动能除了要克服粘性摩擦、还要克服压差。,从A点到曲面最高点B时，速度增加，压力降低。,顺压流动,逆压流动,附面层分离,5.3 附面层与管流起始段,三、管流起始段,粘性流体在管壁上形成附面层，随着流动的深入，附面层不断增厚，直至附面

5、层在管轴处相交。附面层相交以前的管段，称为管道入口段。,5.4 圆管中的层流,一、速度分布,首先进行微元体受力分析：,（1）两端面上的总压力：,（2）重力：,（3）侧面上的摩擦力：,（加上负号是因为速度梯度 0 ）,5.4 圆管中的层流,对 r 进行积分，得：,边界条件：,列 x 方向的平衡方程：,两边同除 r2dx 得：,由于是缓变流截面，故上式左边只能是 x 的函数：,i 称为水力坡度，表示单位管长的沿程损失。,管轴上的最大流速：,平均流速：,圆管中的流量：,5.4 圆管中的层流,二、流量和平均速度,圆管内层流速度分布：,5.4 圆管中的层流,四、沿程损失,考虑长度 l 上的沿程损失：,由

6、此可求出沿程损失的表达式：,由于平均流速：,三、内摩擦力分布,5.5 缝隙流,一、平行平板间的缝隙流,取长 dx，厚 dy，宽 b的微元流体。,因流体不加速，x方向的合力为零：,上式左边只是 y 的函数，右边只是 x 的函数；故等于常数。,记：,5.5 缝隙流,由牛顿内摩擦定律有：,再积分得：,代入边界条件，得：,通过缝隙的流量为：,5.5 缝隙流,两种特殊情况：,（1）流体依靠两端压力差的作用产生流动，称为压差流。,（2）流体靠上板拖动而产生剪切变形，称为剪切流。,速度分布的一般表达式：,5.5 缝隙流,二、偏心环形缝隙流,因缝隙很小，沿轴向的流动可当成两平行平板间的缝隙流。,由缝隙流的流量

7、表达式，可得流过如图阴影部分的流量为：,由图中几何关系：,得流量表达式：,由上式可看出，相对偏心距 对流量的影响： 当 =1时，流量达到最大，等于同心环形流量的2.5倍。,5.6 圆管中的紊流,一、脉动现象和时均化的概念,(2) 时均速度：,紊流切应力包括摩擦切应力和紊流附加切应力：,(1) 瞬时速度,(3) 脉动速度,二、紊流的切应力,5.6 圆管中的紊流,三、水力光滑管与水力粗糙管,管壁粗糙度：,层流底层厚度：,时，粘性底层完全淹没了管壁粗糙凸出部分，外部紊流区域完全不受管壁粗糙度的影响，流体好象在完全光滑的管子中流动一样。这种情况的流动称作“水力光滑”，这种管道称为水力光滑管。,时，管壁

8、的粗糙凸出部分有一部分或大部分暴露在紊流区中。这种情况的流动称作“水力粗糙”，这种管道称为水力粗糙管。,5.6 圆管中的紊流,四、紊流速度分布,紊流速度分布指数规律：,指数随雷诺数的变化：,5.7 不可压流体绕流,一、绕流物体的作用力,阻力 FD ：与来流方向相反的力。 包括摩擦阻力和压差阻力。,升力 FL ：与来流方向垂直的力。,摩擦阻力 ：由于流体流动摩擦引起的阻力； 压差阻力：由于物体前后压差引起的阻力。,5.7 不可压流体绕流,二、流体绕圆柱体的流动,涡街流量计：,（1）精度：1%； （2）公称通径：DN15 DN2500； （3）实时显示瞬时流量和累积流量； （4）无活动部件，可靠性高。,5.7 不可压流体绕流,三、绕球形物体的流动,阻力：,浮力：,重力：,沉降速度：,u,G,FD,FB,5.7 不可压流体绕流,阻力系数随雷诺数的变化,第五章小结,【本章重点】,粘性流体的两种流动状态；圆管中的层流流动；缝隙流。,【本章难点】,【学习目标】,流体微团受力分析。,理解层流与紊流的概念；掌握简单层流问题的求解；掌握沿程损失、局部损失的基本概念及有关公式。,