流体流动形态.ppt

* 本节内容提要 简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构,为流动阻力的计算奠定理论基础. 本节重点 （1） 两种流型的判据及本质区别； Re的意义及特点。 （2） 层流和湍流的速度分布。 （3） 流动边界层概念。 第四节 管内流体流动现象—管内流动阻力 流体的流动型态 一、两种流型——层流和湍流 雷诺实验 两种流动形态： 层流(或滞流)：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合； 湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。 二、流型判据——雷诺准数 无因次数群 *判断流型 Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。 三、Re的物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。 四、层流和湍流的比较 内部质点运动方式不同。层流流体质点作直线运动，即流体分层运动；湍流流体在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向作随机的脉动 从输送流体的角度考虑：湍流增加了能量消耗，输送流体时不宜采用太高的流速；但从传质和传热的角度考虑，湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减小，有利于加大传质和传热的传递速率，所以在传质和传热过程中，往往在输送条件的允许下尽可能提高流体的流速。 例 有一内径为25mm的水管，如管中流速为1.0m/s，水温为20℃。求：（1）管道中水的流动类型； （2）管道内水保持层流状态的最大流速。 解 (1)20℃水μ=1cP=10-3Pa·s，ρ=998.2kg/m3 故管中为湍流 (2)保持层流需 流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上质点的 速度随半径的变化关系。 理想流体速度分布:柱塞流 实际流体速度分布 一、层流时的速度分布 管中心流速为最大，即r＝0时， ＝umax 管截面上的平均速度 : 2、层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 1、流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布，截面上各点速度是轴对称的。 管壁处流体流速为零，即r＝R时， ＝ 0 二、流体在圆管中湍流时的速度分布 湍流速度分布的经验式： 一般流体输送情况下： 湍流流动时： 层流内层：靠近管壁处的流体薄层，速度及其径向脉动较小，保持层流流动（径向传递只能依赖分子运动），称为层流内层。 Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。 ——层流内层为传递过程的主要阻力 流动边界层的基本概念 ① 板面附近流速变化较大（存在速度梯度）的区域，称为流动边界层（或简称边界层），流体阻力集中在此区域内。 ② 边界层以外流速基本不变（等于u∞）的区域称为主流区，此区内速度梯度为零。 一般以主流流速的99%处作为两个区域的分界线，上图所示的虚线与平板间的区域即为边界层区域。因此，边界层的内侧速度为零，而外侧速度为0.99u∞。 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。 边界层流型：层流边界层和湍流边界层。 层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。 湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。 流体在圆管内流动时的边界层 边界层的分离 A B S? 边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。 * *