流体流动现象

1、化工原理化工原理主讲教师：主讲教师：3 管内流体流动现象管内流体流动现象一、粘性与粘度一、粘性与粘度 设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充设有上下两块平行放置而相距很近的平板，两板间充满着静止的液体，如图满着静止的液体，如图所示。所示。x u=0yu 运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的互作用力，称为流体的内摩擦力内摩擦力或粘滞力。流体运动时内摩擦力或粘滞力。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。的大小，体现了流体粘性的大小。1 1、粘性、粘性 决定流体流动内摩擦力大小的物理性质称为粘性

2、决定流体流动内摩擦力大小的物理性质称为粘性 内摩擦力又称为粘性应力内摩擦力又称为粘性应力。 所以，粘性是分子运动的宏观表现。所以，粘性是分子运动的宏观表现。粘性的物理性质来自两个方面：粘性的物理性质来自两个方面：（1 1）相邻两流体层分子间的吸引力）相邻两流体层分子间的吸引力（2 2）分子运动时发生的相互碰撞）分子运动时发生的相互碰撞 2、牛顿粘性定律、牛顿粘性定律1）体积力与表面力）体积力与表面力 体积力：作用于流体每个质点，其大小与流体体积力：作用于流体每个质点，其大小与流体的质量成正比。如重力、离心力。的质量成正比。如重力、离心力。 表面力：作用与流体的某一截面的力，其大小表面力：作用与

3、流体的某一截面的力，其大小与该截面面积成正比。与该截面面积成正比。 垂直于表面的表面力垂直于表面的表面力压力，单位面积上的压力，单位面积上的压力为压强。压力为压强。 平行于表面的表面力平行于表面的表面力剪力，单位面积上的剪力，单位面积上的剪力为剪应力或应力。剪力为剪应力或应力。 实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称为实验证明，两流体层之间单位面积上的内摩擦力（或称为剪应力）剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度成正比。与垂直于流动方向的速度梯度成正比。yxu u=0uy u/u/ y y表示速度沿法线方向表示速度沿法线方向上的变化率或速度梯度。上的变化率或速度梯度。2）牛顿粘性定律）牛

4、顿粘性定律 dydu对大多数流体，粘性应力的大小与两流体间的速度差成对大多数流体，粘性应力的大小与两流体间的速度差成正比，与两流体间的垂直距离成反比。正比，与两流体间的垂直距离成反比。 dydu牛顿顿粘性定律 牛顿型流体牛顿型流体 服从牛顿粘性定律的流体。服从牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体非牛顿型流体 不服从牛顿粘性定律的流体不服从牛顿粘性定律的流体3 3、粘度、粘度流体的粘度流体的粘度是流体固有的一种物理性质。是流体固有的一种物理性质。温度和压力对粘度的影响如下：温度和压力对粘度的影响如下： 温度升高温度升高 压力增大压力增大液体的粘度液体的粘度 降低降低 变化可以不计变化可以不计气体的粘

5、度气体的粘度 升高升高 常压下可不计，极高压常压下可不计，极高压 或极低压下不能不计或极低压下不能不计 sPa2s/mNmm/s2N/m dy/du s/cmdyncmcm/s2dyn/cm dy/du粘度的单位：粘度的单位： SI单位制：单位制：物理单位制：物理单位制：1cPP10s1mPa-2 单位换算：单位换算： 运动粘度运动粘度：流体粘度：流体粘度与密度与密度之比称为运动粘度，之比称为运动粘度，用符号用符号表示表示 / 其单位为其单位为m2/s。而。而CGS单位制中，其单位为单位制中，其单位为cm2/s，称为斯托克斯，用符号称为斯托克斯，用符号St表示。表示。 二、二、流体流动流体流动

6、现象现象1 1、雷诺实验、雷诺实验1 1- -小瓶小瓶 2 2- -细管细管 3 3- -水箱水箱 4 4- -水平玻璃管水平玻璃管 5 5- -阀门阀门 6 6- -溢流装置溢流装置q流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。流速小时，有色流体在管内沿轴线方向成一条直线。表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动，各层之间没有质点的迁移。线运动，各层之间没有质点的迁移。q当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有色细当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，有色细流便出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动；流便出现波动而成波浪形

7、细线，并且不规则地波动； q速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现速度再增，细线的波动加剧，整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著均匀的颜色。显然，此时流体的流动状况已发生了显著地变化。地变化。 2、流体流动型态、流体流动型态（1） 层流层流(laminar flow)或滞流或滞流（viscous flow） 流体管轴平行的方向严格作流体管轴平行的方向严格作直线运动，整个管的流体就如一直线运动，整个管的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动层一层的同心圆筒在平行地流动，层次分明，彼此互不混杂，层次分明，彼此互不混杂 。（2）湍流）湍流(turbulent

8、flow)或紊流或紊流 流体总体上沿管道向前流动流体总体上沿管道向前流动，同时，各质点还在各方向上作，同时，各质点还在各方向上作随机脉动，且伴随质点间互相碰随机脉动，且伴随质点间互相碰撞与混合。撞与混合。影响流体流动类型的因素：影响流体流动类型的因素：流体的流速流体的流速u ；管径管径d；流体密度流体密度；流体的粘度流体的粘度。 u、d、越大，越大，越小，就越容易从层流转变为湍流。越小，就越容易从层流转变为湍流。上述中四个因素所组成的复合数群上述中四个因素所组成的复合数群du/，是判断流体，是判断流体流动类型的准则。流动类型的准则。3、流体流动型态的判据、流体流动型态的判据duRe粘度粘度流速

9、流速密度密度直径直径雷诺准数或雷诺数雷诺准数或雷诺数(Reynolds number)，用，用Re表示表示 0003223TML)(L(M)LM)(L)(L()L(/LM)LM)(L)(L( duRe雷诺准数的因次雷诺准数的因次 Re Re 数是一个无因次数群。数是一个无因次数群。大量实验表明：大量实验表明：Re2000，流动类型为层流；，流动类型为层流；Re4000，流动类型为湍流；，流动类型为湍流；2000Re4000，流动类型不稳定，可能是，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。与外界干扰情况有关。 无论是层

10、流还是湍流，在管道任意截面上，流体无论是层流还是湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度均沿管径而变化，管壁处速度为零，离开质点的速度均沿管径而变化，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。道截面上的分布规律因流型而异。圆管内速度分布圆管内速度分布（a）滞流）滞流 （b）湍流）湍流 三、管内流体的速度分布三、管内流体的速度分布作用于圆管中流体上的力作用于圆管中流体上的力 设流体在半径为设流体在半径为R R 的水平直管段内作层流流的水平直管段内作层流流动，取流体元：长为动，取流体元：长为l l 、

11、半径为、半径为r r。 分析受力，得到分析受力，得到 f2212()pprpr 层流时剪应力服从牛顿黏性定律层流时剪应力服从牛顿黏性定律ddrrur 作用在流体柱上的阻力为作用在流体柱上的阻力为dd22ddrrruuSrlrlrr 流体作等速运动时，推动力与阻力大小必相流体作等速运动时，推动力与阻力大小必相等，方向必相反，故等，方向必相反，故2fd2druprrlr fdd2rpur rl 积分上式的边界条件：积分上式的边界条件：当当r=r时，时，ur=ur； 当当r=R(在管壁处在管壁处)时，时，ur=0。22f()4rpuRrl 上式为流体在圆管内作层流流动时的速度分布上式为流体在圆管内作

12、层流流动时的速度分布表达式。它表示在某一压强降表达式。它表示在某一压强降pf之下，之下，ur与与r的关的关系为抛物线方程。系为抛物线方程。图1-19 圆管内速度分布 (a) 滞流 一、流体在圆管内层流流动时的速度分布管截面平均速度管截面平均速度 sVuA2f8ipuRl 管截面体积流量管截面体积流量 sr02dRVu r r22f()4rpuRrl代入积分，得代入积分，得管截面平均速度管截面平均速度 当当r=0时，管中心处的速度为最大流速，即时，管中心处的速度为最大流速，即2fmax4puRl层流时圆管截面平均速度与最大速度的关系为max2uu比较2f8ipuRl 与管截面平均速度 湍流时，流

13、体质点的运动情况比较复杂，目前湍流时，流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律。律。u/umax与与Re、Remax的关系的关系平板上的流动边界层平板上的流动边界层 四、边界层的概念四、边界层的概念边界层壁面附近速度梯度较大的流体层。主流区边界层之外，速度梯度接近于零的区域。一、边界层的形成远离壁面的大部分区域壁面附近的一层很薄的流体层 实际流体与固体壁面间相对运动 速度变化很小速度变化很小可视为理想流可视为理想流体体必须考虑黏滞力的必须考虑黏滞力的影响，由于流体的影响，由于流体的黏性作用，存在速黏性作用，存在速度梯度度梯度一、边界层的形成 边界层的一个重要特点是，在某些情况下，边界层的一个重要特点是，在某些情况下，会出现边界层与固体壁面相脱离的现象。会出现边界层与固体壁面相脱离的现象。 此时边界层内的流体会倒流并产生旋涡，此时边界层内的流体会倒流并产生旋涡，导致流体的能量损失。此种现象称为导致流体的能量损失。此种现象称为边界层分边界层分离离，它是黏性流体流动时能量损失的重要原因，它是黏性流体流动时能量损失的重要原因之一。之一。 产生边界层分离的必要条件是：流体具有产生边界层分离的必要条件是：流体具有黏性和流动过程中存在逆压