3层流和紊流流动课件.ppt
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- 关 键 词:
- 层流 紊流 流动 课件
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1、SIT/MEDSIT/MEDMM第第3章章 管流流动管流流动3.1 流体流动状态3.2 圆管层流流动3.3 圆管湍流流动 3.4 管流阻力SIT/MEDSIT/MEDMM1雷诺实验图3-1 雷诺实验装置3.1 流体流动状态A进水管;B小容器;C,K调节阀;D玻管;E玻管进口SIT/MEDSIT/MEDMM2两种流动状态紊流:很慢很慢 层流层流较大较大 过渡态过渡态大大 紊流(湍流)紊流(湍流)3.1 流体流动状态所有流体质点只作沿同一方向的直线运动,无横向运动。层流:流体质点作复杂的无规则运动(湍流)。过渡状态:从层流到紊流之间。SIT/MEDSIT/MEDMM结论)()d()()(粘度、管径
2、、密度流速有利于紊流的形成判别流体流动状态的标准:粘性力惯性力ddRe3.1 流体流动状态雷诺数ReSIT/MEDSIT/MEDMM临界雷诺准数为Rec:流体流动从一种状态转变为另一种状态的雷诺准数Re。时,为过渡状态当时,为紊流状态当时,为层流状态当上下上下ccccReReReReReReRe一般取Rec=23003.1 流体流动状态层流紊流 Rec上=13800紊流层流 Rec下=2300SIT/MEDSIT/MEDMM当量直径de:A导管或设备的流通截面积,m2;S被流体所浸润的导管或设备的周长,m。3.1 流体流动状态SAde4粘性力惯性力NsmKgsmNmsmmKgd223物理意义:
3、物理意义:ReRe数是一个无因次的变量组合,它从数是一个无因次的变量组合,它从本质上反映了惯性力和粘性力之比。惯性力越大,本质上反映了惯性力和粘性力之比。惯性力越大,越有利于紊流的形成,粘性力越大,越有利于保持越有利于紊流的形成,粘性力越大,越有利于保持层流状态。层流状态。SIT/MEDSIT/MEDMM例3-1 设水及空气分别在内径d=80mm的管中流过,两者的平均流速相同,均为=0.3m/s,已知水及空气的动力黏度各为水=1.510-3Pas,空气=1710-6 Pas,又知水及空气的密度各为水=1000kg/m3,空气=1.293kg/m3,试判断两种流体的流动状态。3.1 流体流动状态
4、SIT/MEDSIT/MEDMM解 按式(3-1)计算Re得:3.1 流体流动状态(1)水的Re数:(2)空气的Re数:230016000105.108.03.01000Re3d紊流流动23001825101708.03.0293.1Re6层流流动SIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动SIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动方法:方法:(1 1)微元体分析法)微元体分析法(2 2)N-SN-S方程简化方程简化3.2.13.2.1微分方程的建立微分方程的建立SIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动层流流动:层流流动:平行流
5、层之间的法线方向(平行流层之间的法线方向(圆管内则为径向):仅存在黏圆管内则为径向):仅存在黏性动量传输;性动量传输;流体流动方向:仅存在质点流体流动方向:仅存在质点的对流动量传输。的对流动量传输。微元体:从长度为微元体:从长度为L L,半径,半径为为R R的垂直圆管中,取一厚度的垂直圆管中,取一厚度为为rr的同心圆薄层的同心圆薄层 作为微元作为微元体体SIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动通过薄层外表面传出的黏性动量为通过薄层外表面传出的黏性动量为 通过薄层内表面传入的黏性动量为通过薄层内表面传入的黏性动量为 rLr2)()(2rrLrr作用在薄层上的重力为作用在薄
6、层上的重力为 作用在作用在A A面(面(z=0z=0)上的总压力为)上的总压力为作用在作用在B B面(面(z=Lz=L)上的总压力为)上的总压力为grLr212prr22prr对流动量收支差量(对流动量收支差量(z方向为零):方向为零):0 动量蓄积:动量蓄积:0 作薄层的动量平衡得:作薄层的动量平衡得:0)(22)()(221pprrgrrLrrrLrrrSIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动上式化简,取极限得:上式化简,取极限得:圆管层流流动常微分方程圆管层流流动常微分方程 rgLpprrr21)(ddSIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流
7、动3.2.2截面速度分布截面速度分布积分上式得:积分上式得:rgLpprrr21)(dd12212CrgLpprr0dd0rzr00rr221rgLpprC1=0SIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动3.2.2截面速度分布截面速度分布流体流过水平管道时:流体流过水平管道时:rzrdd2221141RrRgLppz)(412221rRLppSIT/MEDSIT/MEDMM3.2 圆管层流流动圆管层流流动3.2.3截面平均速度截面平均速度r=0时,流速最大:时,流速最大:221max41RLpp截面上的平均流速为:截面上的平均流速为:20d2RrrR22181RLpp m
8、ax21SIT/MEDSIT/MEDMM1.紊流的起因漩涡的形成 漩涡脱离原来的流层 3.3 圆管紊流流动流层产生波动 压力差 力矩剪切力 力矩SIT/MEDSIT/MEDMM2.紊流特征 3.3 圆管紊流流动vxvyv一个流体质点的运动路径xy(a)tvxvxvxxv(b)SIT/MEDSIT/MEDMM2.紊流特征时均速度:瞬时速度在一段时间内的平均值 脉动xxxvvv脉动速度时均速度瞬时速度某一时刻的 脉动速度时均值 0 x0y0zxyz因此,紊流流动时仅考虑时均速度 3.3 圆管紊流流动SIT/MEDSIT/MEDMM3.紊流流动的雷诺方程 连续性方程 3.3 圆管紊流流动0zyxzy
9、x)()()(2222222zyxzyxxpzyxxzxyxxxxxzxyxxN-S方程)()()(2222222zyxzyxypzyxyzyyxyyyyzyyyx)()()(2222222zyxzyxzpzyxzzyzxzzzzzzyzxSIT/MEDSIT/MEDMM4.紊流流动模型 4.1混合长度模型3.3 圆管紊流流动xyyy+ly-l普朗特混合长度模型普朗特混合长度模型vxLdydvvxxLSIT/MEDSIT/MEDMM4.紊流流动模型 4.1混合长度模型3.3 圆管紊流流动dyddydLLxxij2,附加切应力湍流中的总摩擦应力=粘性切应力+附加切应力dyddyddyddydld
10、ydvxxxxyxxeff)()()(2总附粘总SIT/MEDSIT/MEDMM4.紊流流动模型 4.2 K-双方程模型3.3 圆管紊流流动)()()(jjjijieffjKeffjjjxxxGGxKxxKtKK方程方程3.1,0.1,92.1,45.1)()()(2121KjeffjjjCCCGCKxxxSIT/MEDSIT/MEDMM5.管流速度分布层流:抛物线型紊流:盾头抛物线型2max)(1Rrrmax21nrRr)1(maxmax28.03.3 圆管紊流流动SIT/MEDSIT/MEDMM3.4 管流阻力管流阻力阻阻力力管流局部阻力综合阻力管流摩阻绕流摩阻SIT/MEDSIT/MED
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