化工传递过程原理ppt课件.ppt

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1、化工传递过程第四章边界层流动-1爬流与势流对于平壁，管内，套管环隙，同心套管环隙内不可压缩流体的稳态层流流动这一类非常简单的流动问题，可以通过简化后的运动方程的解析获得流体流动的速度分布关系，进而可以解决流体流动的阻力计算等问题，但是在工程实践中遇到的问题远要复杂得多，利用解析方法求解运动方程不可能。在研究流体流动中，还有一类比较特殊的情况，可以根据流体流动的物理特点简化运动方程，从而使之可以解析，这就是爬流和势流的问题。运动方程的分析运动方程的每一反映的是作用在流体质点上的力，对流体流动起决定作用的是惯性里和粘性力，压力在二者之间起平衡作用。代表惯性力代表粘性力雷偌数的物理

2、意义根据雷偌数的定义及适度变换后有：雷偌数的物理意义在于；它实质上是两种力的比值，雷偌数的大小实质放映的是两种力在流动中所起的主导地位不同。爬流对于流体粘性较大，流体的特征尺寸较小或流速非常低的情况，雷偌数很小，粘性力起主导作用。这种雷偌数很低的运动就是所谓的爬流（细粒子在流体中的自由沉降，气溶胶粒子的运动等）。对于爬流流动问题，由于惯性力相对与粘性力不重要，可以将运动方程中表示惯性力的项忽略而将运动方程简化，使之可以利用解析方法求解运动方程。爬流运动方程不可压缩流体的奈维-斯托克斯方程为:如果将代表惯性力的项目从方程中略去（重力液视为一种惯性力），这运动方程变为：爬流运动方

3、程不可压缩流体的爬流运动方程:爬流连续性方程为：共有四个方程可以求出四各未知数势流与爬流对应的另一类流动是雷偌数很大的运动，此时，惯性力大大大于粘性力，惯性力其、起主导作用，这就是势流。注意对于流动问题，除了在接近物体壁面的区域内不能忽略粘性力的影响之外，流动的大部分区域可以忽略粘性力的影响，既将其视为理想流体的流动。势流运动方程不可压缩流体的势流运动方程:如果将代表粘性力项目从方程中略去运动方程变为：势流运动方程不可压缩流体的奈维-斯托克斯方程为:爬流连续性方程为：共有四个方程可以求出四各未知数流体的旋度流体运动时，流体质点除了沿一定的路径作平动之外，还可能产生形变和旋转运

4、动，描述流体质点旋转性质的物理量为流体旋度，其定义为：旋度为向量，当流体的旋度为零，称为无旋流动，否则为有旋流动。对重力场作用下的理想不可压缩流体流动，如果初始流动为有旋，则它将一直保持有旋状态，如果初始流动为无旋流动，则将一直保持无旋状态。速度势函数对于流体沿x,y方向的二唯流动有：对于无旋流动，流体的旋度为：该式表明两个速度分量之间存在某种关联关系速度势函数令：则有:令C=0速度势函数引入速度势函数的目的在于将两个速度变量用一个变量(速度势)函数来代替,从而使方程求解简化速度势函数速度势函数存在的唯一条件是流动必须是无旋的．对三维流动也存在相应的速度势函数：流函数对不可压

5、缩流体的平面流动，连续性方程为：令:则：令C=0流函数引入流函数的目的在于将两个速度变量用一个变量(流函数)来代替,从而使方程求解简化边界层流动问题提出对于粘性流体的流动运动方程的求解，通过简化获得解析解的情况很少，远不能满足工程实践的需要。小雷偌数的爬流流动也只包括部分实际问题。工程实践中遇到的多是大雷偌数流动问题，大雷偌数流动问题表现为流体的惯性力远大于粘性力，但工程实践表明这类运动如果可视为理想流体的流动则会导致较大偏差。为何小雷偌数的运动可以忽略惯性力的影响，二大雷偌数的运动不能忽略粘性力的影响普兰德边界层理论较好的回答了这个问题，它成为流体力学中最重要的学说之一。实

6、际工程问题：靠近固体壁面的一薄层流体速度变化较大，而其余部分速度梯度很小远离固体壁面，视为理想流体－－欧拉方程、伯努利方程靠近固体壁面的一薄层流体，进行控制方程的简化－－流动边界层1904年普朗特首先提出边界层厚度流体流动的控制方程是非线性的偏微分方程组，处理非线性偏微分方程依然是当今科学界的一大难题普兰德边界层理论边界层学说是普兰德于1904年提出的，其理论要点为：1当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面的一层流体，由于粘性作用将粘附在壁面上而不“滑脱”，即在壁面上的流速为零；2由于流动的Re数很大，流体的流速将由壁面处的零值沿着与流动相垂直的方向迅速增大，并在很短的距离内趋

7、于一定值。根据这一理论,在壁面附近区域，存在着一薄的流体层。在该层流体中，沿流动相垂直方向上的速度梯度很大。这样的一层流体称为边界层。在边界层内、绝不能忽略粘性力的作用。而在边界层以外的区域，流体的速度梯度则很小，几乎可视为零，因此在该区域中完全可以忽略粘性力的作用，将其视为理想流体的流动。边界层形成过程粘性流体沿平壁面流动边界层的形成过程.层流边界层;在平板前部的一段距离内,边界层的厚度较小,流体维持层流流动,相应的边界层为层流边界层;湍流边界层:当流体沿壁面的流动经过一段距离后,边界层中的流态又层流