题目
流体在管内作层流流动时,摩擦系数与( )有关;在过渡区和湍流流动时,摩擦系数与( )和( )有关;若其作完全湍流(阻力平方区),则 仅与( )有关。(请用文字填写)
流体在管内作层流流动时,摩擦系数与( )有关;在过渡区和湍流流动时,摩擦系数与( )和( )有关;若其作完全湍流(阻力平方区),则 仅与( )有关。(请用文字填写)
题目解答
答案
雷诺数#雷诺数;相对粗糙度#相对粗糙度;雷诺数#相对粗糙度
解析
本题考查流体在管道中不同流动状态下摩擦系数的影响因素。核心思路是理解层流、过渡区、湍流及完全湍流(阻力平方区)的流动特性与摩擦系数的关系:
- 层流:流体分层流动,摩擦系数仅由雷诺数决定;
- 过渡区和湍流:流动复杂化,摩擦系数同时受雷诺数和相对粗糙度影响;
- 完全湍流(阻力平方区):流动完全受粗糙度主导,摩擦系数仅与相对粗糙度相关。
层流流动
在层流状态下,流体分层平缓流动,分子内摩擦是主要阻力来源。此时摩擦系数 $\lambda$ 与雷诺数 $Re$ 的关系为:
$\lambda = \frac{64}{Re}$
关键结论:摩擦系数仅与雷诺数有关。
过渡区和湍流流动
进入湍流后,流体出现漩涡和混合,管道表面的粗糙度开始显著影响流动。根据莫迪图,摩擦系数 $\lambda$ 的计算需同时考虑雷诺数和相对粗糙度 $\varepsilon/D$:
- 过渡区:摩擦系数随 $Re$ 和 $\varepsilon/D$ 变化;
- 湍流区:摩擦系数主要由 $\varepsilon/D$ 决定,但仍受 $Re$ 的一定影响。
完全湍流(阻力平方区)
当流动完全进入阻力平方区时,摩擦系数 $\lambda$ 仅与相对粗糙度 $\varepsilon/D$相关,与雷诺数无关。此时流动阻力主要由管道表面的粗糙突起引起。