流體力學(xué)第五章

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(chēng)為邊界層。

2.管道進(jìn)口段:邊界層相交以前的管段稱(chēng)為管道進(jìn)口段（或稱(chēng)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)消逝的層流薄層，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(chēng)為粘性底

層。

二、簡(jiǎn)答題

1：何謂普朗特混合長(zhǎng)理論？依據(jù)這一理論紊流中的切應(yīng)力應(yīng)如何計(jì)

算？

答：沿流淌方向和垂直于流淌方向上的脈動(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)，粘性底層完全沉沒(méi)

了管壁的粗糙突出部分。這時(shí)紊流完全感受不到管壁粗糙度的影響，

流體似乎在完全光滑的管子中流淌一樣。這種狀況的管內(nèi)流淌稱(chēng)作

“水力光滑”，或簡(jiǎn)稱(chēng)“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。這種狀

況的管內(nèi)紊流稱(chēng)作“水力粗糙”，或簡(jiǎn)稱(chēng)“粗糙管二

對(duì)于同樣的管子，其流淌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：

俠2g-pg2

適用條件：⑴流淌為定常流淌；

⑵流體為黏性不行壓縮的重力流體；

⑶列方程的兩過(guò)流斷面必需是緩變流截面，而不必顧及兩截面間是否

有急變流。

4、黏性流體在管內(nèi)流淌時(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)西一魏斯巴

2

赫公式計(jì)算。匕=1立。局部損失發(fā)生在流淌狀態(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:，廣嘮。

總能量損失：hw=Hhf

5、試從流淌特征、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。

⑴流淌特征

層流流淌：微通道和速度低、黏性大。

紊流流淌：流體質(zhì)點(diǎn)相互摻混，做無(wú)定向、無(wú)規(guī)章的運(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)行猛烈的質(zhì)

量、動(dòng)量、熱量等物理量的輸運(yùn)、交換、混合等；除黏性消耗一部分

能量外，紊流附加切應(yīng)力會(huì)引起更大的耗能。

⑵速度分布：-血工烏(〃+2")圓管中的層流流淌，其流速的分

4〃dl

布規(guī)律為旋轉(zhuǎn)拋物面。紊流流淌由于流淌機(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)量交換較為猛烈，速度趨為勻稱(chēng)，速度梯度

較小，該區(qū)域稱(chēng)為紊流充分進(jìn)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)消逝的層流薄層，其粘滯力使流速急劇下降，速度梯

度較大，這一薄層稱(chēng)為黏性底層。

⑶切應(yīng)力分布：7=-：g(p+刖)黏性流體在圓管中作層流流淌時(shí)，

2dl

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

流流淌。

6.結(jié)合尼古拉茲試驗(yàn)曲線簡(jiǎn)述各分區(qū)及其影響因素。

⑴層流區(qū)。RV2320且4=64/凡。該區(qū)域內(nèi)，管壁的相對(duì)粗糙度與沿

程損失系數(shù)無(wú)關(guān)。

⑵過(guò)渡區(qū)?？赡苁菍恿饕部赡苁俏闪?。

⑶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)。

⑷紊流粗糙管過(guò)渡區(qū)。此過(guò)程中，隨雷諾數(shù)的增大，黏性底層漸漸減

弱，水力光滑管漸漸變?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)。

⑸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

①

②、在管徑d=100mm,管長(zhǎng)L=300m的圓管中流淌著t=10的水，雷

諾數(shù)Re=試求管內(nèi)e=0.15mm的勻稱(chēng)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，li=900m,di=0.3mze

i=0.0003m;l2=600m,d2=0.2m,￡2=0.00003m;l3=1200m,d3=0.4m,￡

623

3=0.000024m；u=1X10-m/s,P=998kg/m,pA=9.807X

lC)5pa,ZA=ZB=20m,若總流量qvW/rrP/s.求每個(gè)分支管道的流量qviB

點(diǎn)的壓強(qiáng)PB.

解由于管道很長(zhǎng)，局部損失忽視不計(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q'vi=0.1m3/s.則Vi=1.415m/s,Rei=424413,由于￡

i/d產(chǎn)0.001,可算得入'產(chǎn)0.02143.

h'fi=0.02143X(900/0.3)X(1.4152/(2X

9.807)=6.563m

，2

對(duì)于管2入iX(600/0.2)義(u2/(2X9.807)=6.563m

，，

由于￡232=0.00015,試取入"016,則n2=1.638m/s/Re2=327524<

，，

Reb2=2.333X1。7,在試取x''2=0.01632.貝lju2=1.621m/s,Re02=324279,

入”’2=0.01634,故有

，23

qv2=兀4X0.2X1.621=0.0509m/s

，2

對(duì)于管3人‘3X1200/0.4Xv3/2X9.807=6.563m

，，

由于￡3川3=0。0006,試取X>0.014,貝Uu3=1.75m/s,Re3=700276<

7

Reb2=2.333X10,X>0.01384。以入。為試取值，則

w，

u3=1.76m/s/Re3=704346,人”’3=0.01383,故有

q13二n4X0.42X1.76=0.2212m3/s

Lqv=0.1+0.0509+0.2212=0.3721m7s

3

流量的安排為qvi=(0.U)3721)X0.4=0.1075m/s

3

qv2=(0.0509/0.3721)X0.4=0.0547m/s

3

QV3=(0.221^0.3721)X0.4=0.2378m/s

校核hfu1=1.521m/s/Rei=456244,Xi=0.02138,hfi=7.565m

u2=1.741m/szRe2=348231zX2=0.01622,hf2=7.521m

u3=1.892m/s,Re3=756941/X3=0.01373hf3=7.5517m

Hf],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

Z3+PA/Pg=ZB+PB/Pg+hf

55

故PB=PA-Pghf=9.807X10-998X9.807X7.534=9.070X10pa

③、已知油的密度P=800kg/m3,黏度u=0.069Pa*s,在圖5-40所

示連接兩容