1.4流体流动阻力.ppt

平板间的流体剪应力与速度梯度 1.4.2 流体流动的类型---层流及湍流 （1）雷诺实验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。 （2）雷诺实验现象 （3）实验分析 （1）剪应力分布 ② 壁面剪应力与平均流速间的关系 （3） 湍流时的速度分布和剪应力 ① 湍流描述 主要特征：质点的脉动 瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度 ④　流动边界层的发展 平板上： 流体最初接触平板时，x=0 处，u0=0;δ=0； 随流体流动，x增加，δ增加（层流段）； 随边界层发展， x增加，δ增加。质点脉动，由层流向湍流过渡，转折点距端点处为x0； 充分发展：x ＞ x0 ，发展为稳定湍流。 圆形管中： (a）当流速较小时 流体贴着固体壁缓慢流过 (爬流)。 (b) 流速不断提高，达到某一程度时，边界层分离 。 流体流过单球体 (c)边界层分离的条件 1.4.5 流体流动阻力计算 （1）流体阻力的表示方法 对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式： 　　 ①　层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseuille方程 ② 湍流条件下的摩擦系数 影响因素复杂，一般由实验确定。 影响因素： 几何尺寸及形状； 表面情况 ； 流体的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量纲分析法可以得到： ③ 摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系 层流区 Re≤2000 过渡区 2000＜Re≤4000 ▲ 逆压梯度 ▲ 壁面附近的粘性摩擦 (d) 边界层分离对流动的影响 边界层分离→大量旋涡→消耗能量→增大阻力。 由于边界层分离造成的能量损失，称为形体阻力损失。 边界层分离使系统阻力增大。 (e) 减小或避免边界层分离的措施 改变表面的形状， 如汽车、飞机、桥墩都是流线型。 阻力损失与压力差的区别： △pf —— 流体流经两截面间的机械能损失； △p —— 任意两点间的压力差。 kJ/kg m Pa 二者之间的关系： 管路中的流动阻力=直管阻力+局部阻力 直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生； 局部阻力：由于速度的大小或方向的改变而引起。 即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失 与两截面间的压力差在数值上相等。 （2）? 圆形直管内的阻力损失 在1-1和2-2截面之间列机械能衡算式： u p1 p2 1 1 2 2 F F d d 直圆管内阻力公式的推导 ① 直圆管内阻力计算公式推导 因 所以 流体柱受到的与流动方向一致的推动力： 流体柱受到的与流动方向相反的阻力： 流体恒速流动时： 又： J/kg m Pa ② 范宁公式 计算流体流动阻力的一般公式 所以 摩擦系数： （3） 摩擦系数 —— Hangen-Poiseuille方程 摩擦系数λ与Re、ε/l关系图 0.1 0.01 0.03 0.02 0.07 0.06 0.05 0.04 0.09 0.08 0.008 0.009 102 104 107 106 105 103 0.01 0.05 0.02 0.015 0.03 0.04 0.008 0.0045 0.002 0.0008 0.006 0.0006 0.001 0.0004 0.0002 0.0001 0.00005 0.00001 λ Re e/l 根据实验，得到莫狄（Moody）摩擦系数图。 （阻力平方区） 不完全湍流区 完全湍流区 湍流区 Re＞4000 * 1.4.1 流体的粘性和牛顿粘性定律 （1）牛顿粘性定律 1.4 流体流动阻力 速度分布（速度侧形）：速度沿距离的变化关系。 u F 0 x u=0 y Y du dy 平板间的流体剪应力与速度梯度 牛顿粘性定律： 实测发现： 意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 （2） 流体的粘度 ①　物理意义 —— 动力粘度，简称粘度 ②　单位 SI单位制 ： Pa· s ( N · s /m2) 物理单位制 ： P(泊), 达因·秒/厘米2 cP(厘泊) 换算关系：1cp=0.01 P=10-3 Pa · s=1 mPa · s 单位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s ③　运动粘度 m2/s (3) 影响因素