流體力學(xué)第五章

1、一、名詞解釋1.邊界層:黏性流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，在固體壁面法線方向上存在一速度急劇變化的薄層，稱為邊界層。2.管道進(jìn)口段:邊界層相交以前的管段稱為管道進(jìn)口段（或稱起始段），其長(zhǎng)度以L*表示。3、粘性底層：緊貼壁面有一因壁面限制而脈動(dòng)消失的層流薄層，其粘滯力使流速使流速急劇下降，速度梯度較大，這一薄層稱為粘性底層。二、簡(jiǎn)答題1：何謂普朗特混合長(zhǎng)理論？根據(jù)這一理論紊流中的切應(yīng)力應(yīng)如何計(jì)算？答：沿流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向上的脈動(dòng)速度都與時(shí)均速度的梯度有關(guān)。2：什么是水力光滑管與水力粗糙管？與哪些因素有關(guān)？答：當(dāng)粘性底層厚度大于管壁的粗糙突出部分時(shí)，粘性底層完全淹沒(méi)了管壁的粗糙突出部分。這時(shí)紊流完全感

2、受不到管壁粗糙度的影響，流體好像在完全光滑的管子中流動(dòng)一樣。這種情況的管內(nèi)流動(dòng)稱作“水力光滑”，或簡(jiǎn)稱“光滑管”。當(dāng)粘性底層厚度小于管壁的粗糙突出部分時(shí)，管壁的粗糙突出部分有一部分或大部分暴露在紊流區(qū)中，當(dāng)流體流過(guò)突出部分時(shí)，將產(chǎn)生漩渦，造成新的能量損失，管壁粗糙度將對(duì)紊流產(chǎn)生影響。這種情況的管內(nèi)紊流稱作“水力粗糙”，或簡(jiǎn)稱“粗糙管”。對(duì)于同樣的管子，其流動(dòng)處于水力光滑或水力粗糙取要看雷諾數(shù)的大小。3、黏性流體總體的伯努利方程及適用條件？黏性流體總體的伯努利方程：適用條件：流動(dòng)為定常流動(dòng)； 流體為黏性不可壓縮的重力流體； 列方程的兩過(guò)流斷面必須是緩變流截面，而不必顧及兩截面間是否有急變流。 4

3、、 黏性流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的損失有哪幾種？分別怎么計(jì)算？答：沿程損失是發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失，是由流體的粘滯力造成的損失。單位重力作用下流體的沿程損失可用達(dá)西魏斯巴赫公式計(jì)算。局部損失發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中，單位重力作用下流體流過(guò)某個(gè)局部件時(shí)，產(chǎn)生的能量損失:?？偰芰繐p失：5、試從流動(dòng)特征、速度分布、切應(yīng)分布以及水頭損失等方面來(lái)比較圓管中的層流和紊流特性。流動(dòng)特征層流流動(dòng)：微通道和速度低、黏性大。紊流流動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，做無(wú)定向、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)要素具有隨機(jī)性；紊流質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)間進(jìn)行劇烈的質(zhì)量、動(dòng)量、熱量等物理量的輸運(yùn)、交換、混合等；除黏性消耗一部

4、分能量外，紊流附加切應(yīng)力會(huì)引起更大的耗能。速度分布： 圓管中的層流流動(dòng)，其流速的分布規(guī)律為旋轉(zhuǎn)拋物面。紊流流動(dòng)由于流動(dòng)機(jī)制不同于層流，其速度分布和層流有根本的不同。在靠近管軸的大部分區(qū)域內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)的橫向脈動(dòng)使層流間進(jìn)行的動(dòng)量交換較為劇烈，速度趨為均勻，速度梯度較小，該區(qū)域稱為紊流充分發(fā)展區(qū)或紊流核區(qū)。由于緊貼壁面有一因壁面限制而脈動(dòng)消失的層流薄層，其粘滯力使流速急劇下降，速度梯度較大，這一薄層稱為黏性底層。切應(yīng)力分布： 黏性流體在圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，同一截面上的切向應(yīng)力的大小與半徑成正比，同樣適用于圓管中的紊流流動(dòng)。6. 結(jié)合尼古拉茲實(shí)驗(yàn)曲線簡(jiǎn)述各分區(qū)及其影響因素。層流區(qū)。且。該區(qū)域內(nèi)，管壁

5、的相對(duì)粗糙度與沿程損失系數(shù)無(wú)關(guān)。過(guò)渡區(qū)。可能是層流也可能是紊流。紊流光滑區(qū)。該區(qū)域沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)，只與雷諾數(shù)有關(guān)。紊流粗糙管過(guò)渡區(qū)。此過(guò)程中，隨雷諾數(shù)的增大，黏性底層逐漸減弱，水力光滑管逐漸變?yōu)樗Υ植诠?，進(jìn)入粗糙管過(guò)渡區(qū)。該區(qū)域的沿程損失系數(shù)與相對(duì)粗糙度、雷諾數(shù)有關(guān)。紊流粗糙管平方阻力區(qū)。沿程損失系數(shù)與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，只與相對(duì)粗糙度有關(guān)。三、計(jì)算題、在管徑d=100mm、管長(zhǎng)L=300m的圓管中流動(dòng)著t=10的水，雷諾數(shù)Re=試求管內(nèi)=0.15mm的均勻沙粒人工粗糙管時(shí)，其沿程損失。在圖5-22所示并聯(lián)管道中，11=900m，d1=0.3m,1=0.0003m;l2=600m,d2

6、=0.2m,2=0.00003m;l3=1200m,d3=0.4m,3=0.000024m；=1×10-6m2/s,=998kg/m3,pA=9.807×105pa,zA=zB=20m,若總流量qv=0.4m3/s.求每個(gè)分支管道的流量qvi和B點(diǎn)的壓強(qiáng)pB.解 由于管道很長(zhǎng)，局部損失忽略不計(jì)。按式（5-42）,式（5-43）計(jì)算沿程損害系數(shù)。對(duì)于管1，試取qv1=0.1m3/s.則v1=1.415m/s,Re1=424413，由于1/d1=0.001,可算得1=0.02143. hf1=0.02143×(900/0.3)×(1.4152/(2×

7、;9.807)=6.563m 對(duì)于管2 2×（600/0.2）×(22/(2×9.807)=6.563m 由于2/d2=0.00015,試取2=0.016,則2=1.638m/s,Re2=327524Reb2=2.333×107,在試取2=0.01632.則2=1.621m/s,Re2=324279,2=0.01634,故有 qv2=/4×0.22×1.621=0.0509m3/s對(duì)于管3 3×1200/0.4×23/2×9.807=6.563m由于3/d3=0.00006,試取3=0.014，則3=1.

8、75m/s,Re3=700276Reb2=2.333×107，3=0.01384。以3為試取值，則3=1.76m/s,Re3=704346,3=0.01383,故有 qv 3=/4×0.42×1.76=0.2212m3/s qv=0.1+0.0509+0.2212=0.3721m3/s流量的分配為 qv1=(0.1/0.3721)×0.4=0.1075m3/s qv2=(0.0509/0.3721)×0.4=0.0547m3/s Qv3=(0.2212/0.3721)×0.4=0.2378m3/s 校核hf 1=1.521m/s,Re1=456244,1=0.02138,hf1=7.565m 2=1.741m/s,Re2=348231,2=0.01622,hf2=7.521m 3=1.892m/s,Re3=756941,3=0.01373hf3=7.5517mHf1,hf2與hf3 之間的最大誤差不超過(guò)1%，這在工程商事允許的，可取平均損失水頭hf=7.534m作為計(jì)算的依據(jù)，由于 Za+pA/g=zB+pB/g+hf故 pB=pA-ghf=9