化工原理1.4 流体流动的内部结构.ppt

1.4 流体流动的内部结构 1.4.1 流体的流动型态 1.4.2 湍流的基本特征 1.4.3 边界层与边界层分离 1.4.4 圆管内流体流动的速度分布 1.4.1 流体的流动型态 层流和湍流 流动型态的判断-雷诺准数Re 层流和湍流 1883年著名的雷诺实验揭示出流动的两种截然不同的型态 流动型态的判断-雷诺准数Re 流型对动量、热量和质量传递将产生不同的影响。 流体流动的几何尺寸(d)、u、 ρ和μ对流型的转变有影响。综合成一个无因次的数群duρ/μ-雷诺准数，用Re表示。 Re2000，流体的流动状态为层流区； 2000Re4000时，为过渡区； Re4000时，流体的流动状态为湍流区。 扰动与稳定、稳定和定态是不相同的。 扰动时的雷诺准数不能判别流体的流动状态。 时均速度与脉动速度 湍流时流体质点在沿管轴流动的同时还作随机的脉动。一定时间T内，流体的平均(时均)速度： 湍流的强度和尺度 湍流：在主体流动上叠加各种不同尺度、强弱不等的旋涡。 大旋涡不断生成，并从主流的势能中获得能量。同时，大旋涡分裂成越来越小的旋涡，其中最小的旋涡中由于存在大的速度梯度，机械能因流体粘性变成热能，小旋涡随之消亡。因此，湍流流动时的机械损失比层流时大得多。 湍流的强度和尺度 湍流强度用脉动速度的均方根值表示。x方向的湍流强度可表示为： 也可用脉动速度的均方根与平均流速的比值，即 湍流的强度和尺度 湍流尺度与旋涡大小有关。以相邻两点的脉动速度是否相关度量。 在流场中相距一小段距离为y的1、2两点，在流动方向x的脉动速度分别为 湍流的强度和尺度 相关系数R在0～1之间，与两点相距有关。R值越大，相关性越大。于是湍流尺度可定义为 　 y为两测点间的距离。 当空气的流速为12 m/s时，湍流尺度约为10 mm。 湍流尺度与Re有关。Re增加，湍流尺度下降，旋涡直径减小，如果是液体，则液滴直径变小。 化工生产中，为了增加液-液的分散度，须加大流体的Re数，湍流尺度下降，旋涡直径减小。 湍流粘度 层流流动时，动量传递服从牛顿粘性定律；在湍流流动，则不服从牛顿粘性定律。用牛顿粘性定律表示湍流流动时的动量传递，则写成： 称流体的湍流粘度，与运动有关。 当流体在层流流动时， ； 流体在湍流流动，随着Re数增加而增加，当Re数达到一定程度时，流体的粘度可忽略。 1.4.3　边界层与边界层分离 1904年，普兰特提出了著名的边界层理论。他在海德贝尔格的数学年会上宣读了“具有很小摩擦的流体运动”，证明了绕固体的流动可以分为两个区域: 一、物体附近很薄的一层(边界层)，摩擦起主要的作用； 二、该层以外的其余区域，摩擦可以忽略不计。 边界层理论的重大意义在于，在人们还不可能求解完整的N—S方程(纳维-斯托克斯方程 )以前，解决了阻力问题，使人类的飞行至少提前了半个世纪。同时，它还是奇异摄动理论中匹配渐近展开法的雏形。 边界层概念及普兰特边界层理论 普兰特边界层理论的主要内容： 边界层概念及普兰特边界层理论 边界层的形成和发展 湍流时层流内层和过渡层 层流流动，整个边界层为层流 湍流边界层内的流动状态：湍流层，过渡层和层流内层 湍流层、过渡层与湍流主体一般统称为湍流核心。因此流体在湍流流动过程中，分为湍流核心和层流内层。 在湍流核心流体的温度、流速等物理量可认为是不变的。流体的传质、传热和流动阻力全部集中在层流内层，其层流内层的厚度随Re增加而变薄。 边层界的分离 当流体流过一个大曲率的物体时，与直管、平板不同。 uA=0，压强最大；A到B点，边界层内流体处于加速减压状态；B到C点，边界层内流体处于减速加压状态，在剪应力和逆压强梯度的作用下，壁面附近流体的速度迅速下降，到C点为零，壁面远一点由于流速较大，到 点流速也降为零；C线上方为边界层，运动过程中将全部消失，C线下方，边界层离开物体壁面，称边界层分离。 1.4.4 圆管内流体流动的速度分布 流体的受力平衡 剪应力分布 层流时速度分布 层流时的平均速度和动能校正系数α 湍流时速度分布 湍流时的平均速度和动能校正系数 流体的受力平衡 流体在均匀直管内作定态流动，长为l、半径为r的流体圆柱的受力状态： 两端的压力 F1＝лr2p1 F2＝лr2p2 外表面的剪力 F＝2лrlτ 圆柱体的重力 Fg＝лr2lρg 它们之间的关系为 F1―F2―F＋FgSinα＝０