流体流动现象课件

1、流体流动现象存在问题：存在问题：212222121122fehpugzwpugz1122AABB选择截面所用的符号要与柏努利方程下标一致！选择截面所用的符号要与柏努利方程下标一致！必须选择衡算截面！必须选择衡算截面！BfABBBeAAAhpugzwpugz2222流体流动现象 一、牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律与流体的粘度 牛顿粘性定律牛顿粘性定律第三节第三节 流体流动现象流体流动现象 流体的内摩擦力：流体的内摩擦力：运动着的流体内部运动着的流体内部相相邻两流体层间的作用邻两流体层间的作用力。力。又称为又称为粘滞力或粘滞力或粘性摩擦力。粘性摩擦力。 流体阻力产生的流体阻力产生的依据依

2、据流体流动现象SyuFSyuF剪应力：剪应力：单位面积上的内摩擦力，以单位面积上的内摩擦力，以表示。单位：表示。单位：N/m2,即即Pa。SFyu流体流动现象dydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：式中： ：dydu速度梯度速度梯度： 比例系数，它的值随流体的不同而不同，流比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数粘性系数或或动力粘度动力粘度，简，简称称粘度粘度。 流体流动现象2、流体的粘度、流体的粘度 1)物理意义物理意义dydu 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，

3、粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来只有在运动时才显现出来 2)粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系 a) 液体的粘度随液体的粘度随温度升高而减小温度升高而减小，压强变化时，液体，压强变化时，液体的粘度基本不变。的粘度基本不变。流体流动现象 b)气体的粘度随气体的粘度随温度升高而增大温度升高而增大，随压强增加而增加，随压强增加而增加的很少。的很少。3）粘度的单位）粘度的单位 在在SI制中：制中： dydu/msmPa)/(sPa 在物理单位制中，粘度的单位为：在物理单位制中，粘度的单位为：泊，符号表示：泊，符号表示：P.换算关系为：换算关系为： PcPsPa1010001流

4、体流动现象4) 混合物的粘度混合物的粘度对常压气体混合物：对常压气体混合物： 2121iiiiimMyMy对于分子不缔合的液体混合物对于分子不缔合的液体混合物 ：iimxlglg流体流动现象 5）运动粘度）运动粘度v 单位：单位： SI制：制：m2/s； 物理单位制：物理单位制：cm2/s，称为斯托克斯，简称称为斯托克斯，简称“沲沲”，用，用St表示。表示。smcStSt/10100124流体流动现象二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数1、雷诺实验、雷诺实验 滞流或层流滞流或层流湍流或紊流湍流或紊流1小瓶，小瓶，2细管，细管，3水箱水箱4水平玻璃管，水平玻璃管， 5阀门，阀门，6溢流装

5、置溢流装置 流体质点沿着与管轴平行流体质点沿着与管轴平行的方向作直线运动，与周围流的方向作直线运动，与周围流体间无宏观的混合。体间无宏观的混合。 流体质点除了沿管道向前运动流体质点除了沿管道向前运动外，还作不规则的杂乱运动，且外，还作不规则的杂乱运动，且彼此相互碰撞与混合。彼此相互碰撞与混合。流体流动现象2、雷诺数、雷诺数ReduRe雷诺数的因次雷诺数的因次 ：duRe 23/msNmkgsmm000skgmRe是一个没有单位，没有因次的纯数是一个没有单位，没有因次的纯数 。在计算在计算Re时，一定要注意各个物理量的时，一定要注意各个物理量的单位必须统一单位必须统一。数群数群:凡是几个有内在联

6、系的物理量按无因次条件组合起来的凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的 数群，称为准数或无因次数群。数群，称为准数或无因次数群。 223/mssmkgmkgsmm流体流动现象时，当2000Re 流体的流动类型属于流体的流动类型属于滞流滞流 ；时，当4000Re 可能是滞流，也可能是湍流，与外可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。界条件有关。过渡区过渡区时，4000Re2000流体的流动类型属于流体的流动类型属于湍流湍流； 例：例：20C的水在内径为的水在内径为50mm的管内流动，从附录五查得的管内流动，从附录五查得20C时，时，=998.2kg/m3，=1.005mPa.s。求水

7、在管内做滞。求水在管内做滞流流动时的临界流速。流流动时的临界流速。2000du解：由临界流速临界流速smdu/0403. 02 .998105010005. 12000200033流体流动现象三、滞流与湍流的比较三、滞流与湍流的比较 1、流体内部质点的运动方式、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层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。平行运动。湍流流动时，流体质点在沿流动方向湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做运动的同时，还做随随 机的脉动机的脉动。 湍流的特征是出现速度的脉动。湍流的特征是出现速度的脉动。 流体流动现象2. 流体在圆管内的速度分布流

8、体在圆管内的速度分布无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，管壁处速度为零，到管中无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，管壁处速度为零，到管中心处速度最大。心处速度最大。滞流滞流:速度沿管径按抛物线的规律分布，截面上各点速度的平均值速度沿管径按抛物线的规律分布，截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度等于管中心处最大速度umax的的0.5倍。倍。 22max1Rruurmax5 . 0 uu 滞流滞流湍流湍流流体流动现象湍流湍流: 截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，所以速度分布曲线不再是严格的抛物线。所以速度分布曲线不再是

9、严格的抛物线。nrRruu1max1湍流流动时圆管内速度分布式湍流流动时圆管内速度分布式 通常遇到的情况下，通常遇到的情况下，湍流时的平均速度湍流时的平均速度大约等于管中心处大约等于管中心处最大速度的最大速度的0.82倍。倍。为精确起见，可借助为精确起见，可借助u/umax与与Re、Remax的的关系曲线进行计算。关系曲线进行计算。 流体流动现象3. 流体在直管内的流动阻力流体在直管内的流动阻力 滞流滞流: 流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦。流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦。 湍流湍流:流动阻力包括流体自身粘性而引起的内摩擦力以及流体内流动阻力包括流体自身粘性而引起

10、的内摩擦力以及流体内部大大小小的旋涡所引起的附加阻力。部大大小小的旋涡所引起的附加阻力。 4、滞流和湍流中的剪应力、滞流和湍流中的剪应力 滞流流动的剪应力滞流流动的剪应力 ：dyduAF 湍流流动的剪应力：湍流流动的剪应力： dydu ：称为涡流粘度称为涡流粘度 ，反映湍流流动的脉动特征，反映湍流流动的脉动特征 ，随流动，随流动状况及离壁的距离而变化。状况及离壁的距离而变化。 流体流动现象圆管内滞流与湍流的比较圆管内滞流与湍流的比较(1)滞流滞流湍流湍流本质区别本质区别 分层流动分层流动 质点的脉动质点的脉动 速度分布速度分布 22max1Rruur)7(11maxnRruunr平均速度平均速

11、度 max21uu )7(82. 0maxnuu剪应力剪应力 dydudydu流体流动现象两种流型的比较两种流型的比较(2)沿管的轴向作直线运沿管的轴向作直线运动，不存在横向混合动，不存在横向混合和质点的碰撞和质点的碰撞流型流型滞流（层流）滞流（层流）湍流（紊流）湍流（紊流）判据判据Re 2000Re4000流体内部质点流体内部质点运动情况运动情况不规则杂乱运动，质点碰不规则杂乱运动，质点碰撞和混合，流体质点产生撞和混合，流体质点产生脉动。脉动是湍流的基本脉动。脉动是湍流的基本特点特点.管截面上速度分布管截面上速度分布 抛物线方程抛物线方程管中心流速最大，管壁处管中心流速最大，管壁处流速为流速

12、为0碰撞和混合使管中心处速碰撞和混合使管中心处速度平均化度平均化,管壁处流速为管壁处流速为0，管中心流速最大管中心流速最大流体在直管中流体在直管中的流动阻力的流动阻力流体内部的内摩擦力，遵流体内部的内摩擦力，遵循牛顿粘性定律循牛顿粘性定律粘性应力粘性应力+湍流应力湍流应力流体流动现象u0u0u0u0uuu1.3.3 边界层的概念边界层的概念 1、边界层的形成、边界层的形成边界层边界层: 在壁面附近存在着较大速度梯度的流体层，称为流在壁面附近存在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层，简称边界层动边界层，简称边界层 。即流速降为未受影响流速的。即流速降为未受影响流速的99%以以内的区域内的区域

13、。 主流区主流区: 边界层以外，粘性不起作用，即速度梯度可视为零的区边界层以外，粘性不起作用，即速度梯度可视为零的区域，称为流体的外流区或主流区域，称为流体的外流区或主流区 主流区主流区边界层区边界层区流体流动现象层流边界层层流边界层湍流边湍流边界层界层边界层界限边界层界限层流底层层流底层xcu0u0u0 x2、边界层的发展、边界层的发展1）流体在平板上的流动）流体在平板上的流动 随着流动路程的增长，边界层逐渐增厚；随着流动路程的增长，边界层逐渐增厚； 在在xc之后之后,边界层内的流动由滞流变为湍流。此后的边界层边界层内的流动由滞流变为湍流。此后的边界层称为湍流边界层。称为湍流边界层。 在湍流

14、边界层内靠近壁面附近存在一层做滞流流动的流体在湍流边界层内靠近壁面附近存在一层做滞流流动的流体层层,称为滞流内层（或层流底层）称为滞流内层（或层流底层）.在平板的前缘在平板的前缘xc之前，称为层流（滞流）边界层；之前，称为层流（滞流）边界层；流体流动现象 2）流体在圆形直管进口段内的流动）流体在圆形直管进口段内的流动 流 体 在 圆 管流 体 在 圆 管内流动时，边界内流动时，边界层汇合处与管入层汇合处与管入口的距离称作进口的距离称作进口段长度，或口段长度，或稳稳定段长度定段长度。 一 般 滞 流 时一 般 滞 流 时通常取稳定段长通常取稳定段长度度x0=(50-100)d，湍流时稳定段长湍流

15、时稳定段长度约于度约于(40-50)d。 x0R滞流边界层滞流边界层湍流边界层湍流边界层x0R完全发展了的流动完全发展了的流动流体流动现象4、边界层的分离、边界层的分离A点点流速为零流速为零压强最大压强最大驻点驻点加速减压加速减压B点点(umax，pmin)减速加压减速加压C点点(u=0，pmax)边界层分离边界层分离流体流动现象界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为形体阻力形体阻力。 粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这粘性流体绕过

16、固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这两者之和又称为两者之和又称为局部阻力局部阻力。 流体流动现象 流动阻力流动阻力产生的根源产生的根源 流体具有粘性，流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力流动时存在内部摩擦力. 管路中的阻力管路中的阻力直管阻力直管阻力 ：局部阻力：局部阻力： 流体流经一定管径的直管时由流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力于流体的内摩擦而产生的阻力 流体流经管路中的管件、阀门及流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。地方所引起的阻力。fhfhfh 第四节第四节 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力

17、fhfhfh流体流动现象:fh单位质量流体流动时所损失的机械能，单位质量流体流动时所损失的机械能，J/kg。 ：fH单位重量流体流动时所损失的机械能单位重量流体流动时所损失的机械能 ，m。:fh单位体积的流体流动时所损失的机械能单位体积的流体流动时所损失的机械能 ，Pa 。是流动阻力引起的是流动阻力引起的压强降压强降。)(fP注意注意：fP与柏努利方程式中两截面间的压强差与柏努利方程式中两截面间的压强差 P的区别的区别fepWPuZg22fepuZgWPPP2212)(fP以以表示，表示，ghHfffppuZgWepuZg2222121122流体流动现象 表示的不是增量，而表示的不是增量，而P

18、中的中的表示表示增量；增量； 2、一般情况下，、一般情况下，P与与Pf在在数值上不相等；数值上不相等；注意：注意：fP只是一个只是一个符号符号 ；fP并不是两截面间的压强差并不是两截面间的压强差 ，P1.3、只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管、只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管 内内 流动时，流动时， P与压强降与压强降Pf在绝对数值上才相等。在绝对数值上才相等。流体流动现象一、流体在一、流体在圆形直管圆形直管中的流动阻力中的流动阻力 1、计算圆形直管阻力的通式、计算圆形直管阻力的通式 12luu22udlhPff22udlhf圆形直管阻力所引圆形直管阻力所引起能量损失的通式起能量损失的通式称为称为范宁公式。范宁公式。范宁公式对于滞流或湍流都适用范宁公式对于滞流或湍流都适用 为无因次的系数，称为为无因次的系数，称为摩擦因数摩擦因数 。)/(Re,df流体流动现象2、管壁粗糙度对摩擦系数的影响、管壁粗糙度对摩擦系数的影响 化工管路化工管路光滑管光滑管 粗糙管粗糙管 玻璃管、黄铜管、塑料管玻璃管、黄铜管、塑料管 钢管、铸铁管钢管、铸铁管 管壁粗糙度管壁粗糙度 绝对粗糙度绝对粗糙度 相对粗糙度相对粗糙度 壁面凸出部分