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1.4.3 流体在管内流动时的流速分布

2023-02-14

在工业上流体输送多采用圆形管,以下着重就圆管进行讨论。圆形直管中流体流速 的分布,是指在圆管横截面的不同点上,流体的速度随位置的变化。由于圆管中的流体流 动是轴向对称的流动,所以圆管中的流体流速分布可用点速度与距管中心的距离r 表出。

1.4.3.1 层流时的流速分布

在上述讨论流体层流流动的直管阻力时,曾经导出在r处的流速ur与距离r的关系 式如下:

上式说明层流时的速度分布为一抛物面,在管中心r=0时有最大流速umax

     (1-70)

合并上两式可得:

     (1-71)

又由前面的泊稷叶方程(1-56)和式(1-71)的比较,可得到管内平均流速um和管中心 最大流速间的关系

     (1-72)

即在圆管内层流流动时,其平均流速um为管中心最大流速的一半。当平均流速已 知时,即可利用上列式子求出不同r处的流速,反之,如果测得某一r处的速度ur,也可 相反求出管内的平均流速um

1.4.3.2 湍流时的速度分布

流体湍流流动时,由于流体微团间的剧烈混合,使管中心部分的湍流速度分布曲线比 较平坦,而不再成抛物线形,Nikuradse在光滑管中进行了大量的湍流速度分布实验,所 得的结果示于图1-32。图中以点速度ur和最大流速umax对Y/R,绘出了在一定雷诺数 下的曲线。Y为距管壁的距离,R为管径。这些曲线可假设以经验式来表示:

图1-32 不同雷诺数时光滑管内的流速分布

     (1-73)

在管路计算中,常常用的是流体的平均流速um,其定义式为:

由此式结合分布式(1-74)便得出如下的关系式:

     (1-74)

为了应用上的方便,可将um/umax的值表示为Re或Remax的函数(图1-33)。

图1-33 um/umax与Re的关系