《化工原理》课件 章节1-4流体流动的内部结构

1、第 1 章 流体流动与输送机械1.4 流体流动的内部结构1.4.1 流体的流动形态1.4.2 流体在圆管内的 速度分布2022/8/241.4.1流体的流动形态1.4.1.1两种流型:层流和湍流 滞流或层流湍流或紊流2022/8/24层流:流体质点仅沿着与管轴方向向前作直线运动,流体分成若干层平行向前,质点之间互不混合。湍流:流体质点在沿管轴方向运动的同时，还做其他方向的脉动,质点速度的大小与方向均随时发生变化,质点互相碰撞和混合。 2022/8/241.4.1.2 雷诺数Re雷诺数的因次 ：Re是一个没有单位，没有因次的纯数 。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。实验研究发现，

2、圆管内流型由层流向湍流的转变不仅与流速u有关，而且还与流体的密度、粘度 以及流动管道的直径d有关。将这些变量组合成一个数群du/，根据该数群数值的大小可以判断流动类型。这个数群称为雷诺准数，用符号Re表示，即2022/8/24雷诺准数可以判断流型 流体在圆形直管内流动时： 流体的流动类型属于滞流 ；流体的流动类型属于湍流； 可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。过渡区三个区域两种流型2022/8/24若将雷诺数形式变为：u2与惯性力成正比，u/d与粘性力成正比，由此可见，雷诺准数的物理意义是流动流体惯性力与粘性力之比。反映流体流动的湍动程度,其值愈大,流体的湍动程度愈剧烈.它在研究动量传递

3、、热量传递和质量传递中非常重要。2022/8/24例：20C的水在内径为50mm的管内流动，流速为2m/s，试分别用SI制和物理制计算Re数的数值。解：1）用SI制计算：从附录二（P261）查得20C时， =998.2kg/m3，=1.005mPa.s， 管径d=0.05m，流速u=2m/s，2022/8/242）用物理单位制计算：2022/8/241.4.2 流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心的距离的变化关系。1.4.2.1 层流时的速度分布(1)速度分布方程2022/8/24作用于流体单元右端的总压力为： 作用于流体单元四周的剪应力为： 作用于流

4、体单元左端的总压力为：2022/8/24代入上式得：滞流流动时圆管内速度分布式 2022/8/24(2) 流量流体的体积流量为： 滞流时，管截面上速度分布为：2022/8/24积分上式2022/8/24(3) 平均流速2022/8/241.4.2.2 圆管内湍流流动的速度分布 4104Re1.1105时，n=1/6； 1.1105Re3.2106时，n=1/10 。湍流流动时圆管内速度分布式 2022/8/241/7方律 通常遇到的情况下，湍流时的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。 2022/8/244）滞流和湍流中的剪应力滞流流动的剪应力 ： 剪应力：单位时间通过单位面积的动量，

5、即动量通量。 湍流流动的剪应力： e：称为涡流粘度 ，反映湍流流动的脉动特征 ，随流动状况及离壁的距离而变化。 2022/8/24圆管内滞流与湍流的比较滞流湍流本质区别 分层流动 质点的脉动 速度分布 平均速度 剪应力 2022/8/241.4.2.3 边界层的概念 1）边界层的形成边界层：流速降为未受影响流速的99%以内的区域 。 边界层区主流区2022/8/242）边界层的发展流体在平板上的流动 2022/8/24对于滞流边界层： 对于湍流边界层： 边界层内的流动为滞流 ；边界层内的流动为湍流； 在平板前缘处，x=0，则=0。随着流动路程的增长，边界层逐渐增厚；随着流体的粘度减小，边界层逐渐减薄。2022/8/24 流体在圆形直管进口段内的流动 流体在圆管内流动时，边界层汇合处与管入口的距离称作进口段长度，或稳定段长度。 一般滞流时通常取稳定段长度x0=(50-100)d，湍流时稳定段长度约于(40-50)d。 2022/8/243)边界层的分离A点流速为零 压强最大驻点加速减压B点(umax，pmin)减速加压C点(u=0，pmax)边界层分离2022/8/242022/8/24由此可见：流道扩大时必造成逆压强梯度逆压强梯度容易造成边界层的分离边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗 流体沿着壁面流