流体动力学和对流换热基础——管内流动.pdfVIP

第一章 流体动力学和对流换热基础———管内流动 第一章 流体动力学和对流换热 基础———管内流动 第一节 边界层概念 当流体流过固体壁面时（图! !），由于流体的粘性，在邻近壁面处有一薄层速度梯 度很大的流体，其速度从壁面上的零值变到外部流体（或称主流）的数值（对于平壁，即为 来流速度 ! # ）。壁面上这一薄层流体称为边界层。边界层的形成是由于直接靠近壁面 的流体层与壁面的摩擦而失去动能，并对相邻流体层施加粘性力，使第二层流体的流动逐 渐缓慢下来。当第二层流体失去动量以后，它又开始向第三层流体施加阻力，致使第三层 流体又开始失去动量，如此逐层传递下去。所以，在边界层内，流速的降低是流体流过壁 面时粘性力向外扩散引起的。当流体以均匀速度 ! # 流过平壁时，沿流体的流动方向（ 向），粘性力的作用是使边界层内流体逐渐失去动量的，因此，边界层的厚度!是不断增 加的。边界层的外缘（图! ! 中的虚线）把流体分为两个区域，在边界层内，即使流体的 粘度很小（ 数很高），因为速度梯度很高，边界层中的剪应力 $ ! % 也很大，所以 #$ $ $ # 粘性力的影响必须考虑。换句话说，在边界层内，粘性力和惯性力一样，对流体的流动是 同等重要的。而在边界层外，流体的流速基本相同，与惯性力相比，流体粘性所造成的摩 擦力可以忽略不计。也就是说，可以把外部流体看作理想流体。 在有换热的情况下，除速度边界层外，还有温度边界层（或称热边界层），如图 ! % 所 示。在温度边界层内，流体的温度梯度很大。如果以相对于壁面（温度为 ’ ）的温差 ’ % ( 表示的话，那么，在温度边界层内，温差由壁面上的 ’ $ 变到外缘上的 ’ （’ $ % % % ( # # ’ # ’( ）。在温度边界层外，流体的温度基本上保持不变。 速度边界层厚度 和温度边界层厚度 之间的关系，取决于流体普朗特数 的数 ! ! )* — — (!’ 第七篇 热交换器污染强化 图! ! 流体流经平壁及其边界层示意图 !边界层的范围 图! # 流体流经平壁时速度边界层和 温度边界层示意图 ———速度边界层； 温度边界层 ! 值。当 ! $ ! 时， % ；当! % ! 时， $ 。对于层流边界层，两者之间的关系可表示 ! ! 为： #