流体流动的内部结构

优选流体流动的内部结构目前一页\总数五十六页\编于十五点1、雷诺实验一、流动的型态目前二页\总数五十六页\编于十五点目前三页\总数五十六页\编于十五点现象：流体分层流动，层次分明彼此互不混杂本质：层流流体层依靠分子的热运动传递动量、热量和质量应用：牛顿粘性定律工程上遇到的层流流动不多,仅有粘度大的液体（如重油）输送、毛细管以及多孔介质中的流体流动（1）层流或滞流

（streamline,laminarorviscousflow）目前四页\总数五十六页\编于十五点现象：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本质：湍流时流体通过分子的热运动和质点的随机运动来传递动量、热量和质量应用：工程中遇到的大多数流动为湍流（2）湍流或紊流turbulentflow：目前五页\总数五十六页\编于十五点流型对流体中发生的动量、热量和质量的传递的效果有不同的影响实验表明：管流流动的几何尺寸（管径d）、流动的平均速度及流体性质（密度和粘度）对流型流型有影响2、流型flowpattern的判据

——雷诺数Re（Reynoldsnumber)目前六页\总数五十六页\编于十五点（1）雷诺数的定义：无因次的数群无量纲数群量纲分析目前七页\总数五十六页\编于十五点a、当Re＜2000：层流区b、当Re＞4000：湍流区c、当2000＜Re＜4000：过渡区transition

有时层流，有时湍流，与环境有关

无稳定的过渡流存在（2）流型的判据目前八页\总数五十六页\编于十五点（3）雷诺数的意义准数或无量纲数群：几个有内在联系的物理量按无量纲条件组合（非任意拼凑）起来的数群既反映所包含的各物理量之间的内在关系，又能模型某一现象或过程的一些本质目前九页\总数五十六页\编于十五点Re的变形：Re：表征惯性力与粘性力之比流体的速度大或粘性小，Re便大，湍动程度愈剧烈即：惯性力加剧湍动，粘性力抑制湍动目前十页\总数五十六页\编于十五点稳定的平衡状态任何一个系统如受到一个瞬时的扰动，使其偏离原有的平衡状态，而在扰动消失后，该系统能自动恢复原有平衡状态的不稳定的平衡状态如果在扰动消失后该系统自动地进一步偏离原平衡状态（4）稳定性概念：对于瞬时扰动而言目前十一页\总数五十六页\编于十五点层流是一种平衡状态（当Re＜2000时）当Re超过2000时，是否出现湍流决定于外界的扰动当Re＞4000时，则微小的扰动就可以触发流型的转变Re＝2000不是判别流型的判据，而是层流稳定性的判据实际上出现何种流型还与扰动的情况有关目前十二页\总数五十六页\编于十五点（5）注意：a、三个区：层流区、过渡区、湍流区，两种流型：层流、湍流b、稳定性和定态性的区别：定态性：运动参数随时间的变化情况稳定性：系统对外界扰动的响应目前十三页\总数五十六页\编于十五点c、非圆形管的当量直径de

化工生产中流体流经的通道并非都是圆形截面的目前十四页\总数五十六页\编于十五点工程处理：

当量直径equivalentdiameter

定义：目前十五页\总数五十六页\编于十五点例题：对同心套管环隙中的流动，被流体润湿的周边长度包括环隙外周边和内周边，则其当量直径de为<问题>：正方形和长方形管道的当量直径？目前十六页\总数五十六页\编于十五点二、湍流的基本特征（1）质点的高频无规则脉动randomfluctuatingmotion（2）湍流的流动阻力远远大于层流（3）圆管中湍流的速度分布和层流有区别目前十七页\总数五十六页\编于十五点1、时均速度与脉动速度目前十八页\总数五十六页\编于十五点定义：瞬时流速在时间间隔T内的平均值：特点：a、湍流时的定态流动：当时间间隔足够长，时均速度与所取的时间间隔无关b、湍流的其他流动参数（如压强p、T、ρ等）也可时均化流动参数的时均化：一种处理方法（1）时均速度meanvelocity目前十九页\总数五十六页\编于十五点定义：因脉动而高于或低于时均速度的部分

实际的湍流流动：在一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量＝瞬时流速

…时均速度和脉动速度的关系

（2）脉动流速：目前二十页\总数五十六页\编于十五点脉动速度特点一个可正可负的随机量脉动速度的时均值为零湍流瞬时流速的测定：热线风速仪、激光测速仪时均速度的测定：毕托管目前二十一页\总数五十六页\编于十五点（1）湍流强度intensityofturbulence：定义：用脉动速度的均方根值表示如x方向：数值：与旋涡的旋转速度和所包含的机械能有关大小：对无障碍物的湍流流场，I＝0.5％～2％在障碍物后的高度湍流区，I＝5％～10％2、湍流的强度和尺度：目前二十二页\总数五十六页\编于十五点与旋涡大小有关，它是以相邻两点的脉动速度是否有相关性为基础来度量的相关系数R定义：两点脉动速度的相关程度大小介于0～1之间，与两点相距有关，数值越大，两脉动速度之间的相关性越显著（2）湍流尺度scaleofturbulence：目前二十三页\总数五十六页\编于十五点湍流尺度定义：近似地等于旋涡的直径或连续旋涡中心的距离与流体流经系统的尺寸有关，最大旋涡的直径受管径影响。同一设备中的湍流，随Re数的增加，湍流尺度降低目前二十四页\总数五十六页\编于十五点层流：只有轴向速度而无径向速度牛顿型流体服从牛顿粘性定律其粘度μ反映了分子引力和分子运动造成的动量传递。粘度是流体的物理性质。湍流：脉动速度加速了径向的动量、热量和质量的传递动量的传递不再服从牛顿粘性定律湍流时动量的传递不仅起因于分子运动，且来源于流体质点的横向脉动速度3、湍流粘度目前二十五页\总数五十六页\编于十五点定义：

湍流粘度μ’的特点：与粘度μ完全不同，不再是流体的物性表述速度脉动的一个特征，它随不同流场及离壁的距离而变化目前二十六页\总数五十六页\编于十五点三、边界层

及边界层分离目前二十七页\总数五十六页\编于十五点LudwigPrandtl（1875－1953）德国工程学教授1904年发表的重要论文提出边界层理论FatherofModernFluidMechanicsorAerodynamicTheory

目前二十八页\总数五十六页\编于十五点这个理论解释了之前许多富有争议的问题，并随后可用仪器分析更复杂的流动这个理论被评价为:流体力学最重要的贡献边界层理论不仅在流体力学中的地位非常高，而且在传热、传质过程中也非常重要目前二十九页\总数五十六页\编于十五点（1）边界层的定义目前三十页\总数五十六页\编于十五点a、主流区（外流区、流体主体）远离壁面的大部分区域以惯性力为主速度梯度＝0（速度基本不变）其中的流体阻力可以忽略流场可分为两个区域：目前三十一页\总数五十六页\编于十五点流速降为未受壁面影响流速（来流速度u0）的99％以内的区域壁面附近很薄的一层流体需考虑流体粘性造成的粘性力作用速度梯度很大流动阻力主要集中的区域b、边界层目前三十二页\总数五十六页\编于十五点（2）边界层的组成层流边界层streamlineboundarylayer在壁面的前一段边界层内的流型为层流湍流边界层turbulentboundarylayer离平壁前缘若干距离边界层内的流型转为湍流厚度较快地扩展目前三十三页\总数五十六页\编于十五点TurbulentBoundaryLayer目前三十四页\总数五十六页\编于十五点（3）边界层的发展管流：入口段有边界层内外之分。在汇合时，若边界层内流动是滞流，则以后的管流为滞流目前三十五页\总数五十六页\编于十五点速度分布沿管长不断变化，至汇合点处速度分布才发展为定态流动时管流的速度分布入口段中因未形成确定的速度分布，若进行传热、传质等传递过程，其规律与一般定态管流有所不同进口段长度entrylength流动达到充分发展的管长层流：l/d=0.05Re，湍流l=40~50d（4）人口段L0：目前三十六页\总数五十六页\编于十五点（1）层流内层laminarsublayer近壁处速度脉动很小，湍流粘度μ’远小于分子粘度μ可忽略湍流粘度的影响，流动仍保持层流特征即使在高度湍流条件下，近壁面处仍有一薄层保持着层流特征2、湍流时的层流内层和过渡区目前三十七页\总数五十六页\编于十五点（2）过渡层（缓冲区）：在湍流区和层流内层间此层中分子粘度和湍流粘度数值相当，对流动都有影响为简化起见，常忽略过渡层目前三十八页\总数五十六页\编于十五点3、边界层的分离现象目前三十九页\总数五十六页\编于十五点（2）结果：旋涡区：柱体的后部（液体回流）产生大量旋涡形体阻力（曳力）

a、流道扩大时必造成逆压强梯度

b、逆压强梯度容易造成边界层的分离

c、边界层分离造成大量旋涡，大大增加机械能消耗目前四十页\总数五十六页\编于十五点目前四十一页\总数五十六页\编于十五点Variationofdragcoefficient

withReynoldsnumberforasphere

目前四十二页\总数五十六页\编于十五点IanThrope:

鲨鱼皮泳衣材料：硅酮树脂薄膜原理：流体力学的应用——压塑肌肉的摆动作用：减少形体阻力、表面摩擦力目前四十三页\总数五十六页\编于十五点国际泳联2009年3月14日宣布限制泳手穿着高科技泳衣

2008年打破的108项世界纪录中79项是由穿着Speedo公司制造的LZRRacer泳衣(又称“鲨鱼皮”)的泳手刷新售价550美元仅能使用6次每人准备20件目前四十四页\总数五十六页\编于十五点目前四十五页\总数五十六页\编于十五点鱼鳞形状是阻力最小的表面（非平面）目前四十六页\总数五十六页\编于十五点目前四十七页\总数五十六页\编于十五点四、圆管内流体运动的数学描述1、流体的力平衡目前四十八页\总数五十六页\编于十五点2、剪应力分布shearstress

a、剪应力分布与流动截面的几何形状有关b、在圆形直管内剪应力与半径r成正比r=0处，剪应力＝0r=R处，剪应力最大目前四十九页\总数五十六页\编于十五点3、层流时的速度分布velocityprofile

目前五十页\总数五十六页\编于十五点目前五十一页\总数五十六页\编于十五点4、层流时的平均速度和动能校正系数哈根-泊谡叶公式Hage-Poiseuillelaw即圆管内作层流流动时的平均速度为管中心最大速度的一半=2.0目前五十二页\总数五十六页\编于十五点5、湍流时圆管内沿流的速度分布湍流核心部分的动量传递比层流时大得多速度分布被拉平，与层流相比较为均匀。湍流时的速度分布：运动情况复杂只能借助于实验数据经验关系