第四节流体在管内的流动阻力
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第四节流体在管内的流动阻力实际上理想流体是不存在的。
流体在流动过程中需要消耗能量来克服流动阻力,本节讨论流体流动阻力的产生、影响因素及其计算。
§1.4.1牛顿粘性定律与流体的粘度1、牛顿粘性定律设有间距很小的两平行板,两平板间充满液体(如图)。
下板固定,上板施加一平行于平板的切向力F,使上板作平行于下板的等速直线运动。
紧贴上板的液体层以与上板相同的速度流动,而紧贴固定板的液体层则静止不动。
两层平板之间液体的流速分布则是从上到下为由大到小的渐变。
此两板间的液体可看成为许多平行于平板的流体层,这种流动称为层流,而层与层之间存在着速度差,即各液层之间存在着相对运动。
运动较快的液层对与之相邻的运动较慢的液层作用着一个拖动其向运动方向前进的力;而与此同时,运动较慢的液层对其上运动较快的液层也作用着一个大小相等方向相反的力,从而阻碍较快的液层的运动。
这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力(粘滞力)。
流体流动时产生内摩擦力的这种特性称为粘性。
在上图中,若某层流体的速度为u,在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为u+du,则du/dy表示速度沿法线方向上的变化率,称为速度梯度。
实验证明,内摩擦力F与两流体层间的接触面积S成正比,与速度梯度du/dy成正比。
即:F∝S·du/dy亦即:F=μS·du/dy剪应力τ:单位面积上的内摩擦力,即F/S, 单位N/㎡于是:τ=F/S=μ·du/dy——牛顿粘性定律μ为比例系数,称为粘性系数或动力粘度,简称粘度说明:①牛顿粘性定律可表达为剪应力与法向速度梯度成正比,与法向压力无关,流体的这一规律与固体表面的摩擦力的变化规律截然不同。
②牛顿粘性定律的使用条件:层流时的牛顿型流体。
③根据此定律,粘性流体在管内的速度分布可以预示为:如图紧贴壁面的流体受壁面固体分子力的作用而处于静止状态,随着离壁距离的增加,流体的速度连续地增大,至管中心处速度达到最大。
流体在管内流动阻⼒的计算第四节流体在管内流动阻⼒的计算⼀、压⼒降—流动阻⼒的表现流动阻⼒产⽣的根本原因——流体具有粘性,所以流动时产⽣内摩擦⼒。
如图1—11所⽰,在贮槽下部连接的⽔平管上开两个⼩孔(A、B),分别插⼊两个竖直敞⼝玻璃管,调节出⼝阀开度,观察现象:1) 当调节阀关闭时,即流体静⽌时,A、B管中液⾯⾼度与贮槽液⾯平齐(可⽤静⼒学⽅程解释)。
2) 当打开阀门,流体开始流动后,发现A管液⾯低于贮槽液⾯,⽽B管液⾯⼜低于A管液⾯。
3) 随着流速继续增⼤,A、B管液⾯⼜继续降低,但A仍⾼于B,分析如下:上述现象可⽤柏努利⽅程解释,分别取A、B点为截⾯,列柏努利⽅程: ++=Z2+++说明:(1)流体在⽆外功加⼊,直径不变的⽔平管内流动时,两截⾯间的压差与流动阻⼒⽽引起的压强降数值相等。
(2)若流体流动的管⼦是垂直或倾斜放置的,则两截⾯间的压差与流动阻⼒⽽引起的压强降数值不相等。
⼆、流体在圆型直管中阻⼒损失的计算通式流体在圆管内流动总阻⼒分为直管阻⼒(⼜称沿程阻⼒)和局部阻⼒两部分。
其中直管阻⼒是流体流经⼀定管径的直管时,由于流体的内摩擦⽽产⽣的阻⼒,这⾥讨论它的计算。
范宁(Fanning)公式是描述各种流型下直管阻⼒的计算通式。
(1—30)或(1—30a)式中λ——摩擦系数,⽆因次。
说明:(1)层流时,;(2)湍流时,。
利⽤范宁公式计算阻⼒时,主要问题是λ的确定。
(⼀)层流时λ的求取利⽤⽜顿粘性定律可推导出(1—31)则(1—32)(1—32a)式(1—32)及(1—32a)称为哈根—泊谡叶⽅程,是流体层流时直管阻⼒的计算式,它是有严格理论依据的理论公式。
(⼆)湍流时的确定由于湍流过程中质点运动情况复杂,所以尚⽆严格理论为依据,的求取⼀般采⽤经验式或⼯程图,这⾥介绍查取⽅便的图(摩擦因⼦图),如图1-12所⽰。
图 1—12 图该图中曲线分成四个区:层流区、过渡区、湍流区和完全湍流区。
1. 层流区即,在双数坐标中为⼀条直线,此时⽆关。