均匀流是指在恒定流中,若流线为相互平行的直线,该流动称为均匀流。流速值是常数,流线顺直且平行的流场是最简单的平面流。如直径不变的直线管道中的水流、断面形状和尺寸及边界条件沿程不变的通风巷道的风流,均属于均匀流。
均匀流特性
均匀流应具有以下特点。
(1)均匀流过流断面为平面,且形状、尺寸与边界情况沿程不变。
(2)均匀流只有沿程损失,而无局部损失。
(3)同一流线上不同点的流速相等,不同过流断面上流速分布情况相同、断面平均流速相等。
Z1+ =Z2+ +hf。
均匀流切应力公式
均匀流损失为沿程损失,主要是由于流体克服摩擦阻力做功而产生的。现以圆管恒定均匀流为例导出切应力公式。
如图1 所示,在圆管恒定均匀流中取相距为l的两过流断面1-1和2-2。过流断面的面积为A,两过流断面形心距基准面0-0的高度分别为Z1和Z2,压力分别为P1和P2,湿周为X,圆管轴线与水平面的夹角为 ,所选流段1-2与圆管内壁的平均切应力为 ,作用于流段1-2上的外力有:
(1)过流断面1-1和2-2上的总压力分别为P1=P1A和P2=P2A。
(2)流段1-2圆柱面的摩擦阻力为T= xl。
(3)流段1-2的重力为G= Al。
(4)流段1-2圆柱面总压力与流段流动方向垂直,在流动方向上没有分力。
由于研究对象为恒定均匀流,加速度为零,作用于流段1-2上的外力处于平衡状态,所以,在流动方向上力的平衡方程为P1A+ Alsin =P2A+ Xl
均匀流沿程损失计算公式
沿程损失与切应力之间的关系式为hf= ,因此,要求沿程损失hf,就必须知道流动边界处的平均切应力 。经实验研究发现,流动边界切应力 与断面平均流速v、水力半径R、动力黏度 、流体密度 及固体边界的绝对粗糙度 等因素有关,即 =f(v,R, , , )。
通过进一步分析研究表明,边界平均切应力 与流体密度 成正比,与断面平均流速v的平方成正比,可表示为 = v2,式中 为比例系数,它与雷诺数Re和相对粗糙度 有关。
与非均匀流区别
均匀流的所有流线都是平行直线,过流断面是一平面,且大小和形状都沿程不变。非均匀流的所有流线不是一组平行直线,过流断面不是一平面,且大小或形状沿程改变。均匀流中,流动参数具有对空间的不变性,迁移加速度等于零。
均匀流的影响
在许多情形下周围介质更接近处于均匀流状态。例如,就所关心的声学问题而言,飞机发动机风扇和压缩机常被模型化为它们处于一个带有近似均匀流的无限大直管道内(如图2所示)。