化工原理上(考研精品)流体流动现象.pptVIP

1.3 流体流动现象 1.3.1 粘度 一、牛顿粘性定律 表明：①粘性产生的剪应力与速度梯度成正比 ②牛顿型流体与非牛顿型流体的区别 粘度 = f（物性，温度）：t ↑, ?气 ↑ , ?液↓ 理想流体假定 ? =0 SI单位：[m2/s] 物理单位：[cm2/s] ，称为斯 二、剪应力与动量传递 mu—流体的动量 剪应力可以表示为单位时间通过单位面积的动量通量。 流体流动时内部的剪应力是速度不等的两相邻流体层间的作用的力，其产生的原因是流体层之间的动量传递。 1.3.2 流动形态 一、雷诺实验 影响流体流动的因素有： 流体的物性ρ和μ,流速u和管径d 二、雷诺数与流体流动型态 Re越大，表示惯性越大，湍动程度越剧烈； Re小，表示粘性力占主导地位，湍动程度小。 雷诺准数的物理意义： 流型判据： Re ≤2000 层流 2000 Re4000 过渡状态（或为层流或为湍流） Re ≥ 4000 湍流 1.3.3 流体在圆管内的速度分布 流体在管内流动的受力分析： 〈3〉阻力，作用于侧表面2πrL 上的剪切力为 〈2〉重力，垂直于管轴，故在管轴上投影为0 〈1〉压力（取流速方向为正） 在长度为L的水平直管段内划出半径为r的圆柱形流体段作分析。 由此可见，圆管内流体剪切力分布与管半径成正比关系，对层流和湍流都适用。 在圆心处由于半径为0，剪切力为0，靠近管壁处的剪应力最大。 一、层流速度分布 上式即为管内层流时的速度分布表达式u 随r 按抛物线分布，在空间的速度分布图形则为一旋转抛物面。 在管中心，r =0, u 达到最大值umax，任意距离r点处为ur 。 因紧贴在管壁上的运动速度为零：即r = R, u= 0，代入上式求c 1、湍流的脉动现象和时均化 湍流的剪应力: 由分子运动和质点脉动所引起 二、湍流的速度分布 n=6～10。 Re越大，n值也越大，当Re=105左右时，n=7. 此时称为1/7方率。（尼古拉则公式） 层流与湍流速度分布 2、湍流速度分布的确定 三、平均速度 取半径为r，厚度为dr 的环形流体作分析。设环形流体以速度u向前运动，则体积流量dqv 为 u dr R r 通过整个截面的体积流量为 1、层流时 即湍流时平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。Re 越大，则n值越大，求出之u/ umax便越大。 n u/umax 6 7 8 9 10 0.791 0.817 0.837 0.852 0.865 2、湍流时 有u= umax(1-r/R) 1/n= umax(1-r/R)1/7 (令n=7)，则： 四、层流与湍流的区别 1.3.4 边界层概念 为什么引入边界层概念？ 实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部存在剪应力作用，由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁面附近。 而远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。 也就是说，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的流体为主要对象。故普兰德提出了边界层的概念。 一、边界层及其形成（以平板为例） 边界层-----壁面附近速度变化较大,主体流动阻力集中在此, 速度 0 →99％u 0 的区域, 主流区-----离壁面较远、速度基本不变的区域,流动阻力可忽略 边界层的定义: 流速降为未受边壁影响流速（来流速度u 0 ）的99%以内的区域为边界层。 简言之，边界层是边界影响所及的区城。 二、边界层分离 (边界层脱离壁面） 边界层的一个重要特点是在某些情况下会脱离壁面，称为边界层分离。 A→B：流通截面变小，流速↑，p↓； B→D：流通截面扩大，流速↓ ，p ↑ C点：由于阻力损失，流速降为0； C→D：截面继续扩大，p ↑，近壁面处流体在反向压力（逆压强梯度）作用下被迫倒流，产生大量旋涡，此即边界层分离。 边界层分离演示 边界层分离的后果：〈1〉产生大量的旋涡 〈2〉造成较大能量损失 平板及流线型物体不会发生边界层分离 流体沿壁面流过时的阻力→表皮阻力（或摩擦阻力） 流体的流道发生弯曲、突然扩大或缩小、绕过物体流动，引起边界层分离→形体阻力。