化工原理-流体的流动现象

1、1第三节 流体的流动现象Fluid-flow Phenomena 伯努利方程中能量损失项hf都是直接提供的，该方程要在工程设计计算中能广泛应用，必需解决工程上流体输送过程中各种情况下的hf计算，该式才能有效使用。为此必需深入流体流动内部情况分析。本节重点是 1）牛顿粘性定律与粘度；2）流动类型与雷诺准数 3）滞流与湍流的区分 4）边界层的形成、发展、分离特征3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律流体具有两个特性：（1）流动性：即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。（2）粘性：即在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，粘性是流动性的反面。是内摩擦力产生的主要原因

2、。2第三节 流体的流动现象 运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，所以又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体在流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。引例： 各层速度不同，层与层之间发生了相对运动，速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向前运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等，方向相反的力，从而阻碍较快的流体层向前运动。 3第三节 流体的流动现象 式中的内摩擦力F与作用面S平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示

3、，于是上式可写成： 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关?可通过下面情况加以说明。 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，与两层之间的垂直距离y成反比；与两层间的接触面积S成正比，即：uxy0yuF图 流体在平板上的分层流动示意图SyuFSyuFdyduyuSF为比例系数，其值随流体的不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。 此式称为牛顿粘性定律 4第三节 流体的流动现象 3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度二、流体的粘度dydu 粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度是流体物理性质之一，但只有在运动时才显现出来

4、。其值由实验测定。 液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压强变化时，液体的粘度基本不变，气体的粘度随压强增加而增加得很少。 在SI制中，粘度的单位为： =Pas 工程上粘度单位常用cP(厘泊)表示。 1cP=0.01P(泊) 1P=1g/(cms)=0.1 Pas 故 1 Pas=10 P=1000cP 此外，流体的粘性还可用粘度与密度的比值来表示。这个比值称为运动粘度，以表示，即5第三节 流体的流动现象 3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度 此外，流体的粘性还可用粘度与密度的比值来表示。这个比值称为运动粘度，以表示，即 运动粘度在SI中的单位为m2/s，在物理制中的单位为c

5、m2/s，称为斯托克斯，简称为沲，以St表示，1St=100cSt(厘沲)=10-4m2/s。 混合物的粘度常压气体混合物的粘度 2/12/1iiiiimMyMy液体混合物的粘度 iimxlglg6第三节 流体的流动现象 3-2非牛顿型流体3-2非牛顿型流体 服从牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体，所有气体和大多数液体都属于这一类。 凡不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体。 根据流体的流变方程式或流变图（du/dy与的关系图），可将非牛顿型流体分类如下：d宾汉塑性流体0du/dy0c涨塑性流体b假塑性流体a牛顿性流体牛顿性流体与非牛顿性流体的流变图dyduandyduK)(dydu00

6、非牛顿型流体也常引用到表观粘度值a（要注意a不是物质的物理性质参数），其定义为：7第三节 流体的流动现象3-3 流动类型与雷诺准数雷诺实验装置引例：雷诺实验3-3 流动类型与雷诺准数流动流动类型层流（lamilar Flow）：流动质点作有规则的平行一维运动；各质点互不碰撞，互不混合；流动阻力损失小。湍流(Turbulent Flow)：流动质点作不规则的多维运动；各质点互相碰撞，产生大量旋涡；流动阻力损失大。8第三节 流体的流动现象3-3 流动类型与雷诺准数雷诺准数雷诺实验装置0003MLLMLMLLduRe实验发现，不仅流速u能引起流动状况改变，而且管径d，流体的粘度和密度也都能引起流动状

7、况的改变。流动状况是由多方面因素决定的。可以把这些影响因素组合成为一个无因次数群称雷诺(Reynolds)准数或雷诺数来描述，以Re表示 。duRe9第三节 流体的流动现象3-3 流动类型与雷诺准数流动区域滞流区 Re2000湍流区 Re4000过渡区 2000Re4000。由此可知，雷诺准数Re是一个无因次数群，是流体湍动程度的判据。流体流型有两种，而流体的流动区域有三个。10第三节 流体的流动现象3-4 滞流与湍流3-4 滞流与湍流区别 滞流与湍流的区分不仅在于各有不同的Re值，更重要的是它们的本质区别， 从如下三方面探讨一、流体内部质点的运动方式uuiui12ui图1-16 点i的流体质

8、点的速度脉动曲线示意图流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。由于质点碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的阻力大得多，所以碰撞将使流体前进阻力急剧加大。211duuiiui= iu+ui 11第三节 流体的流动现象3-4 滞流与湍流二、流体在圆管内的速度分布umax滞流速度分布umax湍流速度分布 理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，如图l-17(a)所示。截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度umax的0.5倍。 湍流时，流体质点的运动情

9、况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律，经实验测定，湍流时圆管内的速度分布曲线如图1-17(b)所示。 12第三节 流体的流动现象3-4 滞流与湍流要注意，实验中管中心流速是常常容易获得的数据，而分析问题，常常用流动过程中的平均流速或平均雷诺数反应。此时应由图l-18实现转换。duRemaxReduxma湍流时管中心最大速度与管内平均速度的关系 湍流时管壁处的速度也等于零，则靠近管壁的流体仍作滞流流动，这一薄层，称为滞流内层或滞流底层。自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞流流动亦非完全湍流流动的区域。这区域称为缓冲层或过渡层。再往中心才是湍流主体。滞流内层

10、的厚度随Re值的增加而减小。 滞流内层的存在，对传热与传质过程都有重大影响。 13第三节 流体的流动现象3-4 滞流与湍流三、流体在直管内的流动阻力 滞流时，流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦，对牛顿型流体，内摩擦应力的大小服从牛顿粘性定律。 湍流时，流动阻力除来自于流体的粘性而引起的内摩擦外，还由于流体内部充满了大大小小的旋涡流体质点的不规则迁移，脉动和碰撞，使得流体质点间的动量交，换非常剧烈，产生了前已述及的附加阻力。这阻力又称为湍流切应力，简称为湍流应力。所以湍流中的总摩擦应力等于粘性摩擦应力与湍流应力之和。总的摩擦应力不服从牛顿粘性定律；但可以仿照牛顿粘性定律写出类似的形式

11、；即： 式中的e称为涡流粘度，其单位与粘度的单位一致。涡流粘度不是流体的物理性质，而是与流体流动状况有关的系数。dydue)(14第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念一、边界层的形成xc图 平板上的流动边界层示意图xyususuus滞流内层滞流边界层湍流边界层15第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念一、边界层的形成 在壁面附近存在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层，简称边界层，图中虚线所示。边界层以外，粘性不起作用，即速度梯度可视为零的区域，称为流体的外流区或主流区。 工程上一般规定边界层外缘的流速u=0.99us， u0.99us的区域定义为边界层。而将该条件下边界层外缘与壁

12、面间的垂直距离定为边界层厚度。 由于边界层的形成，把沿壁面的流动简化成两个区域，即边界层区与主流区。在边界层区内，垂直于流动方向上存在着显著的速度梯度du/dy，即使粘度很小，摩擦应力=(du/dy)仍然相当大，不可忽视。在主流区内，(du/dy) 0，摩擦应力可忽略不计，则此区流体可视为理想流体。 16第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念二、边界层的发展(一)流体在平板上的流动 在边界层的发展过程中，边界层内流体的流型可能是滞流，也可能是由滞流转变为滞流。如图所示，在平板的前缘处，边界层较薄，流体的流动总是滞流，这种边界层称为滞流边界层。在距平板前缘某临界距离xc处，边界层内的流动由滞

13、流转变为湍流，此后的边界层称为湍流边界层。 但在湍流边界层内，靠近平板的极薄一层流体，仍维持滞流，即前述的滞流内层或滞流底层。滞流内层与湍流层之间还存在过渡层或缓冲层。其流动类型不稳定，可能是滞流，也可能是湍流。17第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念二、边界层的发展（二）流体在圆形直管的进口段内的流动x0R(a)x0R(b)滞流边界层湍流边界层图121 圆管进口段流动边界层厚度变化(a) 滞流边界层 (b) 滞流与湍流边界层18第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念二、边界层的发展（二）流体在圆形直管的进口段内的流动在完全发展了流动开始之时，若边界层内为滞流，则管内流动仍保持滞流，

14、此时称为完全发展了的滞动；若边界层内为湍流，则管内的流动仍保持为湍流，此时称为完全发展了的湍动。圆管内边界层外缘的流速即为管中心的流速，无论是滞流或湍流都是最大流速umax。19第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念三、边界层的分离A倒流点BCD图122 边界层的分离20第三节 流体的流动现象3-5 边界层的概念三、边界层的分离A点：流速为零。点A称为停滞点或驻点。动能全部转化为静压能，液体的 压强为最大。AB：流通截面逐渐减小，速度增加，压强能减小。一部分转变为动能，另一部分消耗于克服因流体的内摩擦而引起的流动阻力(摩擦阻力)。B点：流通截面最小，流速最大而压强最低。BC：流通截面的逐渐增加，减小动能减小，压强能增加。减小的动能，一部分转变为压强能，另一部分消耗于克服摩擦阻力。C点：动能消耗殆尽，流速为零，压强为最大，形成了新的停滞点，后继而来的液体在高压作用下，被迫离开壁面沿新的流动方向前进，点C称为分离点。这种边界层脱离壁面的现象，称为边界层分离。C点以后：流体在逆压强梯度作用下发生倒流，产生旋涡，成为涡流区。其中流体质点进行着强