1.3流体流动现象

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1、第三节流体的流动现象一、牛顿粘性定律与流体的粘度二、流动类型与雷诺准数三、滞留与湍流的比较四、边界层的概念本节将讨论产生能量损失的原因及管内速度分布等，以便为下一节讨论能量损失的计算提供基础。一、牛顿粘性定律与流体的粘度1、牛顿粘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。又称为粘滞力或粘性摩擦力。(流体流动时必须克服内摩擦力而做功，部分机械能转变为热能而损失)。粘性：运动状态下，流体内在的抗拒向前运动的特性。比如两个赛跑的运动员，跑得快的人，如果从侧面碰到跑得慢的人，跑得快的人就受到一个向后的拉力。如果两者速度相差越大，向后的拉力

2、就越大。如果接触面越大，感觉向后的拉力也越大。粘性定律推导示意图选相邻两薄圆筒流体进行分析，实验证明，内摩擦力F与接触面积S、两层间的速度差du成正比，与垂直距离dy成反比：剪应力：单位面积上的内摩擦力，以τ表示。——牛顿粘性定律式中：—速度梯度；比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。2、流体的粘度1)物理意义：流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度的剪应力。2)粘度与温度、压强的关系粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来温度：Ｔ↑，μ液体↓，μ气体↑压强：压强变化对流体

3、影响不大，工程计算中可忽略3）粘度的单位在SI制中：在物理单位制中，SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为：4）运动粘度单位：SI制：m2/s；物理单位制：cm2/s，用St表示。5）理想流体粘度为零的流体。如果粘性不起主导作用，可将实际流体按理想流体来处理。牛顿流体：符合牛顿粘性定律的流体。3、流体类型n=1，牛顿流体n1，牛顿流体牛顿流体的粘度是该物质固有的物理性质，其值只与温度有关，与流动条件无关。所有气体、纯液体、简单溶液（稀糖液、醋、酒、酱油等）为牛顿流体。非牛顿流体：不符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿流体的粘度称为表观粘度，值随物理性

4、质与流动条件变化。该类流体流动时，剪应力与速度梯度间没有简单的比例关系，也就没有一个确定的粘度值。一般而言，高分子物质溶液或混合物、高粘度颗粒悬浮物都是非牛顿流体，如奶油、蛋黄酱、果酱等。二、流动类型与雷诺准数自然界存在多样的流体流动现象：钱塘潮、山间溪、长江与汉水之界（一勺舀起两江水，一杯清茶三镇香）如何将这些定性的感性认识上升到定量的理性高度呢？流动类型与哪些物理量有关呢？英国物理学家雷诺对此进行了专门的研究。1、雷诺实验雷诺实验演示动画流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间

5、没有质点的迁移。当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。滞流或层流湍流或紊流2、流型判定依据－雷诺准数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

6、量的单位必须统一。Re的物理意义：反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。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：从附录四查得20ºC时，ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，管径d=0.05m，流速u=2m/s，2）用物理单位制计算：三、滞流与湍流的比较1、流体内部质点的运动方式滞流：流体质点沿管轴作有规

7、则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合湍流：流体质点作不规则运动，在向前主运动之外还有随机的脉动。质点间相互碰撞、混合，产生大小旋涡。质点间的碰撞使流体前进的阻力急剧增加。质点的脉动是湍流运动的最基本特点。管道截面上任一点的速度始终围绕一“平均值”上下变动，这个平均值称为时均速度湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量。在稳态系统中，流体作湍流流动时，管道截面上任一点的时均速度不随时间而改变。例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：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。无论滞流或湍流，管壁处速度为零，管中

8、心速度最大作用于流体单元左端的总压力为：2、流体在圆管内的速度分布1）圆管内滞流流动的速度分布r,l流体柱作