流体力学圆管流动(new0)
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第5章圆管流动一.学习目的和任务1.本章学习目的(1)掌握流体流动的两种状态与雷诺数之间的关系;(2)切实掌握计算阻力损失的知识,为管路计算打基础。
2.本章学习任务了解雷诺实验过程及层流、紊流的流态特点,熟练掌握流态判别标准;掌握圆管层流基本规律,了解紊流的机理和脉动、时均化以及混合长度理论;了解尼古拉兹实验和莫迪图的使用,掌握阻力系数的确定方法;理解流动阻力的两种形式,掌握管路沿程损失和局部损失的计算;了解边界层概念、边界层分离和绕流阻力。
二.重点、难点重点:雷诺数及流态判别,圆管层流运动规律,沿程阻力系数的确定,沿程损失和局部损失计算。
难点:紊流流速分布和紊流阻力分析。
由于实际流体存在黏性,流体在圆管中流动会受到阻力的作用,从而引起流体能量的损失。
本章将主要讨论实际流体在圆管内流动的情况和能量损失的计算。
5.1 雷诺(Osborne Reynolds)实验和流态判据5.1.1 雷诺实验1883年,英国科学家雷诺通过实验发现,流体在流动时存在两种不同的状态,对应的流体微团运动呈现完全不同的规律。
这就是著名的雷诺实验,它是流体力学中最重要实验之一。
图5-1 雷诺(Osborne Reynolds)实验图5-2 雷诺实验结果105如图5-1所示为雷诺实验的装置。
其中的阀门T1保持水箱A 内的水位不变,使流动处在恒定流状态;水管B 上相距为l 处分别装有一根测压管,用来测量两处的沿程损失f h ,管末端装有一个调节流量的阀门T3,容器C 用来计量流量;容器D 盛有颜色液体,T2控制其流量。
进行实验时,先微开阀门T3,使水管中保持小速度稳定水流,然后打开颜色液体阀门T2放出连续的细流,可以观察到水管内颜色液体成一条直的流线,如图5-2(a )所示;从这一现象可以看出,在管中流速较小时,它与水流不相混和,管中的液体质点均保持直线运动,水流层与层间互不干扰,这种流动称为层流(Laminar flow )。
流体在圆管中层流流动的速度分布在物理学中,流体的运动方式可以分为层流流动和湍流流动两种。
层流流动是指流体在管道中以层状流动的状态,流速分布均匀且稳定。
而湍流流动则是指流体运动呈现旋涡、乱流的状态,流速分布不均匀且不稳定。
本文将重点介绍流体在圆管中层流流动的速度分布。
在圆管中,当流体以层状流动时,流速的分布具有一定的规律。
根据流体的连续性方程和动量守恒方程,可以得出流体在圆管中的速度分布与半径的关系。
根据流体的连续性方程,可以得到流体流速和管道截面积的关系。
流体的流速与管道截面积成反比,即流速越大,管道截面积越小。
这是因为在层流流动中,不同层次的流体速度需要相互配合才能维持流动。
根据动量守恒方程,可以得到流体的速度分布与半径的关系。
根据该方程的推导可知,流体的速度随着管道半径的变化而变化。
具体来说,当流体靠近管道内壁时,由于受到摩擦力的作用,流体速度会减小;而当流体靠近管道中心时,受到的摩擦力较小,流体速度较大。
因此,流体在圆管中的速度分布呈现出一种从管道中心到管道壁逐渐减小的趋势。
根据这一规律,可以得出流体速度与管道半径的关系。
在圆管中,流体速度随着管道半径的增大而减小。
具体来说,流体速度与管道半径的平方成反比关系。
这意味着,管道中心处的流体速度最大,而管道壁处的流体速度最小。
在实际应用中,对于层流流动的速度分布,可以利用该规律进行流体的控制和调整。
例如,在工业生产中,希望流体在管道中保持层流流动的状态,可以通过调整管道直径和流体流速来实现。
根据流体速度与管道半径平方的关系,可以控制流体在管道中的速度分布,从而保持流体的层流状态。
总而言之,流体在圆管中的层流流动速度分布遵循一定的规律。
通过了解流体速度与管道半径的关系,可以对流体在圆管中的速度分布进行预测和调整。
这对于实际应用中对流体的控制和调整具有重要的指导意义。