流体流动现象.ppt

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1、化工原理PrinciplesofChemicalEngineering第一章流体流动2021/7/21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1.42021/7/21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2021/7/21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2021/7/21一、牛顿黏性定律与流

2、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2021/7/21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＋dudy2021/7/21——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。2021/7/212.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

3、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。2021/7/21b)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，2021/7/21SI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：2021/7/215）运动黏度单位：SI制：m2/s；物理单位制：cm2/s，用St表示。2021/7/21二、流动类型与雷诺准数1.雷诺实验（1883年）OsborneReyno

4、lds1842～19122021/7/21流体的流动形态2021/7/212.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。2021/7/21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，

5、μ=1.005mPa.s，用雷诺准数判断流型：2021/7/21管径d=0.05m，流速u=2m/s，2）用物理单位制计算：2021/7/21三、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。2021/7/21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。2021/7/212.流体在圆管内的速度分布202

6、1/7/21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：2021/7/21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：2021/7/21代入上式得：——圆管内层流流动时的速度分布式2021/7/212）圆管内湍流流动的速度分布1×1043.2×106时，n=10。——湍流流动时

7、圆管内速度分布式2021/7/213.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：Rdrlr2021/7/21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。2021/7/212）湍流时的平均速度积分上式得：2021/7/21——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。2021/7/21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2021/7/2

8、1四、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)