化工原理：第一章 流体力学基础.ppt

1.6.1 流体流动的类型---层流及湍流1、雷诺试验1883年, 英国物理学家Osbone Reynolds作了如下实验DBAC墨水流线玻璃管雷诺实验1.6 1.6 流体流动阻力流体流动阻力2、雷诺试验现象、雷诺试验现象两种稳定的流动状态：层流、湍流层流、湍流用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流湍流：湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动 特征：流体质点的脉动 层流层流： * 流体质点做直线运动 * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞 * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力 过渡流过渡流：不是独立流型（层流+湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变） 生产中，一般避免过渡流型下操作生产中，一般避免过渡流型下操作3、实验分析、实验分析（1）影响状态的因素： d , u , ρ ，ηRe是无因次数群： （2）圆形直管中 Re≤2000 稳定稳定的层流 Re ≥4000 稳定稳定的湍流2000＜ Re ＜ 4000 不稳定不稳定的过渡流（1）剪应力分布 1.6.2  流体在圆管内的流动流体在圆管内的流动(研究剪应力分布、流速分布研究剪应力分布、流速分布)稳态流动稳态流动整理得：——适用于层流或湍流（2） 层流的速度分布 层流时剪应力分布可见，层流流动的速度分布为一抛物线； 壁面处速度最小，0 管中心处速度最大※ 圆管内层流流动时的几个重要关系 ① uav 和 umax因此动能校正因子②② 壁面剪应力与平均流速间的关系壁面剪应力与平均流速间的关系 故：① 湍流描述 主要特征：质点的脉动，有漩涡运动；任意点速度随T变化 瞬时速度= 时均速度+ 脉动速度 涡流粘度，与流动状态有关 湍流时:（（3）） 湍流条件的速度分布和剪应力湍流条件的速度分布和剪应力 较常见的情况, 当Re处于1.1X105~3.2X106之间时，指数此时动能校正因子获得方法获得方法：实测、经验公式②② 速度分布速度分布书书P35 图图1.6.11：给出算图，查取平均流速横坐标：求平均流速的方法求平均流速的方法: 1、速度分布未知 2、速度分布已知纵坐标：Re≥4000umaxururRd湍流时流体在圆管中的速度分布 3）湍流流动时，管道中流体层的分布 n影响： Re愈大，δb愈小；n层流内层对传热和传质影响重大，4 4、管内湍流流动知识简介、管内湍流流动知识简介管道中间大部分区域：湍流主体，du/dr小，混合均匀,靠近管壁一薄层流体：层流内层，u慢，du/dr很大,两者之间：过渡层.1.6.3  流体流动边界层流体流动边界层1、流动边界层（1）边界层的形成条件 流动 实际流体 流过固体表面（2） 形成过程 流体流经固体表面 由于粘性，接触固体表面流体的流速为零 附着在固体表面的流体对相邻流层流动起阻碍作用，使其流速下降 对相邻流层的影响，在离开壁的方向上传递，并逐渐减小。

最终影响减小至零，当流速接近或达到主流的流速时，速度梯度减少至零u∞u∞u∞层流边界层湍流边界层层流内层Ax0δ平板上的流动边界层1.4.2 边界层及边界层理论边界层及边界层理论 ￿ u￿ ￿ ￿ u uX0u∞u∞u∞层流边界层湍流边界层层流内层Ax0δ平板上的流动边界层（3）流动边界层Ø流体的速度梯度主要集中在边界层内，边界层外，du/dy≈0Ø向壁靠近，速度梯度增大(du/dy)max≈∞Ø湍流边界层中，速度梯度集中在层流底层（4）流动边界层的发展 平板上：–流体最初接触平板时，x=0 处，u0=0;δ=0–随流体流动，x增加，δ增加（层流段）–随边界层发展， x增加，δ增加质点脉动，由层流向湍流过渡转折点距端点处为x0–充分发展：x> x0 ，发展为稳定湍流u∞u∞u∞层流边界层湍流边界层层流内层Ax0δ平板上的流动边界层u∞u∞u∞层流边界层湍流边界层层流内层Ax0δ平板上的流动边界层层流：湍流：转折点：边界层随x增加而δ增厚u∞uu∞∞uu∞x0δδδd圆管进口处层流边界层的发展圆形管中：测量点必须选在进口段x0以后，通常取x0 =（50-100）d0Xo以后为充分发展的流动。

层流湍流不管层流还是湍流，边界层厚度等于半径边界层厚度等于半径① 当流速较小时 流体贴着固体壁缓慢流过，（爬流）（5）流动边界层的分离流体绕固体表面的流动：② 流速不断提高，达到某一程度时，边界层分离 边界层分离现象边界层分离现象 ( (Boundary layer separation)Boundary layer separation)倒流 分离点u0 D AC’CBxAB：流道缩小，顺压强梯度，加速减压BC：流道增加，逆压强梯度，减速增压CC’以上：分离的边界层CC’以下：在逆压强梯度的推动下形成倒流，产生大量旋涡边界层分离现象 (Boundary layer separation)流体流过管束流体流过管束流体流过管束流体流过管束流体流过圆管流体流过圆管流体流过圆管流体流过圆管③ 边界层分离的条件▲ 逆压梯度 ； ▲ 壁面附近的粘性摩擦④ 边界层分离对流动的影响• 边界层分离--大量旋涡--消耗能量--增大阻力由于边界层分离造成的能量损失，称为形形体体阻阻力力损损失失边界层分离使系统阻力增大• 减小或避免边界层分离的措施–调解流速，选择适宜的流速–改变固体的形体。

如汽车、飞机、桥墩都是流线型（1）流体阻力的表示方法 对应于机械能衡算的三种形式，流体阻力损失亦有三种表达形式阻力损失与压力差的区别：阻力损失与压力差的区别： △Pf——流体流经两截面间的机 械能损失； △P——任意两点间的压力差kJ/kgmPa1.6.4  流体流动阻力计算流体流动阻力计算二者之间的关系：当 We=0, △z=0, △u=0 时：管路中的流动阻力=直管阻力+局部阻力直管阻力：由于流体和管壁之间的摩擦而产生局部阻力：由于速度的大小或方向的改变而引起（（2））  圆形直管内的阻力损失圆形直管内的阻力损失 （1） 范宁公式 流体流动阻力----流体与壁面间的摩擦力J/kgmPa（1）层流时的摩擦系数及Hangen-Poiseuille方程摩擦系数：3. 摩擦系数摩擦系数——Hangen-Poiseuille方程     （（2）） 湍流条件下的摩擦系数湍流条件下的摩擦系数 影响因素复杂，一般由实验确定 影响因素：Ø 几何尺寸及形状；Ø 表面情况 ；Ø 流体的物性，如 密度，粘度等；Ø 流速的大小。

利用量纲分析法量纲分析法可以得到： 式中 ——粗糙度 ——相对粗糙度1 1、量纲分析法、量纲分析法流动阻力量纲分析方法：减少实验工作量、实验结果推广应用一般实验方法：实验量大、实验结果不能推广应用（（1）量纲分析的理论基础）量纲分析的理论基础：物理方程中的各项都具有相同的量纲，即量纲一致的原则2）） 定理：定理：    N---量纲为一数群的数目；n----物理量的数目；m----表达物理量的基本量纲数目流动阻力表示成为幂函数（（3）量纲分析方法：）量纲分析方法：n=7 m =3 则 N =4若设b、q、i为已知，则Eu---欧拉数欧拉数 Re和和Eu的物理意义：的物理意义： * 无量纲数群的组合不唯一， * 建立在对过程的基本分析基础上， * 不能代替实验， 具体函数关系由实验获得， * 其根本作用，是减少实验工作量对量纲分析法的认识对量纲分析法的认识（3） 摩擦系数图Ø 层流区 Re≤2000 Ø 过渡区 2000＜Re≤4000Ø 湍流区： Re＞4000 不完全湍流区 完全湍流区 （阻力平方区）（（6）非圆直管中流动阻力）非圆直管中流动阻力几种常见非圆管的当量直径 1）矩形流道）矩形流道 2）环形流道）环形流道 2、局部阻力、局部阻力 指：指： 产生原因产生原因： 计算方法计算方法：管件、阀门、测量接口、管进出口段形体阻力实验，归纳出经验公式3）三角形流道的当量直径）三角形流道的当量直径(5) 局部阻力局部阻力 式中 ： le----当量长度 Le及的获得获得：实验，见有关资料。

书P47-50特例特例：1、突然扩大、突然扩大             2、突然缩小、突然缩小管口内管口外 式中 ： ----局部阻力系数  （（1）等径管总阻力计算）等径管总阻力计算3、系统的总阻力、系统的总阻力  系统总阻力系统总阻力=系统各直管阻力系统各直管阻力+局部阻力局部阻力FICPi1Pi21122(2) 变径管总阻力计算变径管总阻力计算 变径管d,u,λ不同，需分段计算阻力例：作业：作业：P77   12,  16。