化工原理：1-3-1实际流体的流动

1、第三节实际第三节实际流体的流动流体的流动化化 工工 原原 理理一、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 工工 原原 理理1、几个概念：1）内摩擦力内摩擦力：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，是黏性的表现，又称黏滞力或黏性摩擦力。3）黏黏性性：运动流体内部产生的、阻碍流体运动的特 性。4）速度梯度速度梯度：与流动方向垂直的方向上，流体速度 的变化率 ，单位是s-1。dydu2）剪应力剪应力：单位面积上的剪切力，用表示， 单位：Pa。化化 工工 原原 理理2、牛顿黏性定律实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层的速度差u成正比，与两

2、层间的垂直距离y成反比，与两层间的接触面积S成正比SyuF即：化化 工工 原原 理理2、牛顿黏性定律引入一个比例系数，写成等式得：SyuF 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SdyduF即剪切力与速度梯度和接触面积成正比，这就是牛顿黏性定律。为比例系数，称为黏度黏度。说明说明： 1)牛顿黏性定律是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。drdudrdu化化 工工 原原 理理3、流体的黏度dydu黏度的定义表示流体黏性大小的物理量，物性之一。 1）黏度的物理意义：流体流动时与流动方向垂直的 方向上

3、产生单位速度梯度所需的剪应力。2）黏度的单位：在国际单位制下，其单位为 sPamsmPadydu3）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 工工 原原 理理4、非牛顿型流体 凡遵循牛顿黏性定律的流体，称为牛顿型流体牛顿型流体，包括所有气体和大多数液体；不符合牛顿黏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 工工 原原 理理二、流体的流动型态1、雷诺实验：、雷诺实验：化化 工工

4、 原原 理理2、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（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 工工 原原 理理3、雷诺准数Re1）定义： 无因次的数群，又称特征数。duRe2）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 400

5、0 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）Re值愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。4）对于非圆形管，d应取当量直径de，其定义为：润湿周边流通截面积4de化化 工工 原原 理理4、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 工工 原原 理理1）层流时的速度分布由压力差产生的推力 2rp流体层间内摩擦力（阻力） drdurldrduAFrr)2(drdurlrpr)2(2rpdrdur2)(422rRlpur当r由rR时

6、，u由ur0，积分得管中心流速为最大，即r0时，ur=umax，所以2max4Rlpumax22218uRlpRVuS 化化 工工 原原 理理2、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。靠近壁面处流速仍为零，所以壁面附近的流动仍为层流，称为层流底层层流底层或层流内层层流内层。中心处为湍流主体，二者中间存在过渡区。化化 工工 原原 理理2、湍流时的速度分布湍流时平均流速与最大流速间的关系max82. 0uu 化化 工工 原原 理理三、流动边界层1、边界层的形成、边界层的形成化化 工工 原原 理理三、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： suu99. 0化化 工工 原原 理理三、流动边界层层流边界层湍流边界层x0：稳定段长度化化 工工 原原 理理三、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 工工 原原 理理三、流动边界层边界层分离的后果：边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能