流体流动现象课件

化工原理PrinciplesofChemicalEngineering第一章流体流动2023/3/10讲授内容流体静止的基本方程1.1流体流动的基本方程1.2流体流动现象1.3管路计算1.5流速和流量测量1.6流体在管内的流动阻力1.42023/3/10本节讲授内容3滞流与湍流的比较2流动类型与雷诺准数1牛顿黏性定律与流体的黏度4边界层的概念1.3流体流动现象2023/3/10重点：牛顿粘性定律、层流与湍流的比较。

本节的重点及难点难点：边界层与层流内层。1.3流体流动现象2023/3/10一、牛顿黏性定律与流体的黏度牛顿黏性定律流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作用力。又称为黏滞力、黏性摩擦力。其方向与作用面平行。黏性——流体阻力产生的根源2023/3/10剪应力：单位面积上的内摩擦力，以τ表示。适用于u与y成直线关系

Fuu＋dudy2023/3/10——牛顿黏性定律式中：

速度梯度比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的黏性愈大，其值愈大，称为黏度系数或动力黏度，简称黏度。

2023/3/102.流体的黏度

1）物理意义

促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。黏度总是与速度梯度相联系，只有在流动时才显现出来2）黏度与温度、压强的关系

a)液体的黏度随温度升高而减小，压强变化时，液体的黏度基本不变。2023/3/10

b)气体的黏度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。3）黏度的单位在SI制中：在物理单位制中，2023/3/10SI单位制和物理单位制黏度单位的换算关系为：4）混合物的黏度对常压气体混合物：对于分子不缔合的液体混合物：2023/3/105）运动黏度单位：SI制：m2/s；物理单位制：cm2/s，用St表示。2023/3/10二、流动类型与雷诺准数1.雷诺实验（1883年）OsborneReynolds1842～19122023/3/10流体的流动形态2023/3/102.雷诺数Re雷诺数的因次：Re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。2023/3/10流体在圆形直管内流动时：流体的流动类型属于滞流；流体的流动类型属于湍流；可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。——过渡区例：20ºC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：1）用SI制计算：从附录7（P331）查得20ºC时，

ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，用雷诺准数判断流型：2023/3/10管径d=0.05m，流速u=2m/s，2）用物理单位制计算：2023/3/10三、滞流与湍流的比较1.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。2023/3/10管道截面上任一点的时均速度为：湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量。例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：湍流的特征是出现速度的脉动。

2023/3/102.流体在圆管内的速度分布

2023/3/10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）圆管内层流流动的速度分布作用于流体单元左端的总压力为：Rdrlrτrp1p2微元体受力分析：2023/3/10作用于流体单元右端的总压力为：作用于流体单元四周的黏滞力为：整理得：2023/3/10代入上式得：——圆管内层流流动时的速度分布式

2023/3/102）圆管内湍流流动的速度分布

1×104<Re<1.1×105时，n=6；1.1×105<Re<3.2×106时，n=7；

Re>3.2×106时，n=10。——湍流流动时圆管内速度分布式

2023/3/103.层流和湍流的平均速度通过管截面的平均速度：体积流量与管截面积之比

1）层流时的平均速度

流体通过微圆环体积流量为：滞流时，管截面上速度分布为：Rdrlr2023/3/10积分此式可得：层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半。2023/3/102）湍流时的平均速度积分上式得：2023/3/10——1/7方律通常情况下，湍流时的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。2023/3/10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

速度分布平均速度2023/3/10四、边界层的概念最早提出的边界层概念是速度边界层。此后的温度边界层和浓度边界层都是在速度边界层基础上建立的。1904年Prandtl在一次国际学术会上宣读了一份关于具有很小μ的流体流动的论文，在论文中他首先提出了边界层的概念。他指出：“任何一种实际流体流过物体壁面时都可分为二种流动情况，即近物体表面处的边界层流动和边界层外的广大区域内的低粘度流动。”LudwigPrandtl(1875～1953)2023/3/10usxyu(x,y)δ(x)主流区边界层区1.边界层的形成边界层：在壁面附近存在较大速度梯度的流体层。通常规定流速降为来流流速的99%以内的区域。

2023/3/102.边界层的发展1）流体在平板上的流动2023/3/10对于层流边界层：对于湍流边界层：边界层内的流动为滞流；边界层内的流动为湍流；边界层厚度定义：

2023/3/102）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。

2023/3/102023/3/103.边界层的分离2023/3/10当流体流过曲面时，所形成的边界层在一定条件下，会与固体表面脱离，并在脱离处产生漩涡。导致流体流动阻力的增大2023/3/10ABSA→C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小，（顺压梯度）；C→S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加，（逆压梯度）S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。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。2023/3/102023/3/10边界层分离的后果：产生大量旋涡造成较大的能量损失边界层分离的必要条件：流体具有粘性流动过程中存在逆压梯度2023/3/10总结：流道扩大时必造成逆压强梯度逆压强梯度容易造成边界层的分离边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为形体阻力。粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这两者之和又称为局部阻力。

2023/3/10小结Thanks,anyquestion??2023/3/10内容总结化工原理。2022/5/23。黏性——流体阻力产生的根源。——牛顿黏性定律。b)气体的黏度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。SI单位制和物理单位制黏度单位的换算关系为：。——过渡区。解：1）用SI制计算：从附录7（P331）查得20ºC时，。管径d=0.05m，流速u=2m/s，。湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量。湍流的特征是出现速度的脉动。2.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