流体的流动形态和阻力损失

王奇主编第二章流体的输送2.1流体力学

三、流体动力学

2.流体流动形态和阻力损失本堂课要学会：

1、知道流体流动的类型

2、掌握如何判定流体流动的类型

3、知道层流内层的概念

4、了解流体阻力的表现和来源

5、掌握减低流体阻力的途经损柏努力方程式：方程中的h损这一项为损失压头，即损失掉的能量，因为流体在流动过程中有阻力,今天我们要探讨h损这一项2、流体的流动形态和阻力损失问题1：一杯水滴入一滴黑墨水，结果怎样？结论：黑色水会慢慢散开，整杯水变黑问题2：流动的水中加入有色水会怎样呢？

做实验！

英国物理学家雷诺就做了这样的实验

任务：回去上网查一下雷诺是一个怎样的人呢？（1）流体流动的形态雷诺实验：实验装置层流湍流看录像A、流体流动的类型：层流和湍流雷诺实验结果比较

层流湍流过渡状态

空间尺度上，湍流广泛存在于陆、海、空、天、宇。自然、工程领域的绝大多数流动，乃至生命、社会、金融领域的很多现象都是湍流。在自然领域：从宇宙星系的时空演化，到星球内部的翻滚流动；从大气环流的全球运动，到江河湖泊的区域流动；从恣意汪洋的潮汐涌浪，到林里山间的雾霾溪流。在工程领域：从陆地、海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计。在生命领域：从动物体内气血的流动，到细胞内物质的输运；在社会学领域：从长途迁徙的群居动物，到繁忙拥挤的车流交通；从瞬息万变的金融市场，到混乱无序的市场经济。到处都是湍流的身影。

小知识～为什么要研究湍流

时间尺度上，湍流作为牛顿经典力学体系里的最后一个难题，一直挑战着人类智慧的极限。相传，量子力学开创者之一海森堡曾说他要带着两个问题去见上帝：广义相对论和湍流；美国著名科学家费曼将湍流称为“经典物理学中最后一个尚未解决的重大难题；2005年，国际顶级学术杂志《科学》(SCIENCE)在庆祝其创刊125周年之际，公布了125个最前沿的科学问题，其中至少两个问题与湍流相关；2012年度国家最高科学技术奖获得者郑哲敏院士联名国内其它4位院士指出：21世纪力学发展的第一个大问题是湍流。小知识～为什么要研究湍流小知识小知识湍流大家并行攻关难题的足迹

科学和艺术向来只有一线之隔，文艺复兴时期的达·芬奇无疑是湍流研究的先驱，甚至可以说是开创者。而湍流的科学概念，最早由英国著名物理学家雷诺于1883年提出，自此以后的130年以来，一大批世界顶级物理学家、应用数学家、流体力学家和工程师为探索湍流付出了巨大努力，产生了大量思想，但湍流至今尚未取得实质性突破。这些科学巨匠包括但不限于：泰勒（20世纪物理学泰斗）、普朗特（现代流体力学之父，钱学森师爷）、冯.卡门（航空航天时代的科学奇才，钱学森导师），韦纳·海森堡和李政道（诺贝尔奖得主），Komolgorolov（前苏联最著名的数学家，湍流唯象理论的奠基人)，Kraichnan（爱因斯坦博士后，现代湍流分析理论开创者），周培源（爱因斯坦博士后，著名理论物理学家，北京大学前校长，湍流模式理论泰斗）、U.Frish（当代湍流界泰斗、法国科学院院士、恩师的导师）。梳理已有理论成果，我们发现绝大多数、包括被认为是很重要的成果都是针对理想湍流的。但真实世界并不存在理想湍流，对理想湍流的研究解决不了真实湍流问题。这既源于针对理想湍流所采用的假设在真实湍流场根本不能满足，但源于均匀各项同性湍流这一理想模型没有保留真实湍流的本质。鉴于此，近年周恒院士、张涵信院士、佘振苏教授等呼吁加强对真实湍流的研究。雷诺准数为了确定流体的流动型态，雷诺通过改变实验介质、管材及管径、流速等实验条件，做了大量的实验，并对实验结果进行了归纳总结。流体的流动型态主要与流体的密度ρ、粘度μ、流速u和管内径d等因素有关，并可以用这些物理量组成一个数群，称为雷诺准数（Re），用来判定流动型态。雷诺准数，无单位。Re大小反映了流体的湍动程度，Re越大，流体流动湍动性越强。计算时只要采用同一单位制下的单位，计算结果都相同。B、流体流动类型的判定：一般情况下，流体在管内流动时，若Re<2000时，流体的流动型态为层流；若Re>4000时，流动为湍流；而Re在2000～4000范围内，为一种过渡状态。可能是层流也可能是湍流。在过渡区域，流动型态受外界条件的干扰而变化，如管道形状的变化、外来的轻微震动等都易促成湍流的发生，在一般工程计算中，Re>2000可作湍流处理。

当管内流体做湍流流动时，管壁处的流速也为零，靠近管壁处的流体薄层速度很低，仍然保持层流流动，这个薄层称为层流内层。层流内层的厚度随雷诺准数Re的增大而减薄，但不会消失。层流内层的存在，对传热与传质过程都有很大的影响。

C、湍流流体中的层流内层问题1：流体流动的类型有哪些？回答：层流和湍流问题2：如何判定流体流动的类型？回答：用Re准数，若Re<2000时，层流若Re>4000时，湍流问题3：层流内层是一个什么概念？回答：无论流体的湍流程度多大，在靠近管壁处总是有一层层流层存在。这层层流层称为层流内层。1、（）流体的流动形态是用雷诺总准数来判断的。2、（）管内流体是湍流时所有的流体都是湍流

3、影响流体流动状态的因素有(

)、(

)、(

)和(

)。

流体密度

4、流体在圆管内作湍流流动时，管壁处仍为滞流，称为滞流内层，一般滞流内层随雷诺数的增大而_____。

A，减薄

B，加厚

C，不变5、某油品流经某管道，流量为1810kg/h，钢管内径为40mm，油品粘度为10mN.s/m2，密度为800kg/m3，试求油品流动时的流动状态。

√×管道直径流体流速流体粘度A课堂练习

Re反映了流体的流动的湍动程度，Re值越大，湍动程度越大，内摩擦力也越大，所以流体阻力的大小与Re值有直接的关系。A、流体阻力的表现和来源（2）流体流动的阻力表现：看实验

同学们请思考：该实验说明什么问题？

1截面与2截面之间列柏努利方程，可得出什么结论？结论：流体阻力致使静压能下降

·流体的内摩擦力---流体分子之间作相对运动时产生的摩擦力。（流体内部分子之间存在着吸收力，流体对管壁的附着力）流体的流动状态---与流体质点的大小和方向有关，速度越大，阻力越大，方向变化越多，阻力也越大。管壁的粗糙程度、管子的长度、直径及管路上的管件等因素均对阻力的大小有影响。来源：

b、流体阻力的计算方法：流体阻力可分为：直管阻力：流体流过直管的阻力；局部阻力：流体流过管路中的管件；如三通、弯头等）、阀门、及流量计等的阻力。局部阻力的计算方法：当量长度法和阻力系数法（不作介绍）c、减小阻力的途径：原因：流体通过管路时的流体阻力越大，能量损失也越大，操作费用也越大。途径：○在能满足生产需要的情况下，尽量缩短长度，并尽量减少管件及阀门的数量；