化工车间工艺讲课精要.ppt

所以高速运动的物体,如航空器、车船等都被设计成能减少涡旋产生的收缩尾部——流线型. 动物与流线型 1. 高尔夫球表面光滑还是粗糙？ 高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰,当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小,因此用皮革制球. 后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论才得以解开. 现代高尔夫球 早期高尔夫球 2. 汽车的阻力来自前部还是后部？ 汽车发明于19世纪末,当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击,故制造的是箱型车. 后来认识到汽车阻力主要来自后部形成的尾流,便运用流体力学原理逐步地改进汽车尾部形状. 早期的箱型车 现代的流线型车 地铁安全线 水流抽气机原理 伯努利管 流体 温度/?C 黏度/ 10-5Pa?s 流体 温度/?C 黏度/ 10-5Pa?s 空气 0 1.71 水 0 1.8 20 1.82 37 0.69 100 2.71 100 0.3 氢气 20 0.88 甘油 20 8.30 251 1.30 26.5 4.94 二氧化碳 20 1.47 血液 37 3.0~5.0 100 1.83 血浆 37 1.0~1.4 250 2.45 血清 37 0.9~1.2 几种流体的黏度 雷诺实验演示 湍流 层流 过渡流 实验证明,流体内部相邻两流体层之间黏性力为 上式称为牛顿黏滞定律.其中比例系数 ? 称为黏度或黏性系数,是反映流体黏性的宏观物理量. 流体的黏度与物质的性质有关,还与温度有关. 一般说来,液体的内摩擦力小于固体之间的摩擦力,古人开凿运河,用于运输;用机油润滑机械,减少磨损,延长使用寿命,都是这一原理的应用.气体的黏滞性则更小,气垫船的使用就是利用了气体的这一特性. 遵从牛顿黏滞定律的流体称为牛顿流体(如水、酒精、血浆等),不遵从牛顿黏滞定律的流体称为非牛顿流体(如血液、胶体溶液和燃料水溶液等). 湍流 黏性流体作层流时,层与层之间仅作相对滑动而不混合.但当流速逐渐增大到某种程度时,层流的状态就会被破坏,出现各流层相互混淆,外层的流体粒子不断卷入内层,流动显得杂乱而不稳定,甚至会出现涡旋,这种流动称为湍流(turbulent flow). 核爆蘑菇云 火山爆发 流体在作湍流时,能量消耗比层流多,湍流发声的强度要远远大于层流,而且音调也有显著的差别,这在医学上具有实用价值. 利用湍流的这一特性,医生能用听诊器辨别出血流的非正常情况,从而诊断某些心血管疾患;通过听取支气管、肺泡呼吸音的正常与否,诊断肺部疾病.测量血压时,在听诊器中听到的声音,也是血液通过被压扁的血管时,产生湍流所发生的. 雷诺数 雷诺最早对湍流现象进行系统研究,1883年他通过大量的实验,证实了流体在自然界存在两种迥然不同的流态,层流和湍流. 雷诺 (Osborne Reynolds 1842-1912)英国力学家、物理学家、工程师. 雷诺在实验中发现,玻璃直圆管道中的黏性液体,其流动状态是层流还是湍流主要取决于比例系数(后人称之为雷诺数, Reynolds number)Re 的大小： 式中 ? 为液体的密度, r 为管道的半径, v 是液体的平均流速, ? 是液体的黏性系数. 雷诺数是一个无量纲的纯数,它是鉴别黏性流体流动状态的唯一参数. 实验表明,对于刚性直圆管道中的黏性流体: Re＜1000 时,流体作层流; Re＞1500时,流体作湍流; 1000＜Re＜1500时,流体可作层流,也可作湍流,称为过渡流. 烟缕由层流转变为湍流 Re 1 Re =1.54 Re9.6 Re=2000 不同雷诺数的圆柱绕流流场 根据雷诺数,讨论影响流体流动状态的因素. 管口突变对流动状态的影响 生理流动 人体中时刻存在着各种生理流动,对生命和健康最重要的是血液循环与呼吸系统.健康人体的血管和气管等流动管道都具有良好的弹性,管壁可以吸收扰动能量,起着稳定流场的作用,因而生理流动的临界雷诺数(由层流转变为湍流时的雷诺数)要远远超过刚性管流的临界雷诺数. 人体主动脉按直径不同,其雷诺数约在1000 ~1500,在正常情况下,血流仍保持层流状态. 在气管和支气管中气体的流动也是类似的,正常呼吸时,气体一直保持层流状态,只有当深呼吸或咳嗽时,才会发生湍流,此时,雷诺数峰值可高达不可思议的50000. 在相同雷诺数条件下,层流的摩擦阻力和能量损耗要远远低于湍流,而湍流中的物质交换和化学反应又比层流充分得多.难怪力学专家会发出惊叹:人体已经发展成为近乎最优化的系统. 然而,一旦循环系统或呼吸系统管道弹性减弱,则吸收扰动能量的能力就要大打折扣.如果管道(循环系统的管道还应包括心脏瓣膜在内)发生狭窄阻塞,内壁粗