流体流动阻力

1、 流体的粘性和牛顿粘性定律流体的粘性和牛顿粘性定律 （1 1）牛顿粘性定律）牛顿粘性定律 流体流动阻力流体流动阻力 速度分布（速度侧形）：速度分布（速度侧形）：速度沿距离的变化关系。 u F 0 x u=0 y Y du dy 平板间的流体剪应力与速度梯度 平板间的流体剪应力与速度梯度平板间的流体剪应力与速度梯度 dy du 牛顿粘性定律：牛顿粘性定律： 实测发现： Y u A F 意义：意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 （2 2） 流体的粘度流体的粘度 物理意义物理意义 dy du 动力粘度，简称粘度动力粘度，简称粘度 单位 SI单位制 ： Pa

2、s ( N s /m2) 物理单位制 ： P(泊), 达因秒/厘米2 cP(厘泊) 换算关系：1cp=0.01 P=10-3 Pa s=1 mPa s 单位：1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s 运动粘度 m2/s (3) 影响因素影响因素 液体 粘度随温度升高而降低，压力影响很小。 气体 粘度随温度升高而增大，压力影响很小。 但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况 下也要考虑压力的影响。 （4） 数据来源数据来源 各种流体的粘度数据，主要由实验测得。 在缺少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式估算粘度。 对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体

3、则较差。 (5) 混合物的粘度混合物的粘度 按一定混合规则进行加和 对于分子不聚合的混合液混合液可用下式计算 iim xloglog 常压下气体混合物气体混合物的粘度，可用下式计算 5 . 0 5 . 0 My My i ii m 说明：说明：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为101.325kPa、温度为20的条件下，空气、水和 甘油的动力粘度和运动粘度分别为： 空气 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s 水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s 甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s dy du dy du a （6）流体

4、类型）流体类型 牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。 气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 非牛顿型流体 a表观粘度，非纯物性, 是剪应力的函数。 假塑性流体：假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 胀塑性流体：胀塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 粘塑性流体：粘塑性流体：当应力低于0 时，不流动；当应力高于0时， 流动与牛顿型流体一样。 0 称为屈服应力。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如油漆等。 粘弹性流体：粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大

5、容器口挤出时， 挤出物会自动胀大。 如塑料和纤维生产中都存在这种现象。 0 du/d y 粘塑料流体 假塑料流体 胀塑料流体 C B A D A -牛顿流体； B -假塑性流体； C -宾汉塑性流体； D -胀塑性流体； 牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系 流体流动的类型流体流动的类型-层流及湍流层流及湍流 （1）雷诺实验雷诺实验 1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验。 D B A C 墨水流线 玻璃管 雷诺实验 （2）雷诺实验现象）雷诺实验现象 两种稳定的流动状态：层流、湍流。层流、湍流。 用红墨水观察管中水的流动状态 (a) 层流 (b) 过渡流 (

6、c) 湍流 湍流：湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动； 特征：流体质点的脉动 。 层流：层流： * 流体质点做直线运动； * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。 过渡流过渡流： 不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。 （3）实验分析）实验分析 dGdu udRe、 000 3 ReTML LT M L M T L L du 影响状态的因素： Re是量纲为一数群 圆形直管中 Re2000 稳定的层流 Re 4000 稳定的湍流 2000 Re 4000 不稳定的过渡流 （1）剪应力分布剪应力分布 rlrprp2 2 2 2

7、1 )( 2 21 pp l r 直圆管内流体的流动直圆管内流体的流动 稳态流动: 整理得： 适用于层流或湍流适用于层流或湍流 l d r R uy 流体在圆管中速度分布曲线的推导 p1 p2 h1 h2 )( 2 21max pp l R 管中心）(0r 管壁）(Rr 0 剪应力分布 max )( 2 21 pp l r dr dur rdrpp l dur)( 2 1 21 0, r uRr)( 4 22 21 rR l pp ur （2） 层流的速度分布层流的速度分布 流体在圆管内分层流动示意图 可见，层流流动的速度分布为一抛物线； 壁面处速度最小，0 管中心处速度最大 )1 ( 4 2

8、 2 2 21 R r R l pp ur 2 21 max 4 R l pp u 或 Re2000 u umax d 层流时流体在圆管中的速度分布 rdru R dAu A u rrav 2 11 2 max 2 1 uu av 2 21 8 R l pp 0 .221 8 3 0 2 23 3 rdr R r RSu dsu R av r (1 2 max ） R r uur 因此 动能校正因子： max uuav和 说明：圆管内层流流动时的几个重要关系说明：圆管内层流流动时的几个重要关系 壁面剪应力与平均流速间的关系 d l pp pp l R w 4 )( 2 21 21 d u R

9、u avav w 84 2 21 8 R l pp uav 故： （3） 湍流时的速度分布和剪应力湍流时的速度分布和剪应力 湍流描述湍流描述 主要特征：质点的脉动 瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度 AAA uuu dy du e )( 涡流粘度，涡流粘度，与流动状态有关 。 湍流时A u A u u O t tC 点A处流体质点的速度脉动曲线示意图 e Re4 000 umax ur u r R d 湍流时流体在圆管中的速度分布 nr R r u u )1( max )( e Rfn 82.0 max u u av 较常见的情况，当Re处于1.11053.2106之间时， 指数 7 1 n 此

10、时 1动能校正因子 获得方法获得方法：实测、经验公式 速度分布速度分布 u/umax Re Remax 106105104103102107 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 106105104103102107 通常可取 8 .0 max u u av 精确计算时，利用下图。 横坐标： max u u ee RR或 max, 纵坐标： 求平均流速的方法求平均流速的方法: : 速度分布未知 S q u V （层流） max 5 . 0 uu （湍流） max 8 . 0 uu 速度分布已知 边界层概念边界层概念 （1）流动边界层流动边界层 边界层的形成条件边界层的形成条件 流动； 实际流

11、体； 流过固体表面。 形成过程形成过程 流体流经固体表面； 由于粘性，接触固体表面流体的流速为零 ； 附着在固体表面的流体对相邻流层流动起阻碍作用，使其流速下降； 对相邻流层的影响，在离开壁的方向上传递，并逐渐减小。 最终影响减小至零，当流速接近或达到主流的流速时，速度梯度减少至零。 uuu 层流边界层 湍流边界层 层流内层 A x0 平板上的流动边界层 uuu 层流边界层 湍流边界层 层流内层 A x0 平板上的流动边界层 流动边界层流动边界层 流体的速度梯度主要集中在边界层内，边界层外， 向壁靠近，速度梯度增大； 湍流边界层中，速度梯度集中在层流底层。 0 dy du 流动边界层的发展流动

12、边界层的发展 平板上：平板上： 流体最初接触平板时，x=0 处，u0=0;=0； 随流体流动，x增加，增加（层流段）； 随边界层发展， x增加，增加。质点脉动，由层流向 湍流过渡，转折点距端点处为x0； 充分发展：x x0 ，发展为稳定湍流。 uuu 层流边界层 湍流边界层 层流内层 A x0 平板上的流动边界层 5 . 0 )(Re 64. 4 x x 5 . 0 x )(Re 376. 0 2 . 0 x x 8 . 0 x 65 102105Re xu x 层流： 湍流： 转折点： 边界层厚度随x增加而增加 uuu 层流边界层 湍流边界层 层流内层 A x0 平板上的流动边界层 u uu

13、 uu x0 d 圆管进口处层流边界层的发展 圆形管中：圆形管中： 测量点必须选在进口段 x0 以后，通常取 x0 =（50-100）d0 Re0575. 0 0 d x x0以后为充分发展的流动。 层流时 湍流时 不管层流还是湍流不管层流还是湍流，边界层厚度等于圆管半径。边界层厚度等于圆管半径。 完全发展了的流动：完全发展了的流动： (a）当流速较小时）当流速较小时 流体贴着固体壁缓慢流过 (爬流)。 流动边界层的分离流动边界层的分离 流体绕固体表面的流动。 (b) 流速不断提高，达到某一程度时，边界层分离流速不断提高，达到某一程度时，边界层分离 。 BA0/xpppuu BAB 、减小至、

14、增加至 0/xpppuu CBCB 、增加至、减小至CB 流体流过单球体 (c)边界层分离的条件边界层分离的条件 逆压梯度 壁面附近的粘性摩擦 (d) 边界层分离对流动的影响边界层分离对流动的影响 边界层分离大量旋涡消耗能量增大阻力。 由于边界层分离造成的能量损失，称为形体阻力损失形体阻力损失。 边界层分离使系统阻力增大。 (e) 减小或避免边界层分离的措施减小或避免边界层分离的措施 改变表面的形状， 如汽车、飞机、桥墩都是流线型。 时，发生分离1210 x x p 流体流动阻力计算流体流动阻力计算 （1 1）流体阻力的表示方法）流体阻力的表示方法 对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有

15、三种表达形式： R g R h f Rp f 阻力损失与压力差的区别：阻力损失与压力差的区别： pf 流体流经两截面间的机械能损失； p 任意两点间的压力差。 kJ/kg m Pa 二者之间的关系： fe p u zgWp 2 2 f pp 管路中的流动阻力管路中的流动阻力= =直管阻力直管阻力+ +局部阻力局部阻力 直管阻力：直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生； 局部阻力局部阻力：由于速度的大小或方向的改变而引起。 时：当000uzWe 即：水平、等径直管，无外功加入时，两截面间的阻力损失 与两截面间的压力差在数值上相等。 （2） 圆形直管内的阻力损失圆形直管内的阻力损失 在1-1和2

16、-2截面之间列机械能衡算式： up1 p2 1 1 2 2 F F d d 直圆管内阻力公式的推导 f p u pgz u pgz 22 2 2 22 2 1 11 直圆管内阻力计算公式推导直圆管内阻力计算公式推导 2121 uuzz因 f ppp 21所以 流体柱受到的与流动方向一致的推动力： 2 21 4 )(dpp 流体柱受到的与流动方向相反的阻力： dl 流体恒速流动时： dldpp 2 21 4 )( 又： f ppp 21 g u d l hf 2 2 2 2 u d l pf J/kg m Pa 2 2 u d l R 范宁公式： 范宁公式范宁公式 计算流体流动阻力的一般公式 所

17、以 d l p f 4 层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseuille方程 e Rdu u u 64648 22 d u 8 2 32 d lu p f 2 8 u 摩擦系数： （3） 摩擦系数摩擦系数 Hangen-Poiseuille方程 湍流条件下的摩擦系数 影响因素复杂，一般由实验确定。 影响因素：影响因素： 几何尺寸及形状； 表面情况 ； 流体的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量纲分析法可以得到： ),( d R e 粗糙度式中： 相对粗糙度 d 摩擦系数与Re、/l关系图 0.1 0.01 0.03 0.02 0.07 0.06 0.05 0.04 0.09 0.

18、08 0.008 0.009 102104 107106105 103 0.01 0.05 0.02 0.015 0.03 0.04 0.008 0.0045 0.002 0.0008 0.006 0.0006 0.001 0.0004 0.0002 0.0001 0.00005 0.00001 Re e/l 根据实验，得到莫狄（Moody）摩擦系数图。 摩擦系数与雷诺数和相对粗糙度的关系 层流区 Re2000 过渡区 2000Re4000 )( e R )( d ),( d R e ),( d R e 2 2 2 u u d l R （阻力平方区） 不完全湍流区 完全湍流区 湍流区 Re40

19、00 摩擦因子变化规律分析 粗糙度对的影响： 层流时：层流时：绕过突出物，对无影响。 湍流时：湍流时： 当Re较小时，层流底层厚，形体阻力小，突出物对的 影响小； 当高度湍流时，层流底层薄，突出物充分暴露，形成 较大的形体阻力，突出物对的影响大。 非圆直管中流动阻力 润湿周边长度 流通截面积 4 e d L S4 )(4水力半径 H r 几种常见非圆管的当量直径几种常见非圆管的当量直径 1）矩形流道 ba ab ba ab de 2 )(2 4 dD dD dD de )( )( )4( 4 22 例如：Blasuis公式 25. 0 Re 3164. 0 6 10Re2500光滑管 条件：条

20、件： a b 矩形流道 D d 环形流道 2）环形流道 （4） 局部阻力局部阻力 流体流经管件、阀门、测量接口、管进出口段的阻力 产生原因：产生原因：形体阻力； 确定方法：确定方法：实验，归纳出经验公式。 3）三角形流道的当量直径 d dt de 2 1 ) 84 3 (4 22 d dt 22 32 de t 式中 ： le 当量长度 Le及的获得获得：实验，见有关资料。 2 2 u d l R e 2 2 u R 0 . 1 5 . 0 式中 ： -局部阻力系数 1 1）当量长度法）当量长度法 2 2）局部阻力系数法）局部阻力系数法 突然缩小突然缩小 特例特例：突然扩大突然扩大 等径管总阻

21、力计算等径管总阻力计算 2 )( 2 u d ll R e g u d ll h e f 2 )( 2 2 )( 2 u d ll p e f （5）系统的总阻力）系统的总阻力 系统总阻力=系统各直管阻力+局部阻力 FIC P1 P2 11 22 0 C ucc选在管口外， 管道内流速选在管口内， C ucc 变径管总阻力计算变径管总阻力计算 变径管d、u、不同，需分段计算阻力 例： BCABAC RRR其中， 2 2 A A AB AAC u d l R 2 5 . 0 2 C u 2 )( 2 21 C C BC C u d l AC C C CeA A A Ru p gzWu p gz 22 2 1 2 1 2 2 A A AB AAC u d l R