1-3 流体的流动现象

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1、知识点1-3流体的流动现象【学习指导】1．学习目的通过简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为流动阻力的计算奠定理论基础。流体流动的内部结构是流体流动规律的一个重要方面。这些现象的产生在于流体的粘性。2．本知识点的重点本知识点以层流（滞流）和湍流（紊流）两种基本流型的本质区别为主线展开讨论，要求重点掌握：（1）牛顿粘性定律的表达式、适用条件；粘度的物理意义及不同单位之间的换算。（2）两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特点。（3）边界层形成、发展及边界层分离现象。流动边界层概念的提出对分析流体流动、传热及传质现象有重要意义。（4）非牛顿型流体的流变特性。3．本

2、知识点的难点本知识点无难点。4．应完成的习题1-9.本题附图所示为冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg，由B流至A的能量损失为49J/kg，试计算：（1）若泵的效率为70％时，泵的轴功率为若干kW？（2）若A处的压强表读数为若干Pa？ [答：（1）2.31kW；(2)6.2×104Pa(表压)]1-10.在实验室中，用玻璃管输送20℃的70％醋酸。管内径为1.5cm，流量为10kg/min。用SI和物理单位各算一次雷诺准数，并指出流型。[答：Re=5.66×

3、103]1-11.用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液面维持恒定。管路直径均为φ60×3.5mm，其它尺寸见本题附图。各管段的能量损失为，。两压差计中的指示液均为水银。试求当R1=45mm，h=200mm时：（1）压缩空气的压强p1为若干？（2）U管压差计读数R2为多少？[答：(1)1.23×105Pa(表压)；(2)630mm]（提示：U形管压差计读数R1表示了BC段的能量损失，即）本知识点通过简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为管截面上流动的速度分布及流动阻力的计算打下基础。一.牛顿粘性定律与流体的粘度和流动性形成

4、对立，在运动状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。流体不管在静止还是在流动状态下，都具有粘性，但只有在流体流动时才能显示出来。随流体状态的不同，粘性的差别非常悬殊。（一）牛顿粘性定律1．流体的内摩擦力由于粘性存在，流体在管内流动时，管截面不同半径处的速度并不相同，而是形成某种速度分布。管中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处速度为零。当流体在圆管内以较低的平均速度流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，各层以不同的速度向前运动。这种运动着的流体内部相邻两流体间产生相互作用力，称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦

5、力。流体流动时的内摩擦是流动阻力产生的依据。同样，设有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满了某种液体。若将下板固定，对上板施加一个恒定的外力，上板就以较低的恒定速度u沿x方向运动。此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动，粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液体速度为零，形成线性的速度分布。相邻两流体层产生粘性摩擦力。2．牛顿粘性定律流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关？实验证明，对于一定的液体，内摩擦力与两流体层的速度差成正比；与两层之间的垂直距离成反比；与两层间的接触面积成正比。对

6、于平板间的线性速度分布可写出若把上式写成等式，就需引进一个比例系数，即内摩擦力与作用面平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示，于是上式可写成（1-26）当流体在圆管内以较低速度流动时，径向速度变化是非线性，而是形成曲线关系，此时式1-26应改写为（1-26a）式中――速度梯度，即在与流动方向垂直的方向上的速度的变化率。――比例系数，其值随流体的不同而异，其值愈大。所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。式1-26及式1-26a所表示的关系，称为牛顿粘性定律。（二）流体的粘度1．动力粘度（简称粘度）式1-26a可表示成动力粘度的定义式，即（1）粘

7、度的物理意义;促使流体流动时产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是和速度梯度相联系，只有在流体运动时才显示出来。在讨论流体静力学时就不考虑粘度这个因素。（2）粘度的单位法定单位制中,粘度的单位为:Pa·s物理单位制中,粘度的单位为:g/(cm·s)，称为P（泊）不同单位之间的换算关系为:1cP=0.01P=0.001Pa·s。手册中粘度的单位常用cP（厘泊）表示。（3）粘度数据的获得常用流体的粘度可从有关手册和附录查得。常压混合气体的粘度可用下式估算，即（1-27）式中μm－常压下混合气体的粘度；yi－混合气体中组分的摩尔分数；μ－组分的粘度；M－组分的摩尔质量。不缔

8、合液体混合