流动现象分析(多媒体教案).ppt

第1页 主要内容 1 4 1粘度和牛顿粘性定律1 4 2流体流动类型与雷诺数1 4 3流体在圆管中的速度分布1 4 4流动边界层 第2页 1 4 1粘度和牛顿粘性定律1 4 1 1牛顿粘性定律 P9 P11 第3页 P9 P11 1 定性分析两层平板间的液体可以看成许多平行于平板的流体层 层与层之间存在着速度差 即各液层之间存在着相对运动 形成了上大下小的速度分布 并呈线性分布 在流体内部产生的作用力 通常称为内摩擦力 第4页 2 定量分析实验证明 对于一定的流体 剪切力F与两流体层的速度差d 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 P9 P11 第5页 在流体内部产生的并在流体层之间相互作用的力F 称为剪切力 或者内摩擦力 比例系数 称为粘性系数 或称为动力粘度 简称为粘度 牛顿粘性定律 表示的是流体层间的内摩擦力F或剪应力 与法向速度梯度成正比 表征流体流动过程的特征方程 问 流体的流型 层流 P9 P11 第6页 1 4 1 2动量传递牛顿粘性定律为单位体积流量的动量为动量梯度 P9 P11 第7页 因此剪应力可看作单位时间单位面积的动量 称为动量传递速率 P9 P11 第8页 1 4 1 3粘度 1 定义 流体在流动时产生内摩擦力的性质 称为流体的粘性 表征流体粘性大小的物理量 2 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 3 因素 液体 气体 对于高压气体 P9 P11 第9页 4 单位 SI制 Pa s 物理单位制 cP P换算关系 1cP 10 2P 10 3Pa S 5 来源 对于纯组分 可直接查图表 对于混合物常压下的气体混合物 P9 P11 第10页 液体混合物 6 运动粘度 定义式 单位 SI制 CGS制 运动黏度也是流体的物理性质 P9 P11 第11页 1 4 1 4流体的分类 1 依据牛顿粘性定律的符合程度 牛顿型流体 剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体 包括气体和大部分液体 非牛顿型流体 不符合牛顿粘性定律的流体 如高分子溶液 2 依据粘性的大小 理想流体 黏度为零的流体 自然界中将黏度较小的流体如水和空气等在某些情况下视为理想流体 实际流体 具有粘性的流体 P9 P11 第12页 1 4 2流体流动类型与雷诺数1 4 2 1实验 P26 P32 第13页 1 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 2 湍流 或紊流 流体质点除了沿管轴方向的向前流动外 还有其他方向的脉动 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 P26 P32 第14页 1 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 1 4 2 2雷诺数 无量纲的特征数无因次数群 P26 P32 第15页 2 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 Re数值愈大 流体的湍动程度愈剧烈 讨论 P26 P32 第16页 1 4 3流体在圆管中的速度分布1 4 3 1流体在圆管中层流时的速度分布 1 产生原因 P26 P32 第17页 2 速度分布方程式水平 等径 匀速 层流的液柱 P26 P32 流体流动方向 剪切力F 第18页 P26 P32 第19页 3 对速度分布方程式的应用 最大流速 流量 平均流速 P26 P32 第20页 压力降 此方程称为哈根 泊谡叶方程 是表示流体在直管内作层流流动时压力损失的计算式 P26 P32 第21页 1 4 3 2流体在圆管中湍流的速度分布 1 产生原因 P26 P32 第22页 由于质点的脉动 碰撞 混合 使得湍流动量传递较层流大得多 此时剪应力已不能用牛顿粘性定律来表示 但仍可写成 式中 e称为湍流黏度 不是流体的物性 反映的是质点脉动所造成的动量传递 与流体的流动状况有关 问题 湍流黏度和黏度的区别 P26 P32 第23页 2 速度分布方程式适用条件 流体在光滑圆管内湍流流动的速度分布 1 1 105 Re 3 2 106 P26 P32 第24页 3 湍流内部结构分析 P26 P32 第25页 湍流主体 速度脉动较大 以湍流粘度为主 径向传递因速度的脉动而大大强化 过渡层 分子粘度与湍流粘度相当 层流内层 速度脉动较小 以分子粘度为主 径向传递只能依赖分子运动 层流内层为传递过程的主要阻力Re越大 湍动程度越高 层流内层厚度越薄 P26 P32 第26页 1 4 4流动边界层1 4 4 1边界层及形成 1 边界层的定义 壁面附近速度变化较大的区域 即在垂直于流体流动方向上产生了速度梯度 称为边界层 流动阻力主要集中在此区域 P26 P32 第27页 离壁面较远 速度基本不变 速度变化不大 的区域 其中的流动阻力可以忽略不计 一般是将速度达到主体流速的99 之处规定为两个区域的分界线 即从速度为零至速度等于主体速度的99 的区域属于边界层范围 P26 P32 第28页 2 边界层的形成 平板上边界层的形成 P26 P32 第29页 平板上边界层的分类 P26 P32 第30页 圆管内边界层的形成 P26 P32 第31页 讨论 充分发展的边界层厚度为圆管的半径 进口段内有边界层内外之分 也分为层流边界层与湍流边界层 进口段长度 层流 湍流 P26 P32 第32页 1 4 4 2边界层分离 P P26 P32 第33页 1 分析当流体流过曲面 会出现边界层从固体表面脱离的现象 并在脱离处产生旋涡 产生了能量损失 A点 u 0 p最大C点 u最大 p减小 A C顺压梯度 P26 P32 s P 第34页 S点 u 0 p增加 C S逆压梯度 S 点 u 0 离壁面稍远的流体 若将流体中速度为零的各点连成一线ss 这线与边界层上缘之间的区域即为脱离了物体的边界层 s A P 第35页 2 讨论 边界层分离的必要条件流体具有粘性 流动过程中存在逆压梯度 边界层分离的后果产生大量旋涡 造成较大的能量损失 P26 P32 第36页 1 4 4 3边界层分离实例单根圆管外边界层分离弯头边界层分离管束绕流边界层分离三通处的边界层分离渐缩渐扩边界层分离进出口边界层分离 P26 P32 第