化工原理（第2版）上册 课件 1-2 流体流动内部结构

1第1章流体流动－流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.3.2流体流动型态1.3.4流体流动边界层1.3.1流体的黏性和黏度1.3.3管内流体流动数学描述21.3.1流体的黏性与黏度

1.什么是黏性？

被搅动的液体最终停下；

库仑实验黏性——流体阻碍自身和它物运动的性质2.黏性的本质——动量传递xy流过(x)壁面，分子热运动

层间分子交换分层；

层间动量传递:层间作用力—剪力(内摩擦力、粘性力)—黏性

对流动的对抗或运动的阻碍小结③黏性只在流动中表现出来第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体的黏性与黏度①黏性是分子热运动的宏观表现；②黏性是流体对运动的对抗和阻碍；33.牛顿黏性定律y向速度梯度

—(动力学)黏度~剪(应)力？第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体的黏性与黏度最下层()最上层()xyua1234牛顿黏性定律：说明②

法向速度梯度，与法向力无关(固体)——服从牛顿黏性定律非牛顿流体——不服从牛顿黏性定律NFf=N

yx——剪应力，N/m2各层相继运动，

①并非理论推导的结果，而是对实验、实践结果的总结③牛顿流体（动量通量）44（动力）黏度(

)

物理意义：单位：SI制，Pa·s影响因素：①相态，液体

>>气体

②温度↑，液体

↓，气体

↑运动黏度理想流体

=0

忽略速度分布、梯度20℃的水，1mPa·s第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体的黏性与黏度③压强的影响忽略不计黏性流体

≠0单位速度梯度下的剪应力。忽略剪力

51.3.2流体流动型态

1.雷诺实验现象第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态水槽加水放水管溢流口放水阀染料水瓶流速较低时流速较高时流速很高时62．雷诺实验结论(1)两种流动型态

层流：质点一维运动，无它向脉动

湍流：—层间互不参混质点主流运动+随机脉动—湍流的基本特征(2)(圆管内)流动型态判据

量纲为1的数群——雷诺数Re<2000总是层流

2000<Re<4000层流或湍流

外部环境第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态层间质点交换和参混u,d,

,

Re>4000总是湍流Re＝

惯性力/黏性力

湍动程度物理意义：~传热、传质效果73.对湍流的进一步认识

(1)三个主要特性第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态①不规则性：质点随机脉动、速度随机波动速度时均化时均速度脉动速度——简化湍流分析定义：某时刻：③扩散性②有旋性漩涡分解能量耗散消亡——促进物质的混合与扩散速度脉动曲线图，强化传热、传质8(2)湍流剪应力湍流：e—湍流粘度e~湍动程度(Re)，…层流：质点交换层间仅分子交换第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态湍流剪应力，借用形式：剪应力>>层间分子交换>>?剪力剪力9(3)湍流时区域划分脉动振幅：近壁，振幅较小离壁很近处，流体保持层流特征层流内层远壁处，流体保持湍流特征湍流主体两者之间，过渡区域，e

较小说明层流内层很薄Re，厚度

层流内层——传递的主要阻力所在(e0)(e、

相当)(e>>

)第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动型态湍流主体过渡区域层流内层不激烈的脉动、湍动101.3.3圆管内流体流动的数学描述

1剪应力(径向)分布适用于层流和湍流管中心r=0，

=0；管壁处(r=R)

最大——

~r(线性)规律第1章流体流动－流体流动的内部结构－管内流体流动数学描述一段流体柱，均速运动，受力平衡压力(F1,F2)重力(G)剪力(

)流向定义管截面上的剪应力分布11将代入

~r式2层流时的速度分布、平均流速和平均动能r=0

(管中心)处平均动能第1章流体流动－流体流动的内部结构－管内流体流动数学描述积分(r=R,=0)∵A=

r2∴dA=2rdr上下限：0~A0~R定义

——~r按抛物线分布平均流速平均速度J/kg123湍流时的速度分布、平均流速和平均动能湍流的复杂性→实验→(半)经验方程n值~Re，在1/6~1/10之间

第1章流体流动－流体流动的内部结构－管内流体流动数学描述n=1/7时（层流时，0.5）（层流时，2）分布比层流更均匀，更多的

：近壁处很大，管中心附近很小层流湍流131.3.4流体流动边界层第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动边界层1边界层理论的基本思想统一的流场两个区域：制约因素、流动特性不同

使用不同的模型边界层、

外流区——Prandtl，19042边界层的形成与发展平板均匀的来流速度u

流体层相继减速存在尚未受影响的区域—外流区流速明显受影响的区域—边界层黏性流体理想流体贴壁层0.99u

的层——界线

边界层厚度两个学派：水动力学派(理论研究理想流体)、水力学派(实验研究黏性流体)——受壁面的影响(越远，越小)y14流场=壁附近的边界层+远壁处的外流区黏性流体理想流体

新层不断加入

厚度

—边界层的发展

剪力(黏性力)

层流边界层、湍流边界层第1章流体流动－流体流动的内部结构－流体流动边界层边界层的发展层流

湍流层流边界层湍流边界层u=0~0.99u

.du/dy很大.u=0.99u

~u

.du/dy

0.

0边界层内平均du/dy

.

质点脉动

—边界层的发展15