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Novec 1230灭火剂的施放方法研究(5)
当管道雷诺数小于临界雷诺数时,管中流动处于层流状态;反之,则为湍流,层流和湍流之间存在着一种过渡状态。
为了探索沿程阻力系数 的变化规律,验证和补充普朗特的理论,尼古拉兹在1933年进行了著名的实验,将管道的流动可分为五个区域。
第—个区域是层流区,对应的雷诺数 ,试验点均落在直线 上。表明 与相对粗糙 无关,只是 的函数,并符合 。
第二个区域为层流与湍流之间的过渡区, 试验点落在bc附近,表明 与相对粗糙 无关,只是 的函数。
第三个区域为湍流光滑区, 不同的相对粗糙管的试验点都先后落
图2.1.1 尼古拉兹曲线图
在同一条 线上。表明 与相对粗糙 无关,只是 的函数。随着 的增大, 大的管道,实验点在 较低时便离开此线,而 较小的管道,在 较大时才离开。
第四个区域是湍流过渡区,不同的相对粗糙管实验点分别落在不同的曲线上。表明 既与 有关,又与 有关。
第五个区域是湍流粗糙区,不同的相对粗糙管实验点分别落在不同水平直线上,表明 与 有关,与 无关。在这个阻力区里,对于一定的管道( 一定), 是常数。沿程水头损失与流速的平方成正比,故有称为阻力平方区。
2.1.2 工业管道实验曲线
尼古拉兹通过对人工粗糙管道进行实测,并结合混合长度理论,推导出湍流光滑区和粗糙区的经验公式。但人工粗糙与实际工业管道的粗糙形式有很大的差异。
在尼古拉兹试验中,湍流有明显的光滑区。因为人工粗糙砂粒的直径是一致的。只要粘性底层的厚度大于砂粒直径,流动就处于光滑区。而工业管道、出于工业加工的缘故,不可能制造出粗糙度完全一致的管道。壁面的粗糙部分,从微观上讲,高低不一,因此没有明显的光滑区,或者光滑区的跨越范围很窄,无法进行对比。进入人工粗糙区,无沦是人工管道,还是工业管道,由于粗糙面完全暴露在湍流中,其水头损失的变化规律也是一致的。因此,在 相同的情况下。可用人工管道的相对粗糙度来表示工业管道的相对粗糙度,即当量粗糙度。
当量粗糙度是用直径相同,在湍流粗糙区 相同的人工管道的粗糙度 ,来定义该工业管道的粗糙度。
工业管道的计算方法与人工管道的计算方法一样,但尼古拉兹阻力系数公式在湍流过渡区是不适用的。1939年,柯列勃洛克和怀特给出了工业管道湍流区中 的计算公式:
图2.1.2 穆迪图
2.1.3 层流和湍流的特点
层流是流体中液体质点彼此互不混杂,质点运动轨迹呈有条不紊的线状形态的流动。实际流体流动中,绝大多数是湍流,湍流与层流的显著差别在于,层流中流体质点层次分明地向前运动,其轨迹是一些平滑的变化很慢的曲线,互不混掺,各个流层间没有质量、能量、动量、冲量、热量等的交换。而湍流中流体质点的轨迹杂乱无章,互相交错,而且迅速地变化,流体微团(旋涡涡体)在顺流方向运动的同时,还作横向和局部逆向运动,与它周围的流体发生混掺。
不规则性,湍流流动是由大小不等的涡体所组成的无规则的随机运动,它的最本质的特征是“紊动”,即随机的脉动。它的速度场和压力场都是随机的。由于湍流运动的不规则性,使得不可能将运动作为时间和空间坐标的函数进行描述,但仍可能用统计的方法得出各种量,如速度、压力、温度等各自的平均值。
湍流扩散,湍流扩散性是所有湍流运动的另一个重要特征。湍流混掺扩散增加了动量、热量和质量的传递率。例如湍流中沿过流断面上的流速分布,就比层流情况下要均匀得多。
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