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1、管道中的流動和孔口流出 --層流與紊流 《冶金傳輸原理》分動量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸 3 篇，共 14 章，系統(tǒng)地介紹了三傳的基本理論及三者的類似機理、相互關(guān)系； 同時介紹了利用相似原理來處理試驗數(shù)據(jù)和進行模型試驗的方法。并 運用傳輸?shù)幕局R分析復(fù)雜的冶金過程中各因素的影響機理，通過 大量的例題說明三傳的基本方程在實踐問題中的應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)三傳 定理基本了解了冶金傳輸?shù)淖饔?，在動量傳輸中的管道中的流動和?口流出在很多領(lǐng)域都有很大的作用。以下介紹管道中的流動和孔口流 出的原理及在實際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用 管道流動是工程常見的現(xiàn)象，比如：水在輸水管道中的流動，油 在輸油管道中的流動，氣體

2、在輸氣管道中的流動。管內(nèi)的流動非常雜， 主要問題是流動的阻力，在不同流態(tài)條件下，流動阻力相差很大，遵 守不同的規(guī)律。通過觀察市場上的管道類型可以大概猜測其用途，每 天我們喝飲料用的吸管有的為什么是光滑筆直的，有的則中間是波浪 起伏的，還有為什么潛艇要做成水滴型等等問題，通過學(xué)習(xí)冶金傳輸 原理就可以幫助我們解決這些疑問了。 首先從我們的吸管的不同形狀推測其流體在其中的流動，流體 有兩種運動狀態(tài)層流和紊流。 層流是流體的一種流動狀態(tài)。流體在管內(nèi)流動時，其質(zhì)點沿著 與管軸平行的方向作平滑直線運動。此種流動稱為層流或滯流，亦有 稱為直線流動的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi) 流體的平

3、均流速與最大流速之比等于0.5，根據(jù)雷諾實驗，當(dāng)雷諾準(zhǔn) 數(shù)Rev2320時，流體的流動狀態(tài)為層流。 粘性流體的層狀運動。在這種流動中，流體微團的軌跡沒有明顯的不 規(guī)則脈動。相鄰流體層間只有分子熱運動造成的動量交換。常見的層 流有毛細管或多孔介質(zhì)中的流動、軸承潤滑膜中的流動、繞流物體表 面邊界層中的流動等。層流只出現(xiàn)在雷諾數(shù)Re (Re = pUL/p)較小 的情況中，即流體密度p、特征速度U和物體特征長度L都很小，或 流體粘度M很大的情況中。當(dāng)Re超過某一臨界雷諾數(shù)Recr時，層 流因受擾動開始向不規(guī)則的湍流過渡，同時運動阻力急劇增大。臨界 雷諾數(shù)主要取決于流動形式。對于圓管，Recr=20

4、00,這里特征速度 是圓管橫截面上的平均速度，特征長度是圓管內(nèi)徑。層流遠比湍流簡 單，其流動方程大多有精確解、近似解和數(shù)值解。層流一般比湍流的 摩擦阻力小，因而在飛行器或船舶設(shè)計中，應(yīng)盡量使邊界層流動保持 層流狀態(tài)。 過渡狀態(tài)：流體質(zhì)點的運動處于不穩(wěn)定狀態(tài)。著色流束開始振 蕩。 湍流是流體力學(xué)中的一個術(shù)語，是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另 一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動時各質(zhì) 點間的慣性力占主要地位，流體各質(zhì)點不規(guī)則地流動。水利工程所涉 及的流動，一般為紊流。 紊流一般相對“層流”而言。一般用雷諾數(shù)判定。雷諾數(shù)小，意味 著流體流動時各質(zhì)點間的粘性力占主要地位，流體

5、各質(zhì)點平行于管路 內(nèi)壁有規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主 要地位，流體呈紊流流動狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)ReV2000為層流狀 態(tài)，Re〉4000為紊流狀態(tài)，Re=2000?4000為過渡狀態(tài)。在不同 的流動狀態(tài)下，流體的運動規(guī)律.流速的分布等都是不同的，因而管 道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大 小決定了粘性流體的流動特性。速度、壓強等物理量在時間和空間 中發(fā)生脈動的流體運動，又稱湍流。紊流的主要特征是：①流體質(zhì)點 的運動極不規(guī)則，流場中各種流動參數(shù)的值具有脈動現(xiàn)象。②由于脈 動的急劇混摻，流體動量、能量、溫度以及含有物的濃度的擴散速率 較層流為大

6、。③紊流是有渦流動，并且具有三維特征。1883年，O. 雷諾發(fā)表了他觀測層流及紊流流態(tài)的文章，并于1894年推導(dǎo)出索流 時均流動的基本方程 雷諾方程 雷諾數(shù) 慣性力_ dup _ du 粘性力 卩 v 湍流按其流動特點可分為：①各向同性均勻紊流，是一種假想的 紊流模型，其紊動特征（如紊動強度）在各空間點是一樣的（均勻性）， 在各方向也是一樣的（各向同性）。在這種紊流中沒有流速梯度，因 而沒有剪切應(yīng)力。局部各向同性紊流是只考慮小尺度渦旋為各向同性 的一種紊流模型。②剪切紊流，是指有時均流速梯度，因而有剪切應(yīng) 力的紊流，它又可 分為自由紊流（紊動發(fā)展不受固體壁面限制）和 壁面紊流（流速

7、梯度是由固體邊壁引起的）。 流體的流動特 層流：hf X。1.° 管內(nèi)水的壓力降和流速的關(guān)系 f h OCu 1.75?2.° 紊流: f f 在低速下，壓力降與流速成正比 （A點以下），在對數(shù)坐標(biāo)上，呈線性關(guān)系；當(dāng)流速增加時（B點） 數(shù)據(jù)分散，在更高的流速下（C點以上）壓力降突然增加，與流速幾 乎是二次方關(guān)系。 故計算各種流體通道的沿程損失，必須首先判別流體的流動狀態(tài)。 平均流速 1 u z 2 z 對水平直管：h沿程損失=卩1-卩2 h沿程損失=L Re D K二里-"- 摩擦系數(shù)“里 Ap =九-￡U2 Re D D Re d 2 z 圓管內(nèi)紊

8、流摩擦阻力：混合長度模型、K- 8雙方程模型，半經(jīng)驗理論、 處理問題的常用方法摩擦系數(shù)九二03164 實際圓管中摩擦壓力損失的計算，很薄粘性流體在圓管中紊流流 動時，緊貼固體壁面有一層的流體，受壁面的限制，脈動運動幾乎完 全消失，粘滯起主導(dǎo)作用，基本保持著層流狀態(tài)，這一薄層稱為粘性 底層。粘性底層厚度父14.14V 14.14d速度越高，或運動粘度越低, v uU九 R皿 粘性底層越薄；對于恒定直徑的管道，粘性底層厚度隨雷諾數(shù)的增加 而降低。沒有絕對光滑的表面，如果用 e 表示粗糙突出部分的絕對高 度，則 ：表面粗糙全在粘性底層內(nèi)，粗糙度對摩擦沒有影響， A<5 v 稱為水力光滑

9、管。 ：突出部分的影響超出了粘性底層，層流層 A>5 v 被破壞，稱為水力粗糙。掌握層流與紊流的基礎(chǔ)知識就能在生產(chǎn)中發(fā) 揮其作用。 層流在飛機機翼上的應(yīng)用：翼型指飛機機翼或尾翼的橫剖面形 狀。層流翼型是一種為使翼表面保持大范圍的層流，以減小阻力而設(shè) 計的翼型。與普通翼型相比，層流翼型的最大厚度位置更靠后緣，前 緣半徑較小，上表面比較平坦，能使翼表面盡可能保持層流流動，從 而可減少摩擦阻力。層流翼型基本原理是在氣流達到接近機翼后緣升 壓區(qū)之前，盡可能在更長的距離上繼續(xù)加速，就可以推遲由層流向湍 流的轉(zhuǎn)捩。層流翼型是翼型發(fā)展的重要里程碑。從20世紀(jì)30年代末 開始，一批空氣動力學(xué)家在理論和

10、試驗研究基礎(chǔ)上提出了層流翼型設(shè) 計方法。美國航空咨詢委員會(NACA)在40年代中期發(fā)布了新的翼型 族NACA1系?7系翼型，其中NACA6系層流翼型最為成功，在高速飛 機上得到廣泛應(yīng)用。層流翼型的設(shè)計方法有重大改進，它不是按中 弧線和厚度分布進行設(shè)計，而是按所希望的壓力分布形態(tài)設(shè)計，以獲 得較寬的層流范圍。NACA6系層流翼型的基本厚度分布是按所要求的 阻力、臨界馬赫數(shù)和最大升力特性導(dǎo)出的，中弧線是按預(yù)定的載荷分 布設(shè)計的。其設(shè)計思想是盡量使翼型上的最低壓力點向后靠，以加長 順壓梯度段長度，努力保持其邊界層為層流，以達到降低翼型總摩阻 為目的。NACA6和改進的NACA6A系層流翼型后來廣泛

11、用于高亞速飛 機和超音速飛機上。 湍流在生活生產(chǎn)中的現(xiàn)象：大氣湍流按成因分為“風(fēng)暴湍流” 和“晴空湍流”。前者由空氣受熱產(chǎn)生的強上升氣流所致，因常發(fā)于 風(fēng)暴等上升氣流旺盛的天氣而得名。后者則是由于空氣流動時不同氣 團交匯而成。風(fēng)暴可由氣象雷達預(yù)警，而“晴空湍流”由于缺乏征兆 而較易發(fā)生意外。香煙產(chǎn)生的煙。在最初的幾厘米，煙的流場是層流， 隨著熱空氣的向上加速，煙就開始變得不穩(wěn)定形成了湍流。與此類似， 空氣中污染的擴散就是由湍流主宰的。 F1 賽車高速轉(zhuǎn)彎時，前車尾 部造成的湍流使后車前定風(fēng)翼下壓力損失約30%。如果距離前車太近， 會造成轉(zhuǎn)向不足。環(huán)繞高爾夫球的流動。（更好的理解是根據(jù)相對運 動原理，假設(shè)高爾夫球不動，氣體繞其流動。）表面粗糙的高爾夫球， 流動的邊界層分離點要比光滑表面的高爾夫球邊界層分離點靠后。乘 坐飛機常常會聽到乘務(wù)員甜美的聲音提示您飛機遇到湍流，請系好安 全帶。有時湍流（特別是晴空湍流）可能會導(dǎo)致飛機上的人員受傷， 但少部分心理質(zhì)素不佳的空姐大驚小怪時，請不用驚慌，大部分情況 下飛行員都能很好對付在湍流中飛行的情況，并且記得系好安全帶。 層流與湍流存在于我們生活的方方面面，善于發(fā)現(xiàn)你就會驚訝于其 中的奧秘！