为什么光滑管内流体还会出现湍流?

如题

一般来说,当雷诺数达到2000~4000(临界区)时,液体层性管流会变得不稳定,并开始向湍性管流过渡。当雷诺数大于4000时,一般工业管道内的液体流动为过渡流或完全湍流。这时流动的能量损失和壁面摩擦阻力加大。由于湍性管流有相当大的径向动量交换,湍性管流的速度分布比层性管流均匀得多(图1)。   液体湍性管流没有严格的理论分析方法,工程技术中通常采用半经验半理论公式和图表计算压头损失(能量损失)或流量。   液体湍性管流的压头损失由达西-魏斯巴赫方程给出: 式中hf为压头损失(米);L为管道长度(米);D为管道内径(米);U为平均速度(米/秒);g=9.81米/秒2;f为摩擦系数(无量纲),它是雷诺数Re和管道内壁相对粗糙度ε/D的函数,即               f=f(Re,ε/D), 式中ε为管道内壁的绝对粗糙度(米);Re=UD/ν(ν的单位为米2/秒)。这些函数关系由以下经验公式给出:   在过渡区,   在完全湍流区, 由上式看出,在完全湍流情况下摩擦系数仅与粗糙度有关,而同雷诺数无关。   在层流区,          f=64/Re。   为了便于使用,L. F.穆迪将这些函数关系绘在一张以ε/D为参数,以f、Re为坐标轴的曲线图(称为穆迪图,见图2)上。 图中湍性管流摩擦系数 f的下限为最下面的一条光滑管曲线,虚曲线为过渡区和完全湍流区的分界线。   上述经验公式和穆迪图适用于各种工业管道中的液体流动。新的工业管道内壁的有效粗糙度见表。   应用时,如果给定管道流量求压头损失,可以按如下步骤进行计算。首先通过水力试验测定管道内壁的有效粗糙度,算出雷诺数,根据穆迪图查出摩擦系数f,然后用达西-魏斯巴赫方程算出压头损失。由于尚缺乏测量管道粗糙度的满意方法,对粗糙管的摩擦系数的知识也不完善,这样的计算误差约±10%。   管道截面的变化,阀门调节,管道方向变化和分支,都会引起压头的局部损失。但是,这些损失是次要的。工程计算中可将等效管道长度Le加到实际管道长度中加以考虑。   最近实验发现,可溶性高分子聚合物具有很强的减阻作用。例如,在纯溶剂中加百万分之几(重量)的这种聚合物,可以使液体湍性管流的摩擦阻力降到纯溶剂摩擦阻力的四分之一。一般说来,任何具有线形结构的高分子物质(其分子量大于50000),都可使任何流体溶剂的湍流摩擦阻力降低。高分子减阻具有广泛的应用前景。
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