第7章粘性流體力學(xué)基礎(chǔ)

第7章粘性流體力學(xué)基礎(chǔ)無粘流體與粘性流體無粘理論的缺陷飛機(jī)阻力有多大？水塔要建多高？無粘流體與粘性流體無粘理論的缺陷不能正確估計(jì)阻力和機(jī)械能損失無粘理論不能描述剪切流、分離流無粘理論不能正確描述湍流因?yàn)椋?.2.剪切流動(dòng)和分離流動(dòng)剪切流動(dòng)分離流動(dòng)湍流流動(dòng)小漩渦大漩渦圓柱繞流粘性流體力學(xué)概述粘性是流體的重要屬性和固有特性，自然界中的流體都有粘性粘性指流體運(yùn)動(dòng)時(shí)流團(tuán)間會(huì)產(chǎn)生粘性力（法向和切向力）來抵抗變形的特性；或指流團(tuán)分子不規(guī)則動(dòng)量交換的宏觀表現(xiàn)“有粘就有漩”，粘性流場即為不同尺寸、形態(tài)各異的渦兩種流動(dòng)形態(tài)——雷諾實(shí)驗(yàn)O.Reynolds(1842-1912)兩種流動(dòng)狀態(tài)——層流層流流動(dòng)狀態(tài)：液體沿圓管是一層一層的流動(dòng)，各層之間互不干擾，互不相混，各自沿圓管的軸線方向流動(dòng)兩種流動(dòng)狀態(tài)——湍流失穩(wěn)：開始出現(xiàn)不同流層之間的流體的摻混（主流+脈動(dòng)流）湍流流動(dòng)狀態(tài)：管內(nèi)的液體向前流動(dòng)時(shí)，出于完全無規(guī)則的、隨機(jī)的脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)流態(tài)的判定——雷諾數(shù)V為流速，d為特征長度，ν流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)作用一：慣性力與粘滯力之比，用來判斷流態(tài)作用二：判斷兩個(gè)遵循相同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的粘性流動(dòng)是否動(dòng)力相似臨界雷諾數(shù)轉(zhuǎn)捩兩個(gè)粘性流動(dòng)的馬赫數(shù)Ma和雷諾數(shù)Re分別相等時(shí)，則動(dòng)力相似當(dāng)量直徑對(duì)于非圓形截面，如何確定d?當(dāng)量直徑！A—管道橫截面積s—流體與固體接觸的周長，稱為潤濕周長充分發(fā)展的管內(nèi)層流流動(dòng)進(jìn)口段充分發(fā)展Re<2300充分發(fā)展的管內(nèi)層流流動(dòng)速度分布充分發(fā)展的管內(nèi)層流流動(dòng)速度分布在圓管中心處速度最大截面上的平均流速充分發(fā)展的管內(nèi)層流流動(dòng)沿程損失在實(shí)際流體的運(yùn)動(dòng)過程中，由于粘性作用，各流層之間必然產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來阻礙流體的運(yùn)動(dòng)，克服這種內(nèi)摩擦力所損失的機(jī)械能稱為沿程損失對(duì)于管內(nèi)層流流動(dòng)，沿程損失計(jì)算方法：雷諾數(shù)Re越小，粘性力越大，沿程損失系數(shù)ξ越大平均速度越大，管道越長，管徑越小，則沿程損失越大管內(nèi)湍流流動(dòng)層流底層過渡區(qū)湍流核心區(qū)管內(nèi)湍流流動(dòng)速度分布n=62300≤Re≤4×103n=74×103≤Re≤1.1×105n=101.1×103≤Re≤3.2×106雷諾數(shù)越大，速度分布越均勻速度型飽滿r0—圓管半徑y(tǒng)—r0—rn—與雷諾數(shù)有關(guān)管內(nèi)湍流流動(dòng)沿程損失計(jì)算光滑管ξ取值布拉休斯公式ξ=0.316Re-1/4

Re<105尼古拉茨公式ξ=0.0032+0.221Re-1/4

Re>105普朗特—尼古拉茨公式ξ-0.5=21lg(Re×ξ0.5)-0.8Re>3.4×106ξ：沿程損失系數(shù)影響因素：雷諾數(shù)、管壁粗糙度管內(nèi)湍流流動(dòng)沿程損失計(jì)算相對(duì)粗糙度：管壁凹凸的平均高度Δ與管道直徑D之比相對(duì)粗糙度ξ取值局部損失當(dāng)流體經(jīng)過彎管、流道突然擴(kuò)大或縮小、閥門、三通等局部區(qū)域時(shí)，流速大小和方向被迫急劇地改變，因而發(fā)生流體質(zhì)點(diǎn)的撞擊，出現(xiàn)漩渦、二次流以及流動(dòng)的分離及再附壁現(xiàn)象由于粘性的作用，質(zhì)點(diǎn)間發(fā)生劇烈的摩擦和動(dòng)量交換，從而阻礙著流體的運(yùn)動(dòng)這種在局部障礙物處產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力流體為克服局部阻力而消耗的機(jī)械能稱為局部能量損失局部損失突然擴(kuò)張管局部損失突然收縮管局部損失彎管局部損失擴(kuò)壓器的局部損失減少局部損失的措施截面變化導(dǎo)流彎管局部損失的利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)篦齒：燃?xì)饨?jīng)過篦齒結(jié)構(gòu)后，流動(dòng)損失，壓力降低，流動(dòng)能量被削弱防止燃?xì)馊肭?，邊界層邊界層理論?chuàng)立者：普朗特Boundarylayer(1875-1953)LudwigPrandtl現(xiàn)代流體力學(xué)奠基人邊界層粘性是流體的重要屬性根據(jù)流體粘性的特點(diǎn)，在靠近物體表面處，流體將粘附在物面上而流速為零，即滿足無滑移條件；沿物面的法線方向上，流速逐漸增加，到某一距離處，流速與外邊界速度近似相等靠近物體表面，存在較大速度梯度的薄層為附面層或邊界層邊界層流態(tài)邊界層中的流動(dòng)也分為層流流動(dòng)和湍流流動(dòng)即使的湍流邊界層，也存在層流底層（Sublayer）轉(zhuǎn)捩和臨界雷諾數(shù)轉(zhuǎn)捩：由層流向湍流的過渡臨界雷諾數(shù)：用來流速度、轉(zhuǎn)捩點(diǎn)與物體前緣的距離作為特征長度計(jì)算的雷諾數(shù)成為臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)影響因素：來流湍流度、壓力梯度、來流馬赫數(shù)、物面形狀、粗糙程度、加熱冷卻等外部效果層流邊界層和湍流邊界層湍流附面層的速度分布曲線比層流速度分布曲線要飽滿，附面層內(nèi)流體平均動(dòng)量比層流的大，因此不易分離；湍流附面層的厚度比層流附面層的厚度增長的快，且湍流附面層比層流附面層要厚得多；從減小摩擦阻力來看，層流附面層將優(yōu)于湍流附面層。δ、δ*和δ**邊界層名義厚度δ流體流過物體時(shí)，沿物體壁面的法線方向，速度逐漸增高，離開壁面越遠(yuǎn)，變化越小，直至不再增高。流速變化劇烈的區(qū)域，即為邊界層。自壁面到速度不再變化的距離稱為邊界層厚度，用符號(hào)δ表示。邊界層厚度以外的區(qū)域叫做主流區(qū)。一般認(rèn)為速度達(dá)到主流速度的0.99～0.995倍的地方為邊界層厚度就尺寸度量而言，邊界層是很薄的邊界層位移厚度δ*由于附面層內(nèi)速度降低而要求流道加寬的厚度，即全部粘流所占的流道比無粘流體流動(dòng)應(yīng)占流道所加寬的部分，即是位移厚度δ*。δ、δ*和δ**邊界層動(dòng)量損失厚度δ**理想情況下通過厚度δ**的流體的動(dòng)量等于是情況下整個(gè)流場中實(shí)際流量與速度減小量的乘積。排序：δ>δ*

>δ**δ、δ*和δ**邊界層分離邊界層分離的必要條件（1）粘性流體（2）逆壓力梯度邊界層分離作業(yè)1、已知水從直徑10cm的圓管中流過，其平均速度為0.5m/s，水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為0.01cm2/s，管長50m，試確定管中水的流動(dòng)狀態(tài)，并求沿程損失。若使之變?yōu)閷恿鳎ɑ蛭闪鳎?，管徑和流速?yīng)如何變化？2、在一邊長為3cm的正方形管道的液壓油以平均速度1.5m/s流過，已知液壓油的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)為0.1cm2/s，密度為85kg/m3，管長5m，求沿程損失為多少？作業(yè)3、圖示為飛機(jī)燃油系統(tǒng)，已知發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵的流量為1200kg/h，管長5m，管徑15mm，發(fā)