化工原理第1章第3节流体流动现象

1、2022-6-141第一章第一章 流体流动流体流动第第三三节节 流体流动现象流体流动现象2022-6-142第第一一章章 流体流动流体流动一、牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律与流体的粘度二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数三、滞流与湍流的比较三、滞流与湍流的比较四、边界层的概念四、边界层的概念第第三三节节 流体流动现象流体流动现象2022-6-143 一、牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律与流体的粘度 1 1、牛顿粘性定律、牛顿粘性定律 流体的内摩擦力：流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。 流体阻力产生的依据流体阻力产生的依据

2、2022-6-144SyuFSyuF剪应力：剪应力：单位面积上的内摩擦力，以表示。SFyu适用于u与y成直线关系 内摩擦力: :2022-6-145dydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中： ：dydu速度梯度速度梯度： 比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。 第3节素材c牛顿粘性定律1.swf2022-6-1462、流体的粘度、流体的粘度 1) 物理意义物理意义dydu 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来 2) 粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系 a) 液体的粘度随温度升高而

3、减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。2022-6-147 b) 气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。3) 粘度的单位粘度的单位 在SI制中： dydu/msmmN)/(/22N smPa s 在物理单位制中， dydu/cmscmcmdyn2/2dyn scmgcm sP泊SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为： 1100010Pa scPP 2022-6-1484) 混合物的粘度混合物的粘度对常压气体混合物： 2121iiiiimMyMuy对于分子不缔合的液体混合物：iimux lglg 5) 运动粘度运动粘度v单位： SI制：m2/s； 物理单位制：cm2/s，用St

4、表示。smcStSt/101001242022-6-149二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数1、雷诺实验、雷诺实验 滞流或层流滞流或层流湍流或紊流湍流或紊流第3节素材c雷诺实验.swf实验条件改变： 不同流速、不同流体、不同管径。2022-6-14102、雷诺数雷诺数ReduRe雷诺数的因次 ：duRe 23/././msNmkgsmm000skgmRe是一个没有单位，没有因次的纯数 。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。雷诺准数可以判断流型雷诺准数可以判断流型 2022-6-1411流体在圆形直管内流动时： 时，当2000Re 流体的流动类型属于滞流滞流 ；时，当40

5、00Re 流体的流动类型属于湍流湍流； 时，4000Re2000 可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。过渡区过渡区 例：例：20C的水在内径为50mm的管内流动，流速为2m/s，试分别用SI制和物理制计算Re数的数值。 解解：1) 用SI制计算：从附录五查得20C时， =998.2kg/m3，=1.005mPa.s，2022-6-1412管径d=0.05m，流速u=2m/s，duRe310005. 12 .998205. 0993202) 用物理单位制计算：P100100010005. 13smu/2scm/200cmd5210005. 19982. 02005Re99320)/(100

6、05. 12scmgsPa.10005. 133/2 .998mkg3/9982. 0cmg2022-6-1413三、滞流与湍流的比较三、滞流与湍流的比较 1、流体内部质点的运动方式、流体内部质点的运动方式层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做随机的脉动。湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量 。 第3节素材c滞流.swf第3节素材c湍流.swf2022-6-14142、流体在圆管内的速度分布、流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心的距离的变化关系。 1) 圆管内滞流流动的速度分布圆管内滞

7、流流动的速度分布 作用于流体单元左端的总压力为：121prP第3节素材cRe的关系的推导.swf图1-21 层流时管内速度分布的推导2022-6-1415作用于流体单元右端的总压力为： 222prP作用于流体单元四周的剪应力为： rlF2 dydu drdurlF2 221220dur pr prldrrdrlpdrdu2drdu2022-6-1416drrlpdu2crlpu222时，当0 uRr24Rlpc224puRrlmax0uur 时，代入上式得：2max4Rlpu22max1Rruu滞流流动时圆管内速度分布式滞流流动时圆管内速度分布式 2022-6-1417 2)圆管内湍流流动的速

8、度分布圆管内湍流流动的速度分布 nRruu1max1 410-4Re1.1105时，n=6； 110-5Re3.2106时，n=10 。湍流流动时圆管内速度分布式 2022-6-14183、滞流和湍流的平均速度、滞流和湍流的平均速度 通过管截面的平均速度就是体积流量与管截面积之比 1) 滞流时的平均速度滞流时的平均速度 流体的体积流量为： (a) 2 urdrdVs 滞流时，管截面上速度分布为：22max1Rruu2022-6-1419drRrrudVs22max12 积分此式可得 drRrruVRrrs022max12 RRrru0242max422 2/max2uRAVusm2max22/

9、RuR2maxu滞流时平均速度等于管中心处最大速度的一半滞流时平均速度等于管中心处最大速度的一半 。2022-6-1420max82. 0uum71max1Rruu1/7方律 通常遇到的情况下，通常遇到的情况下，湍流时的平均速度湍流时的平均速度大约等于管中心处大约等于管中心处最大最大速度的速度的0.82倍。倍。 2）湍流时的平均速度）湍流时的平均速度2022-6-14214、滞流和湍流中的剪应力、滞流和湍流中的剪应力滞流流动的剪应力 ：AFAmadtduAmAdtmud 剪应力：单位时间通过单位面积的动量，即动量通量。 湍流流动的剪应力： etdydu ：称为涡流粘度 ，反映湍流流动的脉动特征

10、 ，随流动状况及离壁的距离而变化。 2022-6-1422圆管内滞流与湍流的比较圆管内滞流与湍流的比较滞流湍流本质区别 分层流动 质点的脉动 速度分布 22max1Rruu)7(11maxnRruun平均速度 max21uum)7(82. 0maxnuum剪应力 dydudydu2022-6-1423四、边界层的概念四、边界层的概念 a.边界层：b.流动主体：c.边界层厚度：1、边界层的形成、边界层的形成边界层区主流区第3节素材c边界层.swf2022-6-14242、边界层的发展、边界层的发展1)流体在平板上的流动流体在平板上的流动 2022-6-1425 当管内流体处于湍流流动时，由于流体

11、具有粘性和壁面的约束作用，紧靠壁面处仍有一薄层流体作层流流动，称其为层流内层层流内层（或层流底层层流底层）图1-25 湍流流动 从壁面到管中心分为层流内层、过渡层和湍流主体三个区域。层流内层的厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，即Re越大，层流内层越薄。在湍流主体中，径向的传递过程引速度的脉动而大大强化，而在层流内层中，径向的传递着能依靠分子运动，因此层流内层成为传递过程主要阻力。层流内层虽然很薄，但却对传热和传质过程都有较大的影响。2022-6-1426对于滞流边界层： 5 . 064. 4exRx 对于湍流边界层： 2 . 0376. 0exRxxuRsex时，当5102exR边

12、界层内的流动为滞流 ；时，当6103exR边界层内的流动为湍流； 在平板前缘处，x=0，则=0。随着流动路程的增长，边界层逐渐增厚；若流体的粘度较小，边界层也较薄。2022-6-1427 2)流体在圆形直管进口段内的流动流体在圆形直管进口段内的流动 流体在圆管内流动时，边界层汇合处与管入口的距离称作进口段长度，或稳定段长度。 一般滞流时通常取稳定段长度x0=(50-100)d，湍流时稳定段长度约于(40-50)d。 第3节素材c圆管进口段滞流边界层内.swf2022-6-14283、边界层的分离、边界层的分离A点流速为零压强最大驻点加速减压B点(umax，pmin)减速加压C点(u=0，pmax)边界层分离第3节