流体流动的基本概念

第3节流体流动的基本概念，第3节流体流动的基本概念，第1节，流动类型和雷诺数2，交错流动和湍流3，流速和速度4，稳定和非稳定流动5，圆管中流体的速度分布6，边界层概念，第1节，流动类型和雷诺数(P37)，1雷诺实验，1883，奥斯鲍恩雷诺，2雷诺数Re，Re是一组没有单位和没有因子的数。在计算Re时，我们必须注意每个物理量的单位的统一性。例如，20摄氏度的水在内径为50毫米、流速为2米/秒的管子中流动。试着分别用国际单位制和物理单位制计算雷诺数。Re反映了流体流动中惯性力和粘滞力之间的相对关系，表明了流体流动的湍流程度。(2)按物理单元系统计算，(2)滞后流和湍流(P39-40)，运动模式：滞后流：颗粒沿管道轴线有规律地平行运动，各颗粒不相互碰撞和混合。速度是一维的。湍流：粒子的不规则和无序运动。速度是三维的。直管湍流中流体流动的瞬时速度和时间平均速度：阻力：除了粘性引起的内摩擦外，流体中还充满大大小小的旋涡、不规则迁移、脉动和颗粒碰撞。动量交换非常强烈，产生了额外的阻力。e:涡流粘度(非物理性质)，不可预测，但系数与流体流动条件有关。滞止流：流动阻力来自流体本身的粘度引起的内耗，内耗应力遵循牛顿粘度定律。流速：单位时间内流经管道任何部分的流体量，流速：单位时间内流体沿流动方向流动的距离，3。流速和流速(P25)，管道选择？如果管径小，设备成本降低，流阻增加，电耗增加，运行成本增加，应对管径进行综合计算，四舍五入，重新计算流速U。注意：这里定义的是横截面上的平均流速，而不是点速度。选择管道？定常和非定常流动(P40)圆管中流体的速度分布是指流体流动时，圆管横截面上颗粒速度随半径的变化。无论是层流还是湍流，管壁处的颗粒速度为零。流速离管道中心越近，离管道中心的速度就越大。然而，两种流型的速度分布是不同的。(a)层流中的速度分布，圆管中的速度分布，实验和理论分析都证明层流中的速度分布是抛物线型的。以下是理论推导。圆形直管中流体的稳定层流：在圆形管道中，以管道轴线为中心，以半径为r、长度为l的流体柱为研究对象。根据牛顿第二定律，流体层和管中流体稳定流动之间的摩擦力，在流动方向上的合力必须为零。也就是说，由压力差产生的推力被分离出来，并且速度分布方程可以通过在r=r、=0、1-35(P41)时对管壁处的边界条件进行积分来获得，在管中心处的流速是最大的，即当r=0、=umax时，并且根据等流速的原理，管截面上的平均速度被确定为，即在层流中在管中流动的流体的平均速度是在管中心处的最大速度的一半湍流中的速度分布。湍流中流体颗粒的运动比层流中复杂得多。横截面上固定点处的流体颗粒沿管道的轴向向前移动，同时沿径向移动，使得速度的大小和方向随时变化。湍流的基本特征是径向脉动速度的出现，这使得动量传递远大于层流。这时，剪应力并不服从牛顿粘性定律，但可以写成类似的形式：湍流粘性e不是流体的物理性质，它反映了由粒子脉动引起的动量传递，并且与流体的流动状态密切相关。目前，湍流中的速度分布不能用这种方法得到分布方程通常以下列形式表示：其中n与re相关，其值如下：当流体的平均速度约为管中心最大速度的0.82倍时，即管中流体的速度分布，简而言之，当流体以均匀速度接触固体壁时，由于壁对流体的阻碍，流体接触壁的速度降至零。由于流体的粘性效应，邻近该层的另一流体层的速度也降低。随着流体向前流动，受流速影响的区域逐渐扩大，即在垂直于流体流动方向的方向上产生速度梯度。形成：润湿粘附内摩擦减速梯度边界层：流速降至主流速度99%以内的区域称为边界层，边界层外垂直壁面之间的距离称为边界层厚度。U=0.99us，1边界层形成，6。边界层概念(P43)。由于附面层的形成，沿壁面的流动分为两个区域附面层区域和主流区域：附面层区域(内附面层):沿板面法线方向的速度梯度很大，应考虑粘性的影响，切应力不可忽略。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。流体流动的边界层、边界层流动模式和边界层流模式也分为层流边界层和湍流边界层。在板的前部，边界层中的流动模式是层流，这被称为层流边界层。在离开平板前缘一段距离后，边界层中的流型变为湍流，这称为湍流边界层。(1)平板上的流体流动(P43)，对于滞流边界层：对于湍流边界层：边界层中的流动是滞流的；边界层中的流动是湍流。在板的前缘，x=0，然后=0。随着流动路径的增加，边界层逐渐增厚。随着流体粘度的降低，边界层逐渐变薄。(2)圆形直管(P44)入口段的流体流动。当流体在圆管中流动时，边界层连接处和管道入口之间的距离称为入口段长度，或稳定段长度。一般来说，稳定段长度x0=(50-100)d通常用于滞止流，稳定段长度约为(40-50)d用于湍流。入口段长度：层流：湍流：雷诺数，湍流度越大，层流内层厚度越薄。充分发展的边界层厚度是圆管的半径。入口段内外都有边界层。它也分为层流边界层和湍流边界层。流体进入圆管后，在入口处形成边界层。随着流体向前流动，边界层的厚度逐渐增加，直到经过一定距离(入口段)，边界层在管的中心汇合，并占据管的整个横截面。边界层的厚度是恒定的，它等于圆管的半径。管中每个横截面的速度分布曲线的形状也保持不变。这是一个充分发展的流程。对于管道流，入口段内外只有一个边界层。在附面层的结合处，如果附面层中的流动是层流，则管中的后续流动是层流。如果边界层中的流动在收敛之前已经发展成湍流，那么管中随后的流动将是湍流。继续讨论，在层流内层和湍流体之间也有一个过渡层，即当流体在圆管中湍流流动时，从管壁表面到管中心它被分成三个区域：层流内层、过渡层和湍流体。层流内层的厚度与流体的湍流度有关。流体的湍流度越高，即Re越大，层流内层越薄。在湍流体中，诱导速度的脉动极大地加强了径向传递过程，而在层流内层中，径向传递依赖于分子运动，因此层流内层的诱导速度脉动更大a点：驻点(u=0)的动能转化为静压能，p最大，迫使流体改变方向。A - B:面积减少，u 和p ；(一部分静压能转化为动能，一部分被克服摩擦阻力消耗掉)B:u最大，P最小，b-c面积增加，u 和p (一部分动能转化为静压能，另一部分被克服阻力消耗掉)C:u=0，P最大。由于惯性，随后的高压液体离开壁面形成分离，并且在点c的下游形成空白区域。在点c以下，边界层从固体壁面分离，然后流回形成涡流，导致边界层分离。边界层的分离表明，流动通道的膨胀必然导致反向压力梯度。反向压力梯度容易引起边界层分离。边界层分离导致大量涡流，大大增加了机械能的消耗。流体沿壁流动的阻力称为摩擦阻力。由固体表面形状引起的边界层分离引起的能量损失称为物体阻力。粘性流体绕过固体表面的阻力是