第四章 黏性流体管内流动的能量损失

试确定管内油的流动状态。
.
11
§4-2 黏性流体流动的能量损失
• 流体在流动过程中受到流动阻力,由此产生能量 损失。流动阻力是造成能量损失的根本原因，而 能量损失则是流动阻力在能量消耗上的反映。
• 影响流动阻力的主要因素:
流体的黏滞性和惯性(内因)
固体边壁形状及壁面的粗糙度的阻碍和扰动作用(外因)
.
13
一、沿程阻力与沿程损失
沿程阻力:黏性流体在管道中流动时，流体与 管壁面以及流体之间存在摩擦力。沿着流动路程， 流体流动时总是受到摩擦力的阻滞，这种沿流程的 摩擦阻力，称为沿程阻力。
沿程损失: 为克服沿程阻力产生的能量损失，
用符号hf表示，单位为J/kg 、kJ/kg 。 沿程损失hf的大小与流程的长度成正比。
hw h f h j （J/kg）
以压头损失
形式表示
H w H f H j （m）
以压力降（压力
损失）形式表示
p w pf p j （Pa）
.
18
§4-3 圆管内的速度分布和边界层的概念
一、流体在圆形管内的速度分布 如平板间 流速分布
流体流经管道时，在同一截面不同点的速度是不同 的，即速度随位置的变化而变化，这种变化关系称为速度 分布。
• 3、湍流阻力比层流阻力大。
.
10
例4-4 某低速送风管道，内径d200mm，风速v3m/s，
空气温度为40℃。求：（1）判断风道内气体的流动状态；
（2）该风道内空气保持层流的最大流速。
例4-5 某油的黏度为7010-3Pa·s，密度为1050kg/m3，在
管径为114mm4mm的管道内流动，若油的流量为30m3/h，
Re vd vd
.
8
（一）雷诺数——物理意义
• 雷诺数的物理意义——
反映了流体流动中惯性力与粘滞力的对比关系。
惯性力——ρv代表单位时间通过单位截面积的流体质量， ρv2则表示单位时间通过单位截面积的流体的动量，它 与单位截面积上的惯性力成正比；
粘性力——v/d反映了流体内部的速度梯度，故μv/d应 与流体内的粘滞力成正比
当流体在圆形管内流动时，无论是层流还是湍流， 管壁上的流速为零，其它部位的流体质点速度沿径向发生 变化。离开管壁越远，其速度越大，直至管中心处速度最 大。
.
19
1、圆形管内层流速度分布
层流一般发生在低流速、小管径的管路中或黏性较大
临界流速vc＞vc 。
vc:上临界流速 vc:下临界流速
一般用下临界流速vc作为判别流态的界限，vc也直接 称为临界流速。
.
6
• 二、流态的判断依据
（一）雷诺数——定义
流体的流动状态不仅与流体的速度v有关，还与流
体的黏度、密度ρ和管径d有关。
引入无因次准数——雷诺数Re:
Re vd vd
:流体密度，kg/m3；
(2)逐渐开大阀门K:
vc时，有色细流开始出现波动而成波浪形细线。
(3) 继续开大阀门K: 有色开始抖动、弯曲，然后断裂
与周围清水完全混合。 (4) 逐渐关小阀门K:
实验现象将按相反程序出现，vc小于vc。
.
5
实验表明
雷诺实验
（1）当流速不同时，流体的流动具有两种完全不同的流态。
层流(滞流)
过渡流 湍流(紊流) （2）两种流态在一定的流速下Βιβλιοθήκη Baidu互相转变。
流体力学 建筑与环境工程系
.
1
第四章 黏性流体管内流 动的能量损失
学习要求
• 理解实际液体的两种流动型态，流动阻力与水 头损失产生原因，以及边界层概念。
• 掌握圆管层流与紊流沿程阻力系数及沿程水头 损失、局部水头损失的计算方法.
• 理解当量粗糙度、当量直径、水力半径等重要 概念。
.
2
第四章 黏性流体管内流 动的能量损失
于是ρv2/（μv/d）=dvρ/μ=Re。Re数相当 于流体流动中惯性力与粘滞力之比。
当粘滞力较大时——Re较小，流动稳定，层流；
当惯性力较大时——扰动的作用超过粘性的稳定
作用，湍流
.
9
（二）层流和湍流的根本区别
• 1、层流各流层之间互不掺混，只存在 粘性引起的各流层间的摩擦力；
• 2、湍流时，有大小不等的涡体动荡于 各流层间，除了粘性阻力，还存在着由 于质点掺混、相互碰撞产生的惯性力；
局部损失: 为克服局部阻力产生的能量损失， 用符号hj表示，单位为J/kg 、kJ/kg 。
局部损失与管长无关，只与局部管件有关。
.
16
局部损失的计算
hj
v2 2
（J/kg）
式中 局部阻力系数, 为无因次系数。
或
Hj
v2 2g
（m）
pj
v2
2
（Pa）
.
17
三、总阻力损失
整个管路的总能量损失等于各管段的沿程损 失和各处的局部损失的总和，即：
.
14
沿程损失的计算
hf
L d
v2 2 （J/kg）
达西公式
式中 沿程阻力系数, 为无因次系数；
v截面的平均流速，m/s。
Hf
L d
v2 2g
（m）
pf
L d
v2
2
（Pa）
.
15
二、局部阻力与局部损失
局部阻力: 流体流过管件，阀门及进出口等局 部阻碍时，因固体边壁形状的改变，使流体的流速 和方向发生变化，导致产生局部阻力。
• 能量损失分为两种形式：
沿程损失hf 局部损失hj
.
12
四个问题 • 为什么会产生能量损失？ • 损失的能量到那里去了？ • 能量损失如何体现出来？ • 能量损失与那些因素有关？
• 流体的粘性+流层相对运动→摩擦阻力（粘性切应力）； • 摩擦阻力作功→发热散失→表现为机械能减小； • 体现在总流能量方程中的水头损失； • 能量损失与流动状态和流动的边界条件有关。
v :截面的平均流速，m/s； d :管内径，m；
只要雷诺数相同，流 态必然相同。
:流体动力黏度，Pa·s； :流体运动黏度，m2/s。
利用雷诺数的大小可判.断流体的流态。
7
（一）雷诺数——流态判据
临界雷诺数Rec:对应于临界流速的雷诺数。
Rec
vcd
vc d
Rec稳定在2000～2320，一般取Rec2000。 Re≤2000时，是层流流动； Re＞2000时，是湍流流动。
• §4-1 • §4-2 • §4-3 • §4-4
黏性流体流动的两种状态 黏性流体流动的能量损失 圆管内的速度分布 流体在管内流动阻力损失的计算
.
3
§4-1 黏性流体流动的两种状态 • 一、雷诺实验
英国实验物 理学家雷诺
.
4
实验过程
雷诺实验
(1) 微开阀门K: 有色液是一条界线分明的直线，与周围的清水不相混。