大学课件-化工原理-第1章流动4

1、小结,1. 实际流体流动的机械能衡算式,适用条件 重力场中，连续稳定流动的不可压缩流体,应用 （1）依题意画出流程示意图，标明流动方向； （2）选取适当截面，与流向垂直； 截面的选取应包含待求的未知量和尽可能多的已知量，如大截面、敞开截面； （3）式中各项的单位相同； （4） 基准一致，压力基准，位头基准； （5）流速使用所选截面上平均速度,有效功率 Pe与效率,2.牛顿粘性定律,流体的粘度,SI单位制 ：1cp=10-3Pa.s 实验测定,运动粘度,m2/s,影响因素 P：压力很高或很低时才有影响 T：气体- T， 液体- T，,牛顿型流体,非牛顿型流体,1.4.2 流体流动的类型-层流及湍

2、流,1、雷诺试验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验,2、雷诺试验现象,两种稳定的流动状态：层流、湍流,用红墨水观察管中水的流动状态,湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动 特征：流体质点的脉动,层流： * 流体质点做直线运动 * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞 * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力,过渡流：不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变） 生产中，一般避免过渡流型下操作,3、实验分析,1）影响状态的因素： d , u ,Re是无因次数群,2）圆形直管中 Re2000 稳定的层流,Re 4000 稳定的湍流,2000 Re 40

3、00 不稳定的过渡流,1）剪应力分布,1.4.3 直圆管内流体的流动(研究剪应力分布、流速分布,稳态流动,整理得,适用于层流或湍流,稳态流动,适用于层流或湍流,2） 层流的速度分布,层流时剪应力分布,可见，层流流动的速度分布为一抛物线； 壁面处速度最小，0 管中心处速度最大,圆管内层流流动时的几个重要关系 uav 和 umax,因此,动能校正因子,壁面剪应力与平均流速间的关系,故,3） 湍流条件的速度分布和剪应力 湍流描述 主要特征：质点的脉动 瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度,涡流粘度，与流动状态有关,湍流时,较常见的情况, 当Re处于1.11053.2106之间时,指数,此时,动能校正因子

4、,获得方法：实测、经验公式,速度分布,书P39 图1.4.12：给出算图，查取平均流速 纵坐标,横坐标,求平均流速的方法 1、速度分布未知 2、速度分布已知,1.4.4 边界层概念,1、流动边界层 （1）边界层的形成条件 流动 实际流体 流过固体表面 （2） 形成过程 流体流经固体表面 由于粘性，接触固体表面流体的流速为零 附着在固体表面的流体对相邻流层流动起阻碍作用，使其流速下降 对相邻流层的影响，在离开壁的方向上传递，并逐渐减小 最终影响减小至零，当流速接近或达到主流流速时，速度梯度减少至零,3）流动边界层 流体的速度梯度主要集中在边界层内，边界层外，du/dy0 向壁靠近，速度梯度增大(

5、du/dy)max 湍流边界层中，速度梯度集中在层流底层,4）流动边界层的发展 平板上： 流体最初接触平板时，x=0 处，u0=0 =0 随流体流动，x增加，增加（层流段） 随边界层发展， x增加，增加。质点脉动，由层流向湍流过渡。转折点距端点处为x0 充分发展：x x0 ，发展为稳定湍流,层流,湍流,转折点,边界层随x增加而增厚,圆形管中,测量点必须选在进口段x0以后，通常取x0 =（50-100）d0,Xo以后为充分发展的流动,层流,湍流,不管层流还是湍流，边界层厚度等于半径,当流速较小时 流体贴着固体壁缓慢流过（爬流,5）流动边界层的分离 流体绕固体表面的流动,流速不断提高，达到某一程度

6、时，边界层分离,边界层分离的条件,逆压梯度 ； 壁面附近的粘性摩擦,边界层分离对流动的影响 边界层分离-大量旋涡-消耗能量-增大阻力。由于边界层分离造成的能量损失，称为形体阻力损失。边界层分离使系统阻力增大 减小或避免边界层分离的措施 调解流速，选择适宜的流速 改变固体的形体。 如汽车、飞机、桥墩都是流线型,1.4.5 流体流动阻力计算 （1）流体阻力的表示方法,对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式,阻力损失与压力差的区别： Pf流体流经两截面间的机 械能损失； P任意两点间的压力差,kJ/kg,m,Pa,二者之间的关系,当 We=0, z=0, u=0 时,管路中的流动阻

7、力=直管阻力+局部阻力 直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生 局部阻力：由于速度的大小或方向的改变而引起,2） 圆形直管内的阻力损失 1） 范宁公式 流体流动阻力-流体与壁面间的摩檫力,J/kg,m,Pa,层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseuille方程,摩擦系数,2) 摩擦系数,Hangen-Poiseuille方程,湍流条件下的摩擦系数 影响因素复杂，一般由实验确定。 影响因素： 几何尺寸及形状； 表面情况 ； 流体的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量纲分析法可以得到,式中 粗糙度 相对粗糙度,摩擦系数图 层流区 Re2000 过渡区 2000Re4000 湍流区： Re4000 不完全湍流区 完全湍流区 （阻力平方区,摩擦因子变化规律分析 粗糙度对的影响： 层流时：绕过突出物，对无影响。 湍流时：