化工原理第三版第一章2.ppt

第四节 流体流动的内部结构 1-4-1 牛顿粘性定律与流体的粘度 一、牛顿粘性定律 流体具有流动性，没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。另一方面，在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。 以水在管内流动时为例，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点粘附于管壁上，其速度为零。其他流体在管内流动时也有类似的规律。 如图所示,流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动。由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动，速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等、方向相反的力，从而阻碍较快的流体层向前运动。 这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。 流体在流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关呢？ 实验证明： 把上式写成等式，需引进一个比例系数μ，即： 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，于是上式可写成： (1) 适用于u与y成直线关系的场合。 当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系。则式（1）应改写成： （1）、(2)二式所显示的关系，称为牛顿粘性定律。 牛顿粘性定律指出，剪应力与法向速度梯度成正比，与法向压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩擦力的规律截然不同。 二、流体的粘度 不同的流体具有不同的粘度，所以粘度是流体的一种物性。 粘度愈大，同样的剪应力将造成较小的速度梯度。 因为剪应力与流体的粘度是有限值，故速度梯度也只能是有限值。 粘性的物理本质：分子间引力和分子的运动与碰撞 P6 流体流经圆管时的速度沿半径方向的变化规律 　　　　　（a）　　　　　　　（b） 　　　　实际流体　　　　　　理想流体 μ= 0 实验表明：气体及水、溶剂、甘油等液体服从牛顿粘性定律，此类流体统称为牛顿型流体； 某些高分子溶液、胶体类及泥浆等不服从牛顿粘性定律，此类流体称为非牛顿型流体。 1-4-2流动类型与雷诺准数 雷诺实验装置 若用不同的管径和不同的流体分别进行实验，从实验中发现，不仅流速u能引起流动状况改变，而且管径d，流体性质(密度ρ和粘度μ)也都能引起流动状况改变。说明，流体的流动状况是由多方面因素决定的。 雷诺发现，可以将这些影响因素综合成一个无因次的数群作为流型的判定依据，此数群被称为雷诺数．以符号Re表示。 判断依据： (1) Re＜2000，层流，为层流区； (2) 2000＜Re＜4000，有时出现层流，有时出现湍流，依赖于环境，为过渡区； (3) Re＞4000 ，湍流．为湍流区。 1-4-3 层流与湍流的比较 一、流体内部质点的运动方式 层流：分子—作随机的混乱运动； 质点—是作定态的运动。 湍流：分子—作随机的混乱运动； 质点—作随机的混乱运动。 1、时均速度与脉动速度 在某一点测定该点沿管轴x方向的流速ux随时间的变化，可得图所示的波形。 该点速度在其他方向上的分量也有类似的波形。该波形表明，湍流时每—点仍有一个不随时间而变的时间平均速度，时均速度是指瞬时流速在时间间隔T内的平均值，即： 流动参数的时均化仅是一种处理方法。实际的湍流流动是在一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量。例如，质点的瞬时流速可写成： 式中：　　　—分别表示三个方向上的时均速度； 　　—分别表示三个方向上随机的脉动速度。 2、湍流粘度 湍流的基本特征是出现了速度的脉动。 当流体在管内层流时，只有轴向速度无径向速度； 湍流时，则出现径向的脉动速度。 这种脉动加速了径向的动量、热量和质量的传递。对传热与传质过程都有重大的影响。 二、流体在圆管内的速度分布 1、流体在圆管内运动的数学描述 流体在均匀直管内作等速度运动，各外力之和必为零 根据速度分布