《层流运动与紊流运动.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《层流运动与紊流运动.ppt（29页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 WHU液体的层流运动与紊流运动液体的层流运动与紊流运动主讲人：槐文信主讲人：槐文信武汉大学武汉大学 博士、博士、教授、博导教授、博导河流工程系系主任河流工程系系主任 WHU一、雷诺试验一、雷诺试验 WHUu雷诺生平简介雷诺生平简介 雷诺（雷诺（O.Reynolds，18421912）：英国力学家、）：英国力学家、理学家和工程师，理学家和工程师，1842年年8月月23日生于爱尔兰，日生于爱尔兰，1867年毕业于剑桥大学王后学院，年毕业于剑桥大学王后学院，1868年出任曼彻斯特年出任曼彻斯特欧文学院（后改名为维多利亚大学）首席工程学教欧文学院（后改名为维多利亚大学）首席工程学教授，授，1877年
2、当选为皇家学会会员，年当选为皇家学会会员，1888年获皇家勋年获皇家勋章。雷诺于章。雷诺于1883年发表了一篇经典性论文年发表了一篇经典性论文决定决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨阻力定律的探讨。这篇文章用实验说明水流分为。这篇文章用实验说明水流分为层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数层流与紊流两种形态，并提出以无量纲数Re作为判作为判别两种流态的标准。雷诺于别两种流态的标准。雷诺于1886年提出轴承的润滑年提出轴承的润滑理论，理论，1895年在湍流中引入应力的概念。他的成果年在湍流中引入应力的概念。他的成果曾汇编成曾汇编
3、成雷诺力学和物理学课题论文集雷诺力学和物理学课题论文集两卷。两卷。WHUu引引 言言恒定总流的能量方程（恒定总流的能量方程（Bernoulli Equation）：）：图图1 1 恒定总流的能量方程示意图恒定总流的能量方程示意图单位重量液体所具有的动能；单位重量液体所具有的动能；单位重量液体所具有的压强势能；单位重量液体所具有的压强势能；单位重量液体所具有的位置势能；单位重量液体所具有的位置势能；单位重量液体从单位重量液体从1 1断面到断面到2 2断面断面的能量损失（水头损失）。的能量损失（水头损失）。WHU 早在早在1919世纪初，水力学家发现：由于液体具有粘性，在世纪初，水力学家发现：由于
4、液体具有粘性，在不同的条件下，液体的断面流速分布不同，液流的能量损失不同的条件下，液体的断面流速分布不同，液流的能量损失的规律也不相同。的规律也不相同。18831883年，英国科学家雷诺年，英国科学家雷诺(Osborne Reynolds)做了著名做了著名的雷诺实验，试图找到流动中由于粘性存在而产生的能量损的雷诺实验，试图找到流动中由于粘性存在而产生的能量损失规律。失规律。雷诺实验雷诺实验（Reynolds experiment ）图图2 2 不同条件下的圆管流速分布图不同条件下的圆管流速分布图 WHUu雷诺实验雷诺实验实验装置实验装置实验现象实验现象 实验结论实验结论 WHU实验装置实验装置
5、图图3 3 雷诺实验装置示意图雷诺实验装置示意图颜色水颜色水 WHU层流层流过渡流过渡流紊流紊流实验现象实验现象（b）振荡摇摆的波形色线振荡摇摆的波形色线（c）色线破裂扩散色线破裂扩散（a）平稳而鲜明的细色线平稳而鲜明的细色线 层流层流 紊流：紊流：上临界流速上临界流速 紊流紊流 层流：层流：下临界流速下临界流速 WHU层流层流（Laminar Flow）亦称片流，是指在流速较小时，液体质点作有条不紊的有亦称片流，是指在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。的流动。紊流紊流（Turb
6、ulent Flow）亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，液体质点运动轨迹极不规则的流动。互混掺，液体质点运动轨迹极不规则的流动。过渡流过渡流（Transitional flow）是层流与紊流之间的过渡阶段。是层流与紊流之间的过渡阶段。例：毛细血管中血液流动例：毛细血管中血液流动,流速很小的细直管道流动等等。流速很小的细直管道流动等等。例：输油管道，天然河道，大气环流、洋流、动脉中血液的流动等等。例：输油管道，天然河道，大气环流、洋流、动脉中血液的流动等等。WHU2.2.用体积法测流量用体积法测流量 每改变一次流量，就可得到一
7、组不同的每改变一次流量，就可得到一组不同的 的值，经过多次的反复实的值，经过多次的反复实验发现，验发现，的变化会引起不同的能量损失规律。的变化会引起不同的能量损失规律。实验结论：流速和水头损失的关系实验结论：流速和水头损失的关系1.1.用测压管测水头损失用测压管测水头损失由：由：得：得：图图4 4 雷诺实验仿真模拟示意图雷诺实验仿真模拟示意图 WHU AC 段和段和 D E段段为直线段为直线段 vcCDAB层流层流 紊流紊流 AB 段和段和 D E段为直线段段为直线段 BDAvc层流层流 紊流紊流E EE E WHUBDAvcCvc层流层流 过渡过渡 紊流紊流 WHUBDAvcCvc层流层流
8、过渡过渡 紊流紊流 层流段和紊流段层流段和紊流段水头损失与流速的关水头损失与流速的关系为：系为：WHUBDAC层流层流 过渡过渡 紊流紊流层流层流 紊流紊流 WHUu雷诺数和临界雷诺数雷诺数和临界雷诺数流动型态判别：流动型态判别：用颜色水观察水流型态（可操作性差）用颜色水观察水流型态（可操作性差）用临界流速判断（缺乏普适性）用临界流速判断（缺乏普适性）上临界雷诺数上临界雷诺数下临界雷诺数下临界雷诺数雷诺等人发现：临界流速雷诺等人发现：临界流速 由量纲分析得到无量纲量：由量纲分析得到无量纲量：WHU临界雷诺数临界雷诺数：由于下临界雷诺数由于下临界雷诺数 比较稳定，因此用下临界雷比较稳定，因此用下
9、临界雷诺数作为判断液流型态的依据，称为诺数作为判断液流型态的依据，称为临界雷诺数临界雷诺数。紊流紊流层流层流对于圆管：对于圆管：雷诺数雷诺数d以上试验虽然都是以圆管液流为对象，其结论对其他以上试验虽然都是以圆管液流为对象，其结论对其他 边界条件亦适用。边界条件亦适用。例如：例如：明渠明渠:平行固体边壁之间平行固体边壁之间:WHUu雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义粘性力粘性力抑止小扰动，促使液流趋于稳定。抑止小扰动，促使液流趋于稳定。惯性力惯性力使小扰动的作用保持和强化，促使液流趋于紊动。使小扰动的作用保持和强化，促使液流趋于紊动。雷诺数表征了液流的雷诺数表征了液流的惯性力惯性力与与粘性力粘性力
10、的比值。的比值。流速较大（流速较大（ReRe较大）较大）流速较小（流速较小（ReRe较小）较小）粘性力起主导作用粘性力起主导作用惯性力起主导作用惯性力起主导作用层流层流紊流紊流 惯 WHU层流层流（有序性）（有序性）流速小流速小颜色水不与清水掺混颜色水不与清水掺混 液体质点作有条不紊的运动液体质点作有条不紊的运动 紊流（无序性）紊流（无序性）流速大流速大颜色水快速而完全地与清水掺混颜色水快速而完全地与清水掺混 液体质点运动轨迹不规则液体质点运动轨迹不规则 u小小 结结 WHU二、紊流运动二、紊流运动紊流形成的必备条件：紊流形成的必备条件：涡体的形成涡体的形成形成后的涡体，脱离原来的流层或流束，
11、形成后的涡体，脱离原来的流层或流束，掺入邻近的流层或流束掺入邻近的流层或流束 WHUu 涡体形成的前提涡体形成的前提 前提前提1 1：由于液体的粘滞性和边界面上的滞水作用，液：由于液体的粘滞性和边界面上的滞水作用，液流过水断面上的流速分布常常是不均匀的。在各流流过水断面上的流速分布常常是不均匀的。在各流层的相对运动中，由于粘滞性的作用，在相邻各层层的相对运动中，由于粘滞性的作用，在相邻各层间将产生切应力。对于某一选定的流层来说，流速间将产生切应力。对于某一选定的流层来说，流速较大的邻层作用于它的切应力是顺流向的；流速较较大的邻层作用于它的切应力是顺流向的；流速较小的邻层作用于它的切应力是逆流向
12、的，因此，选小的邻层作用于它的切应力是逆流向的，因此，选定流层所承受的切应力，有构成力偶并促使涡体产定流层所承受的切应力，有构成力偶并促使涡体产生的倾向。生的倾向。前提前提2 2：流体的波动。：流体的波动。WHUu涡体的形成涡体的形成图图4 42 21 1 WHUu涡体脱离原流层的条件涡体脱离原流层的条件 涡体能否脱离原流层取决于惯性力于粘滞力的涡体能否脱离原流层取决于惯性力于粘滞力的对比关系。雷诺数就是反映这种对比关系的定对比关系。雷诺数就是反映这种对比关系的定量指标量指标图图4 42 22 2 涡体两边的压差形成作用于涡体的作用力涡体两边的压差形成作用于涡体的作用力 WHU当雷诺数小于临界
13、雷诺数：粘滞力起主导作用，当雷诺数小于临界雷诺数：粘滞力起主导作用，不会产生紊流不会产生紊流 。当雷诺数大于临界雷诺数：惯性力起主导作用，当雷诺数大于临界雷诺数：惯性力起主导作用，导致涡体作无规则的随机运动（紊动），于是，导致涡体作无规则的随机运动（紊动），于是，流动就成为紊流。流动就成为紊流。WHU三、圆管中的层流三、圆管中的层流 研究对象：研究对象：圆管的层流运动圆管的层流运动研究内容：研究内容：流速分布流速分布断面平均流速断面平均流速沿程水头损失沿程水头损失 WHUu圆管中的均匀层流圆管中的均匀层流圆管层流的流速分布圆管层流的流速分布 圆管中有压均匀流是轴对称流。为了分析方便，采圆管中有
14、压均匀流是轴对称流。为了分析方便，采用圆柱坐标用圆柱坐标r r，x x ：图图4-4-14-4-1 WHU 圆管均匀流在半径圆管均匀流在半径r r处的切应力：处的切应力：由上面两式得：由上面两式得：积分得积分得：在管壁处无滑动边界条件：在管壁处无滑动边界条件：处，处，。由此得：。由此得：所以：所以：层流运动时，液层间的切应力：层流运动时，液层间的切应力：圆管层流的流速分布圆管层流的流速分布 WHU圆管层流的断面平均流速圆管层流的断面平均流速因为流量因为流量 ，选取宽，选取宽drdr的环形断面为微元面的环形断面为微元面积积d dA A，可得圆管层流的断面平均流速，可得圆管层流的断面平均流速 ：W
15、HU圆管层流的沿程水头损失圆管层流的沿程水头损失 由上式得由上式得 ：说明在圆管层流中，沿程水头损失和断面平均流速的一次说明在圆管层流中，沿程水头损失和断面平均流速的一次方成正比。方成正比。上式可改写成：上式可改写成：令令 则则 式中：式中：沿程阻力系数沿程阻力系数 或或 WHUu思考题思考题1.1.层流中是否有涡？层流中是否有涡？2.2.对于圆管，对于圆管，；那么对于明渠，；那么对于明渠，？4.4.判别圆管流动为层流的方法有哪些？判别圆管流动为层流的方法有哪些？提示：提示：a)a)；b)ub)u分布；分布；c)c)与与v v；d)d)与与v v的关系的关系5.5.已知圆管流动为层流，能否通过一个点的流速测量得已知圆管流动为层流，能否通过一个点的流速测量得出其流量大小？出其流量大小？3.3.为什么用下临界雷诺数作为临界雷诺数？为什么用下临界雷诺数作为临界雷诺数？