第1章流体及其主要物理性质

➢教学内容、重点及难点
基本内容 采用以水为代表的液体，研究水头损失的成因与分类， 探讨水头损失与液流型态的关系，分析水头损失的变化 规律及其计算方法。
重、难点
1.流动的分类：层流和紊流的理解。 2.经验公式的理解和应用。
❖ 了解流动的两种流态（层流与紊流）及其判 别，知道紊流的脉动特性与时间平均的概念；
2b
大。
流动阻力F ： F
A
水力半径 R ： R A
单位：m
水力直径 dR ：4R dR 单位：m
水力半径 R 越大，水头损失 hw 越小。
F 1 R
r
r 2 r
R
2r 2
圆形
h R bh 2(b h)
b 矩形
a R a2 a 4a 4
a 方形
b 矩形明渠
h R bh 2h b
层流
紊流
层流
紊流
Re
上临界雷诺数 ReC
12000-40000
Re
ReC 2000 下临界雷诺数
对圆管：
Re k
vk d
2000
d — 圆管直径
对非圆管断面： Rek
vk R
500
R — 水力半径
对明渠流：
ReБайду номын сангаасk
vk R 300
R — 水力半径
对绕流现象：
Re k
vk l
L — 固体物的特征长度
g g
gA
p2A n
列写伯努利方程
z1
p1
g
1v12
2g
z2
p2
g
2v22
2g
hw12
得
hf
0l gA
0l gR
❖ 知道圆管层流和紊流的断面流速分布；
❖ 牢固掌握确定圆管流动沿程水头损失系数和 水头损失的途径和方法；
❖ 理解边界层概念，了解边界层分离现象和物 体的绕流阻力。
造成能量损失的原因：流动阻力
内因— 流体的粘滞性和惯性 外因— 流体与固体壁面的接触情况
流体的运动状态 能量损失的表示方法
液体：hw — 单位重量流体的能量损失 气体：pw — 单位体积流体的能量损失
【解】
水的流动雷诺数
Re vd 1404 2000
层流流态
如要改变其流态
1）改变流速 v Rek 11.4m / s
d
2）提高水温改变粘度
vd 0.008cm2 / s
Re
第三节 均匀流的沿程水头损失
一、均匀流基本方程
A p1A
τ0 z1
l
α
G
z2
0
对流体中一有限体进行受力分析
流股本身的重量
第1章 流体及其主要物理性质
第2章 流体静力学 第3章 流体动力学基础 第4章 流动阻力和水头损失 第5章 孔口、管嘴出流及有压管流 第6章 明渠均匀流 第7章 明渠水流的两种流态及其转换
第四章 流动阻力和水头损失
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
流动阻力和水头损失的分类 粘性流体运动的两种流态 均匀流的沿程水头损失 圆管中的层流运动 紊流运动 紊流的沿程水头损失 局部水头损失
d
v
粘性稳定
惯性力 vd
Re 粘性力
利于稳定
圆管中恒定流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临 界雷诺数，又分为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临 界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确 定，跨越一个较大的取值范围。有实际意义的是下临界 雷诺数，表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的 取值，圆管定常流动取为 ReC 2000
生在非均匀流段上，由局部阻力产生 的水头损失。
以 hj 表示
hj
v2 2g
或
pj
v2
2
总损失： hw hf hj
二、水力半径及其 对水头损失的影响
r1 A1
r2
过流断面面积A 越大，水头
A2
损失hw 越小。
湿周χ ： 在过流断面上流体与固体边壁的接触周长。
b b
过流断面面积A 相同时，
b/2 湿周χ 越大，水头损失 hw 越
第二节 粘性流体运动 的两种流态
一、雷诺实验
层流
速度由小到大，层流向紊流过渡 ——上临界速度 v'k 速度由大到小，紊流向层流过渡 ——下临界速度 vk
稳定直线，质点 不相混杂
过渡阶段
线条摆动弯曲， 旋转，破裂
紊流
线条完全散开，质点 混杂，作无规则运动
二、流动状态与水头损失的关系
v vk 层流运动；AB直线
Re vd 27933 2000
1
紊流流态
油的流动雷诺数
Re vd 1667 2000
2
层流流态
【例】 温度 t 15C 运动粘度 1.14106 m2 / s 的水，在 直径 d 2m 的管中流动，测得流速 v 8cm / s ，问水流处
于什么状态？如要改变其运动，可以采取那些办法？
对流体绕过球形物体：
Re k
vk d
1
d — 球形物直径
【例】水和油的运动粘度分别为 1 1.79106 m2 / s 2 30106 m2 / s 若它们以 v 0.5m / s 的流速在
直径为 d 100mm 的圆管中流动，试确定其流 动状态？
【解】对1－1，2－2列写伯努利方程
水的流动雷诺数
p2A
G cos gAl cos gA(z2 z1)
n
端面压力 ( p1 p2 ) A
流股表面受到的摩擦力
T 0 l
流股湿周上的平均切应力
列写动量方程 Fn Q(v2 v1) 0
A p1A
τ0 z1
l
α
G
z2
p1A1 p2 A2 gAl cos 0l 0
p1 p2 l cos 0l 0
vd Re
称为雷诺数。
1883年，雷诺试验也表明：圆管中恒定流动的流态转化取
决于雷诺数
Re
vd
d 是圆管直径，v 是平均流速， 是流体的运动粘性系数。
实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因 素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。即惯性扰动和 粘性稳定之间对比和抗衡的结果。
扰动因素
对比 抗衡
第一节 流动阻力和 水头损失的分类
一、损失分类及计算
沿程损失：
在均匀流中，流体所承受的阻力只有 不变的摩擦阻力，称为沿程阻力。发
生在均匀流段上，由沿程阻力产生的
水头损失。
以 hf 表示
hf
l
d
v2 2g
或
pf
l d
v2
2
在非均匀流动中，各流段所形成的阻
力是各种各样的，但都集中在很短的
局部损失： 流段内，这种阻力称为局部阻力。发
hf k1v
v vk 紊流运动；DE线 hf k2v1.75~2
紊流运动；E点之后
hf k2v2
vk v vk 流态不稳；
三、流态的判别 —— 雷诺数
vk f (, , d)
临界速度不能作为判别流态的标准！
通过量纲分析和相似原理发现，上面的物理量可以 组合成一个无量纲数，并且可以用来判别流态。