第1章流体流动3.ppt

* 层流特征：流体质点无返混，整个流动区都存在速度梯度，速度分布呈二次抛物线型 * 涡流粘度不是流体的物理性质，与流体流动状况有关。 * 当流体以us的流速流经平板表面时，由于流体具有粘性，在垂直于流体流动方向上便产生了速度梯度。在壁面附近存在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层。边界层以外，粘性不起作用，即速度梯度可视为零的区域，称为流体的外流区或主流区。主流区的流速应与未受壁面影响的流速相等 * 在距管入口处x0的地方，边界层在管的中心线上汇合，边界层占据整个圆管的截面，边界层厚度等于管子半径，即δ=R，以后进入完全发展了的流动。 x0称为进口段长度或稳定段长度。在进口段以后，各截面的速度曲线不随x而变。 * 流动流体遇到障碍物时，在一定条件下会产生边界层与固体表面脱离的现象，并在脱离形成旋涡，加大流体流动的能量损失。这部分能量损耗是由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的，称为形体阻力。 粘性流体绕过固体表面（包括流经管件、阀门、管子进出口、流量计等）的阻力为粘性摩擦阻力与形体阻力之和。两者之和称为局部阻力。 主要内容 牛顿黏性定律 流体的流动类型 层流与湍流的速度分布 边界层 一、牛顿黏性定律 江面流速分布示意图 圆管中流体流动的流速分布示意图 内摩擦力 （黏滞力） ：与流体流动方向相垂直的流体速度的变化率，称为速度梯度，s-1 实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩擦力（剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度成正比。 ?：剪应力（单位面积上所受的内摩擦力），N.m-2 ?：比例系数，称为黏性系数或动力黏度，简称黏度（viscosity）。 牛顿黏性定律 为单位面积的动量变化率，称为动量通量。 所以牛顿粘度定律的另一说法是： 动量通量与速度梯度成正比。 牛顿型流体和非牛顿型流体 牛顿型流体（Newtonian fluid）： 服从牛顿黏性定律的流体，如水、水溶液、空气等。 非牛顿型流体（non-Newtonian fluid）： 不服从牛顿黏性定律的流体，如泥浆、胶体溶液、悬浮液、油漆等。 流体的黏度 单位 : 1Pa·s=10P=1000cP 物理意义 :在单位接触面积上，速度梯度为1时，由流体的黏度引起的内摩擦力的大小。 在相同的流体条件下，流体的黏度越大，所产生的黏性力（或内摩擦力）也越大，即流体阻力越大。 流体黏度的影响因素 流体种类： ?L ?g 如：20℃时，水的粘度1cP，空气的粘度1.81×10-2cP 温度：T???L?，?g? 压强：P???L基本不变，?g变化很小，一般工程计算可忽略压力对粘度的影响 。 流体的运动黏度 SI制单位： ??? m2/s CGS制单位： ?? cm2/s?? 称为斯托克斯，简称为 “St” 1St=100cSt=10-4 m2/s 二、 流体流动类型 1、雷诺实验 湍流（紊流）。 层流（滞流） 1、雷诺实验 1883年，雷诺通过大量实验观察到，流体流动分为层流（滞流）和湍流（紊流）。 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、流体的粘度μ和密度ρ也都能引起流动状况的改变。足见，流体的流动状况是由多方面因素决定的。 2、 流动类型的判据—雷诺数 Ⅰ、当Re≤2000，为层流，此区称为层流区 ；Ⅱ、当Re＞4000，为湍流，此区称为湍流区 ；Ⅲ、当2000＜Re＜4000，可能为层流，可能为湍流，与外界条件的干扰情况有关，为不稳定的过渡区。 雷诺数的因次 无论采用何种单位制，只要数群中各物理量的单位一致，计算出的Re数值就相等。 流体流动的相似原理 在不同的管中，当流体流动的Re相同时，只要流体边界几何条件相似，则流体的流动状态也相同。 主要用于操作过程的放大或缩小研究 例：在?168?5mm的无缝钢管中输送燃料油，油的运动粘度为90cSt，试求燃料油作滞流流动时的临界速度。 解：由于 滞流时Re的临界值为2000，即 式中：d=168-5?2=158mm=0.158m， 于是临界速度为： 三、流体在圆管内的速度分布 1、流体内部质点的运动方式 层流：沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。 湍流：不规则的杂乱运动，互相碰撞混合，产生旋涡。 2、流体在圆管内的速度分布 层流——抛物线分布规律 （光滑管，Re105） 2、流体在圆管内的速度分布 湍流——1/7次方定律 湍流时的层流底层 (1)??层流内层厚度?很薄。 (2) ?随Re而变化，Re愈大，?愈小。即管内流速愈大，?愈小；流体黏度愈大，?愈大。 (3)?由于?很薄，且流体作平行流动，对垂直于流体流动方向的传热、传质影响很大。 1 2