1-3-1实际流体的流动

1、化化 学学 工工 程程 基基 础础 1-3实际流体的流动实际流体的流动 本节主要内容: 实际流体流动时阻力损失的计算. 重点:阻力损失的计算. 难点:流动形态边界层范宁公式 化化 学学 工工 程程 基基 础础 一、流体的黏度一、流体的黏度 黏性：与流动性相对，是流动流体内部阻碍流体向前运 动的特性。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 1、几个概念：、几个概念： 1）内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的 相互作用力，也称剪切力，是粘性的表现，又称黏滞 力或黏性摩擦力。 3）黏性：运动流体内部产生的、阻碍流体运动的特 性。 dy du 的变化率 ，单位是s-1。 4）速度梯度：与流动方向垂

2、直的方向上，流体速度 2）剪应力：单位面积上的剪切力，用表示，单位 为Pa。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 2、牛顿黏性定律、牛顿黏性定律 实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层 的速度成差u正比，与两层间的垂直距离y成反比， 与两层间的接触面积S成正比，即： S y u F 化化 学学 工工 程程 基基 础础 2、牛顿黏性定律、牛顿黏性定律 引入一个比例系数，写成等式得： S y u F 上式只适用于u与y成直线关系时，对于成曲线关 系的情况，则应改写为S dy du F 即剪切力与速度梯度和接触面积成正比，这就是牛顿 粘性定律。为比例系数，称为黏度。 说明：1)牛顿粘性定律是

3、研究流体流动阻力的基本定律； 2)此定律适合于层流； 3)圆管内速度梯度表示为 ，沿径向变。越靠近 管壁 越大。 dr du dr du 化化 学学 工工 程程 基基 础础 3、流体的黏度、流体的黏度 dy du 黏度的定义 表示流体粘性大小的物理量，物性之一。 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。 2）粘度的单位：在国际单位制下，其单位为 sPa m sm Pa dydu 3）液体的黏度随温度升高而减小，气体的黏度随温度 升高而增大。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 4、非牛顿型流体、非牛顿型流体 凡遵循牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体

4、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。 黏弹性流体 非牛顿型流体 黏性流体 与时间无关 触变性流体 流凝性(负触变性)流体 与时间有关 有屈服应力宾汉塑性流体 假塑性流体 涨塑性流体 无屈服应力 化化 学学 工工 程程 基基 础础 二、流体的流动型态二、流体的流动型态 1、雷诺实验：、雷诺实验： 化化 学学 工工 程程 基基 础础 2、两种流动型态、两种流动型态 层流层流（或滞流滞流）：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； 湍流湍流

5、（或紊流紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流 动外，还有径向脉动，各质点速度在大小和方向 上都随时变化，质点互相碰撞和混合。 层流与湍流的本质区别： 层流时流体质点只有轴向运动没有径向运动； 湍流时流体质点除沿轴向运动处还有径向运动。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 3、雷诺准数、雷诺准数Re 1）定义： 无因次的数群，又称特征数。 du Re 2）Re与流动类型的关系： 当Re2000时，流动为层流，此区称为层流区； 当Re4000时，流动为湍流，此区称为湍流区； 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。 3）雷诺数的物理意

6、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。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 4、流体在圆管内的速度分布、流体在圆管内的速度分布 1）层流时的速度分布）层流时的速度分布 如图所示，流体在圆形直管内作定态层流流动。 在圆管内，以管轴为中心，取半径为r、长度为l的 流体柱作为研究对象。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 1）层流时的速度分布）层流时的速度分布 由压力差产生的推力 2 rp 流体层间内摩擦力（阻力） dr du rl dr du AF rr )2( dr du rlrp r )2( 2 r p dr

7、du r 2 )( 4 22 rR l p u r 当r由rR时，u由ur0，积分得 管中心流速为最大，即r0时，ur=umax，所以 2 max 4 R l p u max 2 2 2 1 8 uR l p R V u S 化化 学学 工工 程程 基基 础础 2、湍流时的速度分布、湍流时的速度分布 湍流时的速度分布无法利用理论推导获得，而是通过 实验测定，结果如图所示。 其分布方程通常表示成以下形式： n R r uu 1 max 化化 学学 工工 程程 基基 础础 2、湍流时的速度分布、湍流时的速度分布 湍流时平均流速与最大流速间的关系 max 82. 0uu 化化 学学 工工 程程 基基

8、 础础 三、流动边界层三、流动边界层 1、边界层的形成、边界层的形成 化化 学学 工工 程程 基基 础础 三、流动边界层三、流动边界层 2、边界层的发展： 1）流体在平板上流动时的边界层： 2）流体在圆管内流动时的边界层： s uu99. 0 化化 学学 工工 程程 基基 础础 三、流动边界层三、流动边界层 层流边界层 湍流边界层 x0：稳定段长度 化化 学学 工工 程程 基基 础础 三、流动边界层三、流动边界层 3、边界层的分离、边界层的分离 A C：流道截面积逐渐减 小，流速逐渐增加， 压力逐渐减小 C S：流道截面积逐渐增 加，流速逐渐减小， 压力逐渐增加 SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡 流，出现边界层分离。 S点：物体表面的流体质点在较高压力和粘性剪应力的 作用下，速度降为0。 化化 学学 工工 程程 基基 础础 三、流动边界层三、流动边界层 边界层分离的后果：边界层分离的后果： 产生大量