管内流体流动现象.ppt

第四节管内流体流动现象,第四节 管内流体流动现象,一、流体的粘度 1. 牛顿粘性定律 流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。这种表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。 粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。流体的粘性是流体产生流动阻力的根源。,设有上、下两块面积很大且相距很近的平行平板，板间充满某种静止液体。若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以恒定速度u沿x方向运动。若u较小，则两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，粘附在上板底面下的一薄层流体以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，紧贴在下板表面的一层液体，因粘附在静止的下板上, 其速度为零，两平板间流速呈线性变化。对任意相邻两层流体来说，上层速度较大，下层速度较小，前者对后者起带动作用，而后者对前者起拖曳作用，流体层之间的这种相互作用，产生内摩擦，而流体的粘性正是这种内摩擦的表现。,图1-16 平板间液体速度变化,平行平板间的流体，流速分布为直线，而流体在圆管内流动时，速度分布呈抛物线形，如图1-17所示。,图1-17 流体在管内的速度分布,实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差成正比，与两层之间的垂直距离dy成反比，与两层间的接触面积A成正比，即 （1-26） 式中：F内摩擦力，N； 法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的 y方向流体速度的变化率，1/s； 比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pas。,一般，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以表示，单位为Pa，则式（1-26）变为 （1-26a） 式（1-26）、（1-26a）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。,剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，包括所有气体和大多数液体； 不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。本章讨论的均为牛顿型流体。,2、流体的粘度 （1）粘度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。粘度是反映流体粘性大小的物理量。 粘度也是流体的物性之一，其值由实验测定。液体的粘度，随温度的升高而降低，压力对其影响可忽略不计。气体的粘度，随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。,（2）粘度的单位 在国际单位制下，其单位为 在一些工程手册中，粘度的单位常常用物理单位制下的cP（厘泊）表示，它们的换算关系为 1cP10-3 Pas,（3）运动粘度 流体的粘性还可用粘度与密度的比值表示，称为运动粘度，以符号表示，即 （1-27） 其单位为m2/s。显然运动粘度也是流体的物理性质。,二、流体的流动型态,1、两种流型层流和湍流 图1-18为雷诺实验装置示意图。水箱装有溢流装置，以维持水位恒定，箱中有一水平玻璃直管，其出口处有一阀门用以调节流量。水箱上方装有带颜色的小瓶，有色液体经细管注入玻璃管内。,图1-18 雷诺实验装置,从实验中观察到，当水的流速从小到大时，有色液体变化如图1-19所示。实验表明，流体在管道中流动存在两种截然不同的流型。 层流（或滞流） 如图1-19（a）所示，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） 如图1-19（c）所示，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。,图1-19 流体流动型态示意图,2、流型判据雷诺准数 流体的流动类型可用雷诺数Re判断。 （1-28） Re准数是一个无因次的数群。 大量的实验结果表明，流体在直管内流动时， （1）当Re2000时，流动为层流，此区称为层流区； （2）当Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； （3）当2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。 雷诺数的物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志流体流动的湍动程度。其值愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。,三、流体在圆管内的速度分布 流体在圆管内的速度分布是指流体流动时管截面上质点的速度随半径的变化关系。无论是层流或是湍流，管壁处质点速度均为零，越靠近管中心流速越大，到管中心处速度为最大。但两种流型的速度分布却不相同。,1层流时的速度分布 实验和理论分析都已证明，层流时的速度分布为抛物线形状，如图1- 20所示。 流体在圆管内作层流流动时的平均速度为管中心最大速度的一半。,图1-20 层流时的速度分布,2湍流时的速度分布 湍流时流体质点的运动状况较层流要复杂得多，截面上某一固定点的流体质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向上的运动，使速度的大小与方向都随时变化。湍流的基本特征是出现了径向脉动速度，使得动量传递较之层流大得多。此时剪应力不服从牛顿粘性定律表示，但可写成相仿的形式： 式中e称为湍流粘度，单位与相同。但二者本质上不同：粘度是流体的物性，反映了分子运动造成的动量传递；而湍流粘度e不再是流体的物性，它反映的是质点的脉动所造成的动量传递，与流体的流动状况密切相关。,2 湍流时的速度分布 湍流时的速度分布目前尚不能利用理论推导获得，而是通过实验测定，结果如图1-22所示，其分布方程通常表示成以下形式：,图1-22 湍流时的速度分布,四、流体流动边界层 1边界层的形成 当一个流速均匀的流体与一个固体壁面相接触时，由于壁面对流体的阻碍，与壁面相接触的流体速度降为零。由于流体的粘性作用，紧连着这层流体的另一流体层速度也有所下降。随着流体的向前流动，流速受影响的区域逐渐扩大，即在垂直于流体流动方向上产生了速度梯度。 流速降为主体流速的99以内的区域称为边界层，边界层外缘于垂直壁面间的距离称为边界层厚度。,流体在平板上流动时的边界层如图1-23所示， 由于边界层的形成，把沿壁面的流动分为两个区域：边界层区和主流区。 边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。 主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。,边界层流型也分为层流边界层与湍流边界层。 在平板的前段，边界层内的流型为层流，称为层流边界层。离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流，称为湍流边界层。,流体在圆管内流动时的边界层如图1-24所示。,流体进入圆管后在入口处形成边界层，随着流体向前流动，边界层厚度逐渐增加，直至一段距离（进口段）后，边界层在管中心汇合，占据整个管截面，其厚度不变，等于圆管的半径，管内各截面速度分布曲线形状也保持不变，此为完全发展了的流动。 由此可知，对于管流来说，只在进口段内才有边界层内外之分。在边界层汇合处，若边界层内流动是层流，则以后的管内流动为层流；若在汇合之前边界层内的流动已经发展成湍流，则以后的管内流动为湍流。,当管内流体处于湍流流动时，由于流体具有粘性和壁面的约束作用，紧靠壁面处仍有一薄层流体作层流流动，称其为层流内层（或层流底层），如图1-25所示。在层流内层与湍流主体之间还存在一过渡层，也即当流体在圆管内作湍流流动时，从壁面到管中心分为层流内层、过渡层和湍流主体三个区域。,图1-25 湍流流动,层流内层的厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，即Re越大，层流内层越薄。在湍流主体中，径向的传递过程因速度的脉动而大大强化，而在层流内层中，径向的传递只能依靠分子运动，因此层流内层成为传递过程主要阻力。层流内层虽然很薄，但却对传热和传质过程都有较大的影响。,边界层的分离 流体流过平板或在圆管内流动时，流动边界层是紧贴在壁面上。如果流体流过曲面，如球体或圆柱体，则边界层的情况有显著不同，即存在流体边界层与固体表面的脱离，并在脱离处产生漩涡，流体质点碰撞加剧，造成大量的能量损失。,如下图所示： A C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）； C