冶金传输原理报告

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1、管道中的流动和孔口流出 --层流与紊流 《冶金传输原理》分动量传输、热量传输和质量传输 3 篇，共 14 章，系统地介绍了三传的基本理论及三者的类似机理、相互关系； 同时介绍了利用相似原理来处理试验数据和进行模型试验的方法。并 运用传输的基本知识分析复杂的冶金过程中各因素的影响机理，通过 大量的例题说明三传的基本方程在实践问题中的应用。通过学习三传 定理基本了解了冶金传输的作用，在动量传输中的管道中的流动和孔 口流出在很多领域都有很大的作用。以下介绍管道中的流动和孔口流 出的原理及在实际生产生活中的应用 管道流动是工程常见的现象，比如：水在输水管道中的流动，油 在输油管道中的流动，气体

2、在输气管道中的流动。管内的流动非常杂， 主要问题是流动的阻力，在不同流态条件下，流动阻力相差很大，遵 守不同的规律。通过观察市场上的管道类型可以大概猜测其用途，每 天我们喝饮料用的吸管有的为什么是光滑笔直的，有的则中间是波浪 起伏的，还有为什么潜艇要做成水滴型等等问题，通过学习冶金传输 原理就可以帮助我们解决这些疑问了。 首先从我们的吸管的不同形状推测其流体在其中的流动，流体 有两种运动状态层流和紊流。 层流是流体的一种流动状态。流体在管内流动时，其质点沿着 与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有 称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内 流体的平

3、均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准 数Rev2320时，流体的流动状态为层流。 粘性流体的层状运动。在这种流动中，流体微团的轨迹没有明显的不 规则脉动。相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。常见的层 流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表 面边界层中的流动等。层流只出现在雷诺数Re (Re = pUL/p)较小 的情况中，即流体密度p、特征速度U和物体特征长度L都很小，或 流体粘度M很大的情况中。当Re超过某一临界雷诺数Recr时，层 流因受扰动开始向不规则的湍流过渡，同时运动阻力急剧增大。临界 雷诺数主要取决于流动形式。对于圆管，Recr=20

4、00,这里特征速度 是圆管横截面上的平均速度，特征长度是圆管内径。层流远比湍流简 单，其流动方程大多有精确解、近似解和数值解。层流一般比湍流的 摩擦阻力小，因而在飞行器或船舶设计中，应尽量使边界层流动保持 层流状态。 过渡状态：流体质点的运动处于不稳定状态。着色流束开始振 荡。 湍流是流体力学中的一个术语，是指流体从一种稳定状态向另 一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质 点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。水利工程所涉 及的流动，一般为紊流。 紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味 着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体

5、各质点平行于管路 内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主 要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数ReV2000为层流状 态，Re〉4000为紊流状态，Re=2000〜4000为过渡状态。在不同 的流动状态下，流体的运动规律.流速的分布等都是不同的，因而管 道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大 小决定了粘性流体的流动特性。速度、压强等物理量在时间和空间 中发生脉动的流体运动，又称湍流。紊流的主要特征是：①流体质点 的运动极不规则，流场中各种流动参数的值具有脉动现象。②由于脉 动的急剧混掺，流体动量、能量、温度以及含有物的浓度的扩散速率 较层流为大

6、。③紊流是有涡流动，并且具有三维特征。1883年，O. 雷诺发表了他观测层流及紊流流态的文章，并于1894年推导出索流 时均流动的基本方程 雷诺方程 雷诺数 惯性力_ dup _ du 粘性力 卩 v 湍流按其流动特点可分为：①各向同性均匀紊流，是一种假想的 紊流模型，其紊动特征（如紊动强度）在各空间点是一样的（均匀性）， 在各方向也是一样的（各向同性）。在这种紊流中没有流速梯度，因 而没有剪切应力。局部各向同性紊流是只考虑小尺度涡旋为各向同性 的一种紊流模型。②剪切紊流，是指有时均流速梯度，因而有剪切应 力的紊流，它又可 分为自由紊流（紊动发展不受固体壁面限制）和 壁面紊流（流速

7、梯度是由固体边壁引起的）。 流体的流动特 层流：hf X。1.° 管内水的压力降和流速的关系 f h OCu 1.75〜2.° 紊流: f f 在低速下，压力降与流速成正比 （A点以下），在对数坐标上，呈线性关系；当流速增加时（B点） 数据分散，在更高的流速下（C点以上）压力降突然增加，与流速几 乎是二次方关系。 故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。 平均流速 1 u z 2 z 对水平直管：h沿程损失=卩1-卩2 h沿程损失=L Re D K二里-"- 摩擦系数“里 Ap =九-£U2 Re D D Re d 2 z 圆管内紊

8、流摩擦阻力：混合长度模型、K- 8双方程模型，半经验理论、 处理问题的常用方法摩擦系数九二03164 实际圆管中摩擦压力损失的计算，很薄粘性流体在圆管中紊流流 动时，紧贴固体壁面有一层的流体，受壁面的限制，脉动运动几乎完 全消失，粘滞起主导作用，基本保持着层流状态，这一薄层称为粘性 底层。粘性底层厚度父14.14V 14.14d速度越高，或运动粘度越低, v uU九 R皿 粘性底层越薄；对于恒定直径的管道，粘性底层厚度随雷诺数的增加 而降低。没有绝对光滑的表面，如果用 e 表示粗糙突出部分的绝对高 度，则 ：表面粗糙全在粘性底层内，粗糙度对摩擦没有影响， A<5 v 称为水力光滑

9、管。 ：突出部分的影响超出了粘性底层，层流层 A>5 v 被破坏，称为水力粗糙。掌握层流与紊流的基础知识就能在生产中发 挥其作用。 层流在飞机机翼上的应用：翼型指飞机机翼或尾翼的横剖面形 状。层流翼型是一种为使翼表面保持大范围的层流，以减小阻力而设 计的翼型。与普通翼型相比，层流翼型的最大厚度位置更靠后缘，前 缘半径较小，上表面比较平坦，能使翼表面尽可能保持层流流动，从 而可减少摩擦阻力。层流翼型基本原理是在气流达到接近机翼后缘升 压区之前，尽可能在更长的距离上继续加速，就可以推迟由层流向湍 流的转捩。层流翼型是翼型发展的重要里程碑。从20世纪30年代末 开始，一批空气动力学家在理论和

10、试验研究基础上提出了层流翼型设 计方法。美国航空咨询委员会(NACA)在40年代中期发布了新的翼型 族NACA1系〜7系翼型，其中NACA6系层流翼型最为成功，在高速飞 机上得到广泛应用。层流翼型的设计方法有重大改进，它不是按中 弧线和厚度分布进行设计，而是按所希望的压力分布形态设计，以获 得较宽的层流范围。NACA6系层流翼型的基本厚度分布是按所要求的 阻力、临界马赫数和最大升力特性导出的，中弧线是按预定的载荷分 布设计的。其设计思想是尽量使翼型上的最低压力点向后靠，以加长 顺压梯度段长度，努力保持其边界层为层流，以达到降低翼型总摩阻 为目的。NACA6和改进的NACA6A系层流翼型后来广泛

11、用于高亚速飞 机和超音速飞机上。 湍流在生活生产中的现象：大气湍流按成因分为“风暴湍流” 和“晴空湍流”。前者由空气受热产生的强上升气流所致，因常发于 风暴等上升气流旺盛的天气而得名。后者则是由于空气流动时不同气 团交汇而成。风暴可由气象雷达预警，而“晴空湍流”由于缺乏征兆 而较易发生意外。香烟产生的烟。在最初的几厘米，烟的流场是层流， 随着热空气的向上加速，烟就开始变得不稳定形成了湍流。与此类似， 空气中污染的扩散就是由湍流主宰的。 F1 赛车高速转弯时，前车尾 部造成的湍流使后车前定风翼下压力损失约30%。如果距离前车太近， 会造成转向不足。环绕高尔夫球的流动。（更好的理解是根据相对运 动原理，假设高尔夫球不动，气体绕其流动。）表面粗糙的高尔夫球， 流动的边界层分离点要比光滑表面的高尔夫球边界层分离点靠后。乘 坐飞机常常会听到乘务员甜美的声音提示您飞机遇到湍流，请系好安 全带。有时湍流（特别是晴空湍流）可能会导致飞机上的人员受伤， 但少部分心理质素不佳的空姐大惊小怪时，请不用惊慌，大部分情况 下飞行员都能很好对付在湍流中飞行的情况，并且记得系好安全带。 层流与湍流存在于我们生活的方方面面，善于发现你就会惊讶于其 中的奥秘！