流体流动的内部结构

1、2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔114 流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.4.1 流动的型态流动的型态142 湍流的基本特征湍流的基本特征 143 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 l l4 44 4 管内流体运动的数学描述管内流体运动的数学描述2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔21.4.1 流动的型态流动的型态 一、两种流动类型一、两种流动类型层流和湍流层流和湍流 二、流型的判据二、流型的判据雷诺数雷诺数Re fhupgzupgz2222221112ppphf21对于水平管，275. 11,upup人们发现两种规律：2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔3一、

2、两种流动类型一、两种流动类型层流和湍流层流和湍流 层流层流 ( (或滞流或滞流) ) 流体质点作直线运动，层次分明，彼此流体质点作直线运动，层次分明，彼此互不混杂互不混杂湍流湍流 ( (或紊流或紊流) ) 流体在总体上沿管道向前运动，同时还在各个流体在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向作随机的脉动方向作随机的脉动 1.4.1 流动的型态流动的型态 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔42021-11-27化学化工学院 迪丽努尔52021-11-27化学化工学院 迪丽努尔6二、流型的二、流型的判据判据雷诺数雷诺数Re 雷诺数雷诺数Re无因次的数无因次的数d管径管径 (m)(m)u平均速

3、度平均速度(m/s)(m/s)密度密度(kg/m(kg/m3 3) )粘度粘度(Pa(Pas)s)Re =du/1.4.1 流动的型态流动的型态 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔7流型的判据流型的判据 （3 3）当）当ReRe40004000时，一般都出现湍流，此为时，一般都出现湍流，此为 湍流区。湍流区。（1 1）当）当ReRe20002000时，必定出现层流，时，必定出现层流， 此为层流区；此为层流区；（2 2）当）当2000 2000 Re Re 40004000时，有时出现层流，时，有时出现层流， 有时出现湍流，依赖于环境，此为过渡区；有时出现湍流，依赖于环境，此为过渡区；2

4、021-11-27化学化工学院 迪丽努尔8142 湍流的基本特征湍流的基本特征 一、时均速度与脉动速度一、时均速度与脉动速度 二、二、湍流的强度和尺度湍流的强度和尺度 三、湍流的粘度三、湍流的粘度2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔9一、时均速度与脉动速度一、时均速度与脉动速度 速度速度=时均速度时均速度+脉动速度脉动速度uuu142 湍流的基本特征湍流的基本特征 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔10二、二、湍流的强度和尺度湍流的强度和尺度 湍流湍流 主体流动主体流动+各种大小强弱的旋涡各种大小强弱的旋涡湍流的强度湍流的强度湍流的尺度湍流的尺度两点间的相关系数两点间的相关系数u

5、uIuIxxxx/22 或0Rdyl222121xxxxuuuuR 142 湍流的基本特征湍流的基本特征 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔11三、湍流的粘度三、湍流的粘度dydu）（性无关与流动状况有关，与物142 湍流的基本特征湍流的基本特征 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔12143 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 边界层边界层 流动流动主流区主流区u=0u=099%u99%u0 0, , 流动阻力流动阻力主要集中在此一区域主要集中在此一区域. .。速度基本上不变化速度基本上不变化, u99% u0 流动阻力可以忽略流动阻力可以忽略. 2021-11-27化学化工

6、学院 迪丽努尔13边界层边界层，壁面无滑脱实际流体0边界层边界层:流动流体受固体壁面阻滞而造流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域成速度梯度的区域143 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔14边界层脱体边界层脱体143 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔151、边界层分离造成大量旋涡2、大大增加机械能消耗 边界层脱体的后果边界层脱体的后果143 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔16层流和湍流的区别层流和湍流的区别5 . 0maxuu8 . 0maxuu

7、无微团作径向运动无微团作径向运动有微团作径向运动有微团作径向运动层流层从中心到管壁层流层从中心到管壁层流内层附壁层流内层附壁dydu）（dydu无关与dhf有关与dhf1uhf275. 1uhf传热、传质慢传热、传质慢传热、传质快传热、传质快143 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体 2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔17层流和湍流的本质区别层流和湍流的本质区别是否存在速度、压强的脉动性是否存在速度、压强的脉动性2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔182021-11-27化学化工学院 迪丽努尔19l l4 44 4 管内流体运动的数学描述管内流体运动的数学描述 F F1 1 =

8、 = r r2 2p p1 1 F2 = r2p2 两端面上的压力两端面上的压力: :外表面上的剪切力外表面上的剪切力F =2=2rlrl圆柱体的重力圆柱体的重力Fg= r2lg2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔20sina = (z1-z2)/l 将所有值带入后整理得将所有值带入后整理得 流体等速运动流体等速运动, ,各力之和为零各力之和为零: :F F1 1 F F2 2 + F+ Fg g sina sina F = 0 F = 0 sina = (z1-z2)/l 将所有值带入后整理得将所有值带入后整理得 表明表明: 在管中心在管中心r=0 处处 剪应力为零剪应力为零. 在管壁在管壁r = R 处剪处剪 应力最大应力最大 一、剪应力分布一、剪应力分布= (1-2)r/2l 此式与流体性质、流动类型无关此式与流体性质、流动类型无关l l4 44 4 管内流体运动的数学描述管内流体运动的数学描述2021-11-27化学化工学院 迪丽努尔21二、速度分布二、速度分布 层流时：特征方程层流时：特征方程= du/dy边界条件：r=R时 u=0下,得:u = (1-