流体流动2研讨.doc

流体流动现象FLUID-FLOW PHENOMENA 牛顿粘性定律Newton’s Viscous Law 实验现象：板间液体运动，且形成上大下小的流速分布(速度差)。 现象说明： 板间流体可看成为许多流体层，且其间存在相对运动(速度差)。 相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或粘滞力。（否则流体静止） 牛顿粘性定律：（牛顿经过大量的实验研究，于1686年提出了牛顿粘性定律。）两流体层之间单位面积上的内摩擦力或切向应力或剪应力与垂直于流动方向的速度梯度成正比，即 式中 μ——粘性系数或动力粘度，简称粘度。 粘度Viscosity 物理意义：单位速度梯度时单位面积上所产生的内摩擦力，即 所以，粘度越大，流体流动时生产的内摩擦力也越大。 At 20 (C and 1 atm, For Hydrogen: For Glycerin: 单位 或 (Poise) 运动粘度 定义： 单位：或（沲或斯托克斯） 温度对μ的影响 对液体，T↑，μ↓ 对气体，T↑，μ↑ 压力对μ的影响 对液体，可忽略不计 对气体，一般不考虑（除极高或极低压力） 混合物的粘度 对常压气体混合物 对分子不缔合液体混合物 流体流动时的动量传递Momentum Transfer of Fluid Flow 将实验简化成两平板间的三层流体层，上下层流体分别附着在上下平板上，这已被实验证实。若下层平板固定，给上层平板施一向右的恒力，则上层流体随上层平板向右加速运动。设某时刻有两个分子由中层流体运动到上层流体，则同时必有两个分子由上层流体运动到中层流体，否则流体的密度会发生变化。这就相当于用两个在宏观上没有动量的分子交换了两个在宏观上有动量的分子，从而上层流体动量减少，中层流体动量增加。根据牛顿第二定律，力是动量改变的原因，知上层流体受到一个向左的力，上层流体加速度减小；中层流体受到一个向右的力，中层流体开始加速运动。上层流体动量的减少等于中层流体动量的增加，所以这两个力是流体内部一对作用力与反作用力，称为内摩擦力。 开始上层流体左向力不足于平衡右向力，随着速度差的增大，动量交换也增大，上层流体左向力也增大。当左向力与右向力平衡时，上层流体开始匀速运动，同时中层流体也开始匀速运动，否则速度差改变。下层流体因下层平板固定而静止，平衡时各流体层所受之力相等。 从上述分析可知，内摩擦力与速度差成正比。 另外，分子间力也是内摩擦力产生的原因之一，因为这样才能解释温度对粘度的影响。 内摩擦力产生的原因：分子的动量传递和分子间力。气体的内摩擦力主要是由分子的动量传递产生的，气体分子相距较远，温度升高时，体积膨胀，分子间力下降比例较小，而分子的动量传递增加比例较大；液体的内摩擦力主要是分子间力产生的，液体分子相距很近，温度升高时，分子间力下降比例较大，而分子的动量传递增加比例较小。 内摩擦力的物理意义：单位时间通过单位面积的动量， 即 所以，流体流动过程也称为动量传递过程，牛顿粘性定律就是定量描述动量传递的定律。 非牛顿型流体Newtonian and Non-Newtonian Fluids 牛顿型流体：满足牛顿粘性定律的流体，如空气、水等。 非牛顿型流体：不满足牛顿粘性定律的流体，如泥浆、高分子溶液等。 流动类型与雷诺准数Flow Types and Reynolds Number 实验现象及流动类型 流体质点只有轴向运动（层流或滞流）。 流体质点除有轴向运动外，还有径向运动。（过渡流） 流体质点除有轴向运动和径向运动外，还相互碰撞和混合。（湍流或紊流） 雷诺准数（雷诺数）(Reynolds Number) laminar flow, transitional flow and turbulent flow 层流底层区 湍流 过渡流区（缓冲层） 湍流主体区（湍流核心） 流体质点的运动方式 层流：轴向运动（稳态流动） 湍流：脉动（非稳态流动） 时均速度： 流体在圆管内的速度分布 层流：抛物线分布， 湍流：非抛物线分布， 流体在直管内的流动阻力 层流：阻力来自内摩擦力： 湍流：阻力来自内摩擦力和碰撞及混合，即阻力为摩擦应力与湍流应力之和： 式中 ——涡流粘度，Pa(s。