流体流动形态.ppt

本节内容提要简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构 为流动阻力的计算奠定理论基础 本节重点 1 两种流型的判据及本质区别 Re的意义及特点 2 层流和湍流的速度分布 3 流动边界层概念 第四节管内流体流动现象 管内流动阻力 流体的流动型态 一 两种流型 层流和湍流雷诺实验 两种流动形态 层流 或滞流 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 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 二 流型判据 雷诺准数 无因次数群 判断流型Re 2000时 流动为层流 此区称为层流区 Re 4000时 一般出现湍流 此区称为湍流区 2000 Re 4000时 流动可能是层流 也可能是湍流 该区称为不稳定的过渡区 三 Re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 标志着流体流动的湍动程度 四 层流和湍流的比较内部质点运动方式不同 层流流体质点作直线运动 即流体分层运动 湍流流体在总体上沿管道向前运动 同时还在各个方向作随机的脉动从输送流体的角度考虑 湍流增加了能量消耗 输送流体时不宜采用太高的流速 但从传质和传热的角度考虑 湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减小 有利于加大传质和传热的传递速率 所以在传质和传热过程中 往往在输送条件的允许下尽可能提高流体的流速 例有一内径为25mm的水管 如管中流速为1 0m s 水温为20 求 1 管道中水的流动类型 2 管道内水保持层流状态的最大流速 解 1 20 水 1cP 10 3Pa s 998 2kg m3故管中为湍流 2 保持层流需 流体在圆管内的速度分布 速度分布 流体在圆管内流动时 管截面上质点的速度随半径的变化关系 理想流体速度分布 柱塞流实际流体速度分布 一 层流时的速度分布 管中心流速为最大 即r 0时 umax 管截面上的平均速度 2 层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1 2 1 流体在圆形直管内层流流动时 其速度呈抛物线分布 截面上各点速度是轴对称的 管壁处流体流速为零 即r R时 0 二 流体在圆管中湍流时的速度分布 湍流速度分布的经验式 一般流体输送情况下 湍流流动时 层流内层 靠近管壁处的流体薄层 速度及其径向脉动较小 保持层流流动 径向传递只能依赖分子运动 称为层流内层 Re越大 湍动程度越高 层流内层厚度越薄 层流内层为传递过程的主要阻力 流动边界层的基本概念 板面附近流速变化较大 存在速度梯度 的区域 称为流动边界层 或简称边界层 流体阻力集中在此区域内 边界层以外流速基本不变 等于u 的区域称为主流区 此区内速度梯度为零 一般以主流流速的99 处作为两个区域的分界线 上图所示的虚线与平板间的区域即为边界层区域 因此 边界层的内侧速度为零 而外侧速度为0 99u 流动边界层 存在着较大速度梯度的流体层区域 即流速降为主体流速的99 以内的区域 边界层流型 层流边界层和湍流边界层 层流边界层 在平板的前段 边界层内的流型为层流 湍流边界层 离平板前沿一段距离后 边界层内的流型转为湍流 13 流体在圆管内流动时的边界层 14 边界层的分离 边界层分离的后果 产生大量旋涡 造成较大的能量损失 流体流动现象小结 牛顿粘性定律是牛顿流体在作层流流动时的过程特征方程 它虽然是一个简单的实验定律 但在流体流动尤其是层流解析中具有重要作用 流体按其流动状态有层流与湍流两种流型 这是有本质区别的流动现象 在流体流动 传热及传质过程等工程计算中 往往必须先确定之 流型判断依据是R