化工原理课件流体力学与应用-201109-4

1、2-f1222212112121hpugzWpugze阻力损失与流体的流动类型、阻力损失与流体的流动类型、流速等密切相关流速等密切相关1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.4.1 流体的流动型态流体的流动型态 1.4.2 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布1.4.3 流体流动边界层流体流动边界层1.4.1 流体的流动型态流体的流动型态 一、一、雷诺实验雷诺实验1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构 层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点方向作直线运动，质点无径

2、向脉动无径向脉动，质点之间，质点之间互不互不混合混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，流动外，还有径向脉动还有径向脉动，各质点的速度在大小和方，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点向上都随时变化，质点互相碰撞和混合互相碰撞和混合。二、二、流型判据流型判据雷诺准数雷诺准数 udRe 无因次数群无因次数群 式中：式中： d管子的内径，其单位为管子的内径，其单位为m； u流体流动的平均速度，其单位为流体流动的平均速度，其单位为m/s；流体的密度，其单位为流体的密度，其单位为kg /m3； 流体的粘度，其单位为流体的粘度，其单位为P

3、a .s或或kg /m .s。 1. 判断流型判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000Re4000 时，流动可能是层流，也可能是时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。湍流，该区称为不稳定的过渡区。* 在生产操作条件下，常将Re3000的情况按湍流考虑。* Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都要用到它。不过使用时要注意单位统一。* 注意d，有时是直径，有时是别的特征长度。2.物理意义物理意义 Re反映了流体流动中反映了流体流动中

4、惯性力与粘性力的对比关系惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。标志着流体流动的湍动程度。 duu/Re2惯性力惯性力u2 粘性力粘性力u/d 思考题 流体流动分为几种类型？流体流动分为几种类型？ 如何判定流体的流动类型？如何判定流体的流动类型？ 层流与湍流本质区别是什么层流与湍流本质区别是什么 雷诺数的物理意义是什么？雷诺数的物理意义是什么？ 1.4.2 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布 一、层流时的速度分布一、层流时的速度分布 l流体质点只有轴向运动而无径向运动。流体质点只有轴向运动而无径向运动。l稳态流动时，管内各点的速度沿直径稳态流动时，管内各点的速度沿直径存在

5、一定分布存在一定分布 管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即r0时，时， umax u221max4)(Rlppu 2max1Rruu管截面上的平均速度管截面上的平均速度 :max22120S218)(2uRlppRrdruAVuR即即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 即流体在圆形直管内即流体在圆形直管内层流流动层流流动时，其速度呈时，其速度呈抛物线分布抛物线分布。二、湍流时的速度分布二、湍流时的速度分布 剪应力剪应力 ：yuedd)( e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。为湍流粘度，与流体的流动状况有关。 nRruu 1max湍流速度分布

6、湍流速度分布的经验式：的经验式：湍流时，通过管内各点的流体质点速度，具有一定的湍流时，通过管内各点的流体质点速度，具有一定的随机性随机性。脉动脉动是湍流的是湍流的主要特征主要特征。流流 型型 滞（层）流滞（层）流 湍（紊）流湍（紊）流判判 据据 Re2000 Re 4000质点运动情况质点运动情况沿轴向作直线运动，不存在沿轴向作直线运动，不存在横向混合和质点碰撞横向混合和质点碰撞不规则杂乱运动，质点碰撞不规则杂乱运动，质点碰撞和剧烈混合。脉动是湍流的和剧烈混合。脉动是湍流的基本特点基本特点管内速度分布管内速度分布抛物线方程抛物线方程u0.5壁面处壁面处u uw=0,w=0,管中心管中心u um

7、axmax碰撞和混合使速度平均化碰撞和混合使速度平均化壁面处壁面处u uw=0,w=0,管中心管中心u umaxmax 现现 象象 方方 程程 可解析可解析 不可解析不可解析两种流型的比较两种流型的比较max) 9 . 082. 0(uu 层流主要特征是什么？ 湍流主要特征是什么？ 1.4.3 流体流动边界层流体流动边界层一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展 边界层的形成 流体流经一固定的平板。 理想流体： 紧靠平板表面至无限远处流体的速度 均相同。即流经平板上的各点流速相同。 流体在平板上流动时的边界层：流体在平板上流动时的边界层： 实际流体： 由于具有粘性，紧贴壁面的流体必然附着于

8、物体表面上，其速度为零。近壁面的流体相继受阻而减速 。主流区主流区边界层区边界层区 边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑黏度的影响，剪应力不可忽略。很大，需考虑黏度的影响，剪应力不可忽略。 主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体以忽略，可视为理想流体 。 流动边界层：流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，存在着较大速度梯度的流体层区域， 即即流速降为主体流速的流速降为主体流速的99以内的以内的 区域。区域。 边界层厚度边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。：

9、边界层外缘与壁面间的垂直距离。边界层流型：层流边界层和湍流边界层。边界层流型：层流边界层和湍流边界层。层流边界层层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型离平板前沿一段距离后，边界层内的流型 转为湍流。转为湍流。 随着流体向前流动，速度受到影响的区域逐渐扩大。随着流体向前流动，速度受到影响的区域逐渐扩大。 随着与板面法向距离的增大，板面对流体的减速作用减弱。随着与板面法向距离的增大，板面对流体的减速作用减弱。 湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主

10、，径向传递因速度的脉动而大大强化；传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当； 层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。传递只能依赖分子运动。层层流内层为传递过程的主要阻力流内层为传递过程的主要阻力Re越大，湍动程度越高，层流内层越薄。越大，湍动程度越高，层流内层越薄。二、二、 边界层的分离边界层的分离ABS A C：流道截面积减小，加速减压（顺压梯度）；：流道截面积减小，加速减压（顺压梯度）；C S：流道截面积增加，减速，增压（逆压梯度）；：流道截面积增加，减速，增压（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和黏性剪应力的作用下，点：物体表面的流体质点在逆压梯度和黏性剪应力的作用下，速度降为速度降为0。SSSS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离出现边界层分离。边界层分离的后果：边界层分离的后果： 产生大量旋涡产生大量旋涡造成较大的能量损失。造成较大的能量损失。边界层分离的必要条件：边界层分离的必要条件： 流体具有粘性；流体具有粘性； 流动过程中存在