化工原第一章(hg)120216

1、流体流动的基本概念流体流动的基本概念与流体中的传递现象与流体中的传递现象 在航空、航天、航海，石油、化工、能源、环境、材料、医在航空、航天、航海，石油、化工、能源、环境、材料、医学和生命科学等领域，尤其是化工、石油、制药、生物、食学和生命科学等领域，尤其是化工、石油、制药、生物、食品、轻工、材料等许多生产领域以及环境保护和市政工程等，品、轻工、材料等许多生产领域以及环境保护和市政工程等，涉及的对象多为流体。涉及的对象多为流体。特征特征“流程工业流程工业”在流动之中对流体进在流动之中对流体进行化学或物理加工行化学或物理加工加工流体的加工流体的机器与设备机器与设备过程装备过程装备 物质的三种常规聚

2、集状态：固体、液体和气体；物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体；流体流体: :气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、气态和液态物质合称为流体（包括超临界流体、 等离子体等特殊流体）等离子体等特殊流体）流体的基本特征是具有流动性流体的基本特征是具有流动性 从微观来看从微观来看分子之间有空隙分子之间有空隙流体的物理量流体的物理量(如如密度、密度、压强和速度等压强和速度等)在空在空分布不连续。分布不连续。分子的随机运动分子的随机运动所以在空间任一点上，所以在空间任一点上，流体的物理量流体的物理量在时间上在时间上的变化也是不连续的。的变化也是不连续的。在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即

3、在工程技术领域，关心的是流体的宏观特性，即大量分子的统计平均值，为此引入连续介质模型。大量分子的统计平均值，为此引入连续介质模型。P(x,y,z) 质 量m 体积V x y z (a) Vm 0 0V V (b) VmVVlim0 V0：流体质点或微团。尺度远小于液体所在空间的：流体质点或微团。尺度远小于液体所在空间的特征尺度，而又远大于分子平均自由程特征尺度，而又远大于分子平均自由程 单位体积平均质量单位体积平均质量注意：注意： 该假定对绝大多数流体都适用。但该假定对绝大多数流体都适用。但当当流动体系的特征尺度与分子平均自由程流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时相当时，例如高，例如高真空

4、稀薄气体真空稀薄气体的流动，的流动，连续介质假定受到限制。连续介质假定受到限制。 根据连续介质假定根据连续介质假定,任意空间点上流体的物理量都是指位于该任意空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为:VmVV0lim 由于由于 很小很小,因此因此上式又可写成上式又可写成:0VVmV0lim),(TpfRTpMVm RTpMVMmmm.BBAAmyMyMM.VBBVAABBAAmXXVVVV一般可当成理想气体处理一般可当成理想气体处理:mM混合气体的平均分子量；混合气体的平均分子量；AMA组分的分子量；组分的分子量；A

5、yA组分的摩尔分率；组分的摩尔分率；BMB组分的分子量；组分的分子量；ByB组分的摩尔分率。组分的摩尔分率。.BBAABAmVVWWWV(质量守恒质量守恒)VAXA组分的分容；组分的分容；VBXB组分的分容。组分的分容。根据连续介质假定根据连续介质假定,任意空间点上流体的物理量都是指位于该任意空间点上流体的物理量都是指位于该点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为点上的流体质点的物理量。流体的密度可以定义为:VmVV0lim 由于由于 很小很小,因此因此上式又可写成上式又可写成:0VVmV0lim)(Tf设定混合液体的体积设定混合液体的体积=分体积之和分体积之和,即即: .BAVVV.WV

6、WVWVBAAAAWVWWaAA.1BBAAmaa 为为A A组分的质量分率组分的质量分率 , , 为为B B组分的质量分率组分的质量分率 , , 则有：则有：BaAaWWaBBBBBWV1.1.3 流体的黏度流体的黏度 流体在运动时流体在运动时, ,任意相邻两层流体有相互抵抗力任意相邻两层流体有相互抵抗力, ,这种相互抵抗的作用力称为剪切力这种相互抵抗的作用力称为剪切力, , 流体所具有的流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的这种抵抗两层流体相对滑动速度的性质称为流体的粘性粘性。 粘性是流体固有的物理性质。粘性是流体固有的物理性质。uu u=0=0d du ud dy yy

7、 yx xF面积面积A A固定板固定板dyduAF dyduAFdyduAF牛顿粘性定律牛顿粘性定律凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体体( (如水、空气等如水、空气等),),否则为非牛顿型流体。否则为非牛顿型流体。1.1.3 流体的黏度流体的黏度dyduAF 粘度是流体的重要物理性质之一粘度是流体的重要物理性质之一,它是流体组成它是流体组成和状态和状态(压力、温度压力、温度)的函数。的函数。),(pTf)(TfT)(TfT一般一般 而言而言: :气体气体: :液体液体: :SI制制 sPamsmPadydu./11PsPacP2310.101工程制的单位

8、工程制的单位:泊泊(P);厘泊厘泊(cP或或mPa.s)关糸关糸:sm /2单位单位:SI制制 运动粘度运动粘度:1.1.3 流体的黏度流体的黏度常压气体混合物粘度常压气体混合物粘度,可采用右式计算可采用右式计算非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算非缔合的液体混合物的粘度可用下式计算2/12/1iiiiimMyMyiimxlglg 式中式中: m 气体混合物的粘度气体混合物的粘度yi 气体混合物组分的摩尔分数气体混合物组分的摩尔分数 i 同温度下纯组分的粘度同温度下纯组分的粘度 Mi 纯组分的摩尔质量纯组分的摩尔质量式中式中: m 液体混合物的粘度液体混合物的粘度xi 液体混合物组分的摩尔分数

9、液体混合物组分的摩尔分数理想流体与粘性流体理想流体与粘性流体具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体0 的流体称为理想流体的流体称为理想流体1.1.3 流体的黏度流体的黏度yufyudd/dd高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及高分子熔体和溶液、表面活性剂溶液、石油、食品以及含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时含微细颗粒较多的悬浮体、分散体、乳浊液等流体在层流时并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。并不服从牛顿粘性定律，统称为非牛顿流体。非牛顿流体的非牛顿流体的粘度粘度 不再为一常数而不再为一常数而与与 dux / dy 有关有

10、关 牛顿型流体 塑型流体 涨塑流体 假塑型流体 du/dy y 宾汉塑性流体或塑性流体（宾汉塑性流体或塑性流体（Bingham plastics）yuKydd y 屈服应力（屈服应力（threshold shear stress）K 宾汉粘度宾汉粘度yuyuyuKandddddd1n 流变指数（流变指数（flow behavior index）K 稠度系数（稠度系数（flow consistency index） a a 表观粘度表观粘度幂律（幂律（power law）流体）流体n1 涨塑性流体（涨塑性流体（Dilatant fluid） 牛顿型流体 塑型流体 涨塑流体 假塑型流体 du/dy

11、 y P1P16 6非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等心力，电磁力等 接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力 aaFVm处于重力场中的流体，处于重力场中的流体， 无论运动与否都受到力的作用。无论运动与否都受到力的作用。连续介质的受力服从牛顿定律。连续介质的受力服从牛顿定律。重力场重力场重力加速度重力加速度离心力场离心力场离心加速度离心加速度 场力或体积力（质量力）场力或体

12、积力（质量力）表面力表面力工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力) )压力单位压力单位:SI制制:N/m2 或或Pa；压力压力 的单位的单位:pkPa1kPa=1000Pa工程制工程制: 标准大气压标准大气压(atm)、工程压力、工程压力(kgf/cm2)、某流体柱高度等。、某流体柱高度等。1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa 1at=1kgf/cm2=9.807104Pa 工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力) )压力单位压力单位:真空度与表压真空度与表压真空度表压

13、大气压强真实压强(绝对压强) (Pa) 真空度与表压真空度与表压当被测流体的压力当被测流体的压力(或绝对压力或绝对压力)小于大气压时小于大气压时:当被测流体的压力当被测流体的压力(或绝对压力或绝对压力)大于大气压时大于大气压时:表上读数表上读数=大气压大气压 绝对压力绝对压力表上读数表上读数=绝对压力大气压绝对压力大气压真空度真空度表压表压真空表真空表压力表压力表压力表与真空表压力表与真空表p p1 1p p2 2真空度真空度绝压绝压表压表压绝压绝压大气压大气压绝绝对对零压零压压强压强压强的基准和度量工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力) )压力单位压力单位:真空度与表压真空度与表

14、压注意注意: :大气压与海拔高度有关大气压与海拔高度有关注意注意: :大气压与海拔高度有关大气压与海拔高度有关例例:有一设备要求绝压为有一设备要求绝压为20mmHg,成都、拉萨的大气压分成都、拉萨的大气压分别为别为720mmHg、459.4mmHg,问真空度各为多少问真空度各为多少Pa?20mmHg成都的真空度成都的真空度=72020=700mmHg =700101325/760 =93326Pa解解:拉萨的真空度拉萨的真空度=459.420=439.4mmHg =439.4101325/760 =58581Pa1mmHg=133.32Pa工程上习惯将压强称为压力工程上习惯将压强称为压力) )

15、压力单位压力单位:真空度与表压真空度与表压注意注意: :大气压与海拔高度有关大气压与海拔高度有关表面张力：存在于不同流体的相邻界面，表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使使流流体表面具有收体表面具有收缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数缩的趋势。表面张力的大小用表面张力系数s s 来表示，其来表示，其单位为单位为N/mN/m。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响有重要影响剪应力：剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。流体静力学基本方程流体静力学基本方程 ( Basic equat

16、ions of fluid statics ) 0 y x z z y x根据力的平衡根据力的平衡, ,在在 z 方向方向: : 0zyxgyxppzzz0lim0,gzpzyx即即 0gzp同理可得：同理可得： 0 xp0yp0 dxxp0 dyyp0 gdzdzzpgdzdp对于不可压缩流体对于不可压缩流体( =常数常数) ,即有即有 1212zzppgdzdpconstgzpgzp2211constgzpconstgzp或或z o0p 1 2 1z 2z mmgzgz pmpVgzpPgzVmgzpVpVgzpP 单位体积流体的总势能守恒单位体积流体的总势能守恒 constgzpPcon

17、stgzpP单位质量流体的总势能守恒单位质量流体的总势能守恒单位体积流单位体积流体的位能体的位能单位体积流单位体积流体的压能体的压能单位质量流体的总势能单位质量流体的总势能单位质量单位质量流体压能流体压能单位质量流单位质量流体的位能体的位能单位体积流体的总势能单位体积流体的总势能单位单位 J/m3P又叫虚拟压强又叫虚拟压强 单位单位Pa即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒即单位体积流体势能守恒或单位质量流体总势能守恒 常数gzpP常数gzpP (2.3-32) 1. 重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直重力场中静止流体总势能不变，静压强仅随垂直 位置而变，与水平位置无关，压强相

18、等的水平面位置而变，与水平位置无关，压强相等的水平面 称为等压面；称为等压面；2.静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离 呈线性关系，也正比于液面上方的压强；呈线性关系，也正比于液面上方的压强；3.液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：流体静力学基本方程，表达了如下的流体静力学原理：应用上注意几点：应用上注意几点：const1.公式的适用条件公式的适用条件(1) 重力场重力场;(2) 讨论的两个点或两个面是静力学连通的讨论的两个点或两个面是静力学连通的;(3) 连

19、通的流体是均匀的连通的流体是均匀的( )12ppgh2. 液柱压力液柱压力3. 上下压力上下压力ghpp上下应用要点应用要点: 1.等压面等压面;.(静止的、连通的、均匀的、同一水平面静止的、连通的、均匀的、同一水平面 压力相等压力相等) 2.上下压力上下压力ghpp上下讨论讨论: :pA与与pB之关糸之关糸?水A AB B流入流出(4)压缩空气水A AB B(3)AB(1)水水A(2)油油BpA与与pB之关糸之关糸?pC与与pD之关糸之关糸?流入流出ABCD流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用1.1.液柱压差计液柱压差计（Manometers)a)a) 普通普通 U 型管压差计（

20、型管压差计（Simple manometer） b)b) 倒置倒置 U 型管压差计（型管压差计（Up-side down manometer）c)c) 倾斜倾斜 U 型管压差计（型管压差计（Inclined manometer）d)d) 双液体双液体 U 型管压差计（型管压差计（Two-liquid manometer）(a)R0(b)a0(c)R10(d)0102p1p2p1p2p1p2p1p2baRbabab1p2p1p2p2p1p01020R00b1RbbaaaabR1p2p(a)(a)(c)(c)(b)(b)(d)(d)U 型管内位于同一水平面上型管内位于同一水平面上的的 a、b 两点

21、在相连通的同一两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强静止流体内，两点处静压强相等相等gRpp021由指示液高度差由指示液高度差 R 计算压差计算压差, ,若被测流体为气体，其密度较若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，指示液密度小得多，计算式为计算式为: :021Rgppp0 p0 0 p1 p2 R a b 0 用于测量液体的压差，指示剂密度用于测量液体的压差，指示剂密度 0 小于被测液体密度小于被测液体密度 ， U U 型管内位型管内位于同一水平面上的于同一水平面上的 a a、b b 两点在相连两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强通的同一静止流体内，两点处静压强相等相等由指

22、示液高度差由指示液高度差 R 计算压差计算压差若若 0gRpp210p1p2aRbgRpp021采用倾斜采用倾斜 U 型管可在测量较小的压差型管可在测量较小的压差 p 时，时，得到较大的读数得到较大的读数 R1 值。值。R10p1p2abgRpp0121sin压差计算式压差计算式微差压计，支管顶端有一个扩大室。微差压计，支管顶端有一个扩大室。扩大室内径一般大于扩大室内径一般大于U U型管内径的型管内径的1010倍。压差计内装有密度分别为倍。压差计内装有密度分别为 01 01 和和 02 02 的两种指示剂。的两种指示剂。有微压差有微压差 p 存在时，尽管两扩大室存在时，尽管两扩大室液面高差很小

23、以致可忽略不计，但液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的型管内却可得到一个较大的 R 读数读数。 对一定的压差对一定的压差 p，R 值的大小与所用的指示剂密度有值的大小与所用的指示剂密度有关，密度关，密度差差越小，越小，R 值就越大，读数精度也越高。值就越大，读数精度也越高。0102p1p2abgRpp020121gRpp021？R Rz z1 1z z2 21 11 12 22 20 A AR基准面z z1 1z z2 2h h1 11 12 22 20 A AB B)()()(02211Rggzpgzp 当被测管段不是水平而是倾斜时当被测管段不是水平而是倾斜时, ,公公式

24、的推导式的推导 如右图所示如右图所示, A 、B面为等压面面为等压面,即即BApp)(hRgppA 1 0122RgzzhgppB )()(1hRgp0122)(Rgzzhgp当当z1=z2时时,则有则有gRpp021流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用1.1.液柱压差计液柱压差计（Manometers)2.液封问题液封问题 1 12 2h h8 80 0m mm mH Hg g( (表压 )乙炔发水生生器器要求乙炔发生器要求乙炔发生器 里的表压里的表压不超过不超过80mmHg，问管伸，问管伸入水中深度最大为多少入水中深度最大为多少?21pp PammHgp 801ghPap2要使

25、乙炔发生器里的表压不超过要使乙炔发生器里的表压不超过80mmHg,管伸入管伸入.水中的深度水中的深度mh087.1解解:hPaPa81. 9100032.13380即即mh087. 1解得解得流体静力学应用之二流体静力学应用之二液封问题液封问题 流体静力学基本方程的应用流体静力学基本方程的应用1.1.液柱压差计液柱压差计（Manometers)2.液封问题液封问题 3.远距离测量液位远距离测量液位 流体静力学应用之三流体静力学应用之三 远距离测量液位远距离测量液位 N N2 2H H1 12 2R RP Pa aP Pa a0 Ap 由上得由上得: 21pp App 1RgPapA0gHPap

26、2gHPaRgPa00RH 解解: 如图所示密闭室内装有测定室内气如图所示密闭室内装有测定室内气压的压的U型压差计和监测水位高度的型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的压强表。指示剂为水银的U型压差型压差计读数计读数 R 为为 40mm40mm，压强表读数，压强表读数 p 为为 32.5 32.5 kPa 。试求：水位高度试求：水位高度 h。 解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为 pa，则，则室内气压室内气压 po 为为 (p(pA A=p=pB B;p;pA A=p=pa a;p;pB B=p=p0 0+R+R 0 0g)g)RhPpa

27、pap0gRpgRppggHagHao)(ghppgRpOHaHag2)(mggRphOHHg7728191000819136000401053232. A B用复式用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的两点的压差。倒置压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。型管段为水。水和空气的密度分别为水和空气的密度分别为 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下测得一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算试计算A、

28、B两点的压差。两点的压差。1z1z2z3A4z4B23空气解：复式解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为用复式用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的两点的压差。倒置压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。型管段为水。水和空气的密度分别为水和空气的密度分别为 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下测得一流量下测得R1 = z1 - z2

29、 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算试计算A、B两点的压差。两点的压差。1z1z2z3A4z4B23空气11Agzpp解：复式解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为用复式用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的两点的压差。倒置压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间型管段上方指示剂为空气，中间U型管段为水。型管段为水。水和空气的密度分别为水和空气的密度分别为 = 1000 kg/m3 和

30、和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下测得一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算试计算A、B两点的压差。两点的压差。1z1z2z3A4z4B23空气11Agzpp解：复式解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为zzgpp21021用复式用复式U型压差计检测输水管路中孔板元件前后型压差计检测输水管路中孔板元件前后A、B两点的两点的压差。倒置压差。倒置U型管段上方指示剂为空气，中间型管段上方指示

31、剂为空气，中间U型管段为水。型管段为水。水和空气的密度分别为水和空气的密度分别为 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下测得一流量下测得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。试计算试计算A、B两点的压差。两点的压差。1z1z2z3A4z4B23空气11Agzpp解：复式解：复式U型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽型压差计可以在有限高度空间范围内拓宽测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为测量范围。根据流体静力学原理，各点流体压强为zzgpp21021zzgpp2332zzgpp430434B4gzpp

32、Pa5803450320819211000210432104321BA. RRgzzzzgzzzzgpp忽略空气柱的重量，忽略空气柱的重量，p1 p2 ，p3 p4 ，有有Pa2 .80445 . 032. 081. 9100021BARRgpp单组分与多组分单组分与多组分 （single and multicomponentsingle and multicomponent） 多相流体系：多相流体系：单相流与多相流单相流与多相流 （ single and multiphase single and multiphase ）单相流体系：单相流体系：三维、二维与一维体系三维、二维与一维体系: :

33、 非稳态与稳态非稳态与稳态 （Steady and unsteadySteady and unsteady）T = f(x,y,z) 稳态稳态 T = f(x,y,z,t) 非稳态非稳态 u= f(x,y,z) 稳态稳态 u= f(x,y,z,t) 非稳态非稳态 流量流量: :单位时间内流经某截面流体的数量。单位时间内流经某截面流体的数量。 体积流量体积流量(volume flowrate):(volume flowrate):qV,m,m3 3/s;m/s;m3 3/h; /h; 质量流量质量流量(mass flowrate(mass flowrate) :) :qm,kg/s;kg/h,k

34、g/s;kg/h; ;流速流速: :流体流动的距离流体流动的距离/ /时间时间; ;质量流速质量流速: :w ;kg/(s.m;kg/(s.m2 2) ) 点速度点速度u;u;平均速度平均速度 ;m/s ;m/s u之间关糸之间关糸: :AVudAqAquVVmqquAqwm解解:查查P131;表表3.3AquV24dA uqdV4? usmu/8 . 1 d=0.0793m=79.3mm 查附录查附录(管规格管规格) P435选公称口径选公称口径80mm 外径外径88.5mm 内径内径=88.5-24=80.5mm即即d=80.5mm udud2244mm45 .88 smu/75. 1雷诺

35、实验雷诺实验层流过渡流湍流(a)(b)雷诺实验雷诺实验流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态流体流动依不同的流动条件有两种不同的流动型态,层流与湍流。层流与湍流。湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小和方向不断改变。定的，大小和方向不断改变。 层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行 流流 动，不产生流动，不产生流 体质点的宏观混合。体质点的宏观混合。uutxy湍流的基本特征湍流的基本特征 时均速度与脉

36、动速度时均速度与脉动速度dtuTuTxx01txuxuyu0yutxxxuuuzzzuuuyyyuuuyyuuzzuudydxuduRe 物理意义：物理意义： 惯性力与粘性力之比惯性力与粘性力之比 雷诺准数雷诺准数Reynolds number除流速除流速u u 外，外， 和和 ，管径，管径d d 也都影响流动型态。也都影响流动型态。duRe )./(.222smkgmssmkgmsN du 0003./skgmsmkgmkgsmmRe 2000 稳定的层流区稳定的层流区 2000 Re 4000 湍流区湍流区 流体在管内流动时：流体在管内流动时：duRe 物理意义：物理意义： 惯性力惯性力/

37、 /粘性力粘性力雷诺准数雷诺准数Reynolds numberdu例例1.4 P19求雷诺数求雷诺数Re1. d=0.1m, =1000kg/m3, u=1m/s, =1cp2. d=0.1m, u=1m/s, =10-6m2/s3. d=0.1m, qm=(10 /4)kg/s, =1cp流动边界层流动边界层 流体流动受固体壁面影响（能感受到固流体流动受固体壁面影响（能感受到固体壁面存在）的区域称为流动边界层体壁面存在）的区域称为流动边界层层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层边界层界限边界层界限u0u0u0 xy内摩擦：一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速内摩擦：

38、一流体层由于粘性的作用使与其相邻的流体层减速边界层：受内摩擦影响而产生速度梯度的区域（边界层：受内摩擦影响而产生速度梯度的区域（d）u=0.99u0层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层边界层界限边界层界限u0u0u0 xy边界层发展：边界层发展： 边界层厚度边界层厚度d d 随流动距离增加而增加随流动距离增加而增加流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也 维持不变维持不变Xouodddd进口段进口段圆管入口处的流动边界层发展圆管入口处的流动边界层发展 层流边界层：边界层内的流动类型为层流层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流

39、边界层：边界层内的流动类型为湍流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流为层流或湍流，其流动类型均为层流充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流处边界层内的流动属层流还是湍流倒流倒流 分离点分离点u0 D ACCBx2.2.边界层分离边界层分离AB顺压强梯度；顺压强梯度； B B点以后逆压强梯度点以后逆压强梯度热力学第二定律指出，所有系统由非平衡态向平热力学第二定律指出，所有系统由非平衡

40、态向平衡态转化是熵增大的自发过程，例如：衡态转化是熵增大的自发过程，例如：热流从高温处流向低温处热流从高温处流向低温处水流从高位处流向低位处水流从高位处流向低位处电流由高电位流向低电位电流由高电位流向低电位唯象方程（唯象方程（Phenomenological equation）扩散通量扩散系数扩散通量扩散系数扩散推动力扩散推动力 传输阻力传输推动力传输速率 气体在非平衡状态下，由于分子之间的频繁碰撞和相互搀气体在非平衡状态下，由于分子之间的频繁碰撞和相互搀和，从而使气体逐渐向各部分物理性质均匀的平衡状态过和，从而使气体逐渐向各部分物理性质均匀的平衡状态过渡，在此过程中伴随有某些物理量渡，在此过

41、程中伴随有某些物理量(例如气体的定向运动的例如气体的定向运动的动量、热运动能量和质员等动量、热运动能量和质员等)的的迁移迁移，这种现象称为气体，这种现象称为气体内的内的现象现象气体内的气体内的迁移迁移现象有三种：现象有三种：(1)内摩擦现象；内摩擦现象；(2)热传导现象热传导现象(3)扩散现象扩散现象dyud)( 动量扩散通量动量扩散通量= 负动量扩散糸数动量扩散推动力负动量扩散糸数动量扩散推动力 当当 时可改写为时可改写为: constdyuddyud)()(dydu牛顿粘性定律为牛顿粘性定律为: 各物理量的因次各物理量的因次: smsmkgmsmkgmN././.2222动量通量动量通量3

42、3/.msmkgsmmkgu 动量浓度动量浓度u sm2动量扩散糸数动量扩散糸数单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象单组分气体、一维、等温层流流动体系中的动量扩散现象 层流流体中由速度梯层流流体中由速度梯度推动的扩散称为分度推动的扩散称为分子动量扩散子动量扩散 um动量动量yuxdd速度梯度速度梯度)(yux速度分布速度分布动量动量一维流动情况下可定为一维流动情况下可定为 x 轴的正向。而动量扩散的方轴的正向。而动量扩散的方向，则由速度梯度决定、并且指向速度降低的方向。向，则由速度梯度决定、并且指向速度降低的方向。 yux, T, A ux(y), T(y), A(y)ounMuxrx宏观上，分子数密度为宏观上，分子数密度为 n 、分子量为、分子量为 Mr 的气体的动的气体的动量浓度量浓度( (即单位体积流体具有的动量即单位体积流体具有的动量) )为为根据分子动理学原理根据分子动理学原理流动气体分子的运动流动气体分子的运动流体的宏观运动，流体的宏观运动，ux迭加在宏观运动上的分迭加在宏观运动上的分子微观热运动，其均方子微观热运动，其均方根速度为根速度为 v 微观上，分子无规热运动引起气体分子之间的碰微观上，分子无规热运动引起气体分子之间的碰撞和动量交换，力图