層流與紊流
由于實際流體都具有粘性,當實際流體在管道內流動時,一般有兩種流動狀態,一為層流流動,一為紊流流動。這是兩
種性質截然不同的流動狀態。
層流流動時,管內流體分層流動,各流層之間互補混雜而平行于管道軸線流動,流層之間沒有流體質點的相互交換。流
體通過一段管道的壓力降與流量成正比。
紊流流動時,管內流體不再分層流動,流體質點除沿管道軸線方向運動外,還有距離的徑向流動,流體通過一段管道的
壓力降與流量的平方成正比。
判斷管內流動是層流流動還是紊流流動的依據是一個無量綱數-雷諾數Re。它實際上是流體流動時慣性力和粘性力的比
值。其數學定義式為:
Re=ulρ/η=ul/v
式中:
u--流體的平均流速,m/s;
l--流束的特征尺寸,m;
v、η--工作狀態下流體的運動粘度(m
2/s)和動力粘度(Pa.s)
ρ--流體密度,kg/m
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從上式可知,雷諾數的大小取決于流速、特征尺寸和流體粘度三個參數。對于圓形管道,特征尺寸一般去管道直徑D,
搜易雷諾數的計算公式為:
Re=uD/v
工程計算中,一般管道直接單位以毫米表示,而且往往已知體積流量qv(單位用m3/h表示)或質量流量qm(單位用kg/h表示)而非流速u,在這種情況下,雷諾數可用下面的實用公式來計算:
Re=0.354*qm/Dη
Re=0.354*qv/Dv
式中,v、η的單位分別為m2/s和Pa.s
當流通管道為非圓形管道時,可取當量直徑Dd為特征尺寸計算雷諾數。
對于任意截面形狀的管道,可取水力半徑的4倍作為當量直徑。而水力半徑等于管道截面積與管道周長之比。例如,長和寬分別為A和B的矩形管道,其當量直徑Dd為
Dd=4*A*B/2(A+B)=2AB/(A+B)
雷諾數下,說明管內流動占主要地位的是粘性力,各流體質點平行于管道內壁有規則的分層流動,流動呈層流流動狀態。雷諾數大,說明管內流動占主要地位的是慣性力,流體呈紊流流動狀態。
一般認為,管道雷諾數ReD≤2320為層流狀態,而當雷諾數大于此值時,流動將開始轉變為紊流狀態。
在工程應用中,對雷諾數相等的流動可認為流動是相似的。所以流量儀表在某種標定介質(通常氣體流量計用空氣,液體流量計用水)中標定得到的流量系數,可以根據在相同雷諾數下流量系數相等的原則換算出另一種介質(被測介質)的流量(或流速)。這是許多流量計實流標定的理論基礎。