流動現(xiàn)象分析(多媒體教案).ppt

1、第1頁,主要內(nèi)容： 1.4.1 粘度和牛頓粘性定律 1.4.2 流體流動類型與雷諾數(shù) 1.4.3 流體在圓管中的速度分布 1.4.4 流動邊界層,第2頁,1.4.1 粘度和牛頓粘性定律 1.4.1.1 牛頓粘性定律,P9-P11,第3頁,P9-P11,1）定性分析 兩層平板間的液體可以看成許多平行于平板的流體層，層與層之間存在著速度差，即各液層之間存在著相對運動，形成了上大下小的速度分布，并呈線性分布。 在流體內(nèi)部產(chǎn)生的作用力，通常稱為內(nèi)摩擦力,第4頁,2）定量分析 實驗證明，對于一定的流體，剪切力F 與兩流體 層的速度差 d 成正比，與兩層之間的垂直距離 dy 成 反比，與兩層間的接觸面積A

2、 成正比,即 法向速度梯度 即在與流體流動方向相垂直的y 方向流體 速度的變化率,P9-P11,第5頁,在流體內(nèi)部產(chǎn)生的并在流體層之間相互作用的 力F，稱為剪切力（或者內(nèi)摩擦力）。 比例系數(shù)：稱為粘性系數(shù)，或稱為動力粘 度，簡稱為粘度。 牛頓粘性定律：表示的是流體層間的內(nèi)摩擦力F 或剪應力與法向速度梯度成正比。表征流體流動 過程的特征方程。（問：流體的流型層流,P9-P11,第6頁,1.4.1.2 動量傳遞 牛頓粘性定律 為單位體積流量的動量 為動量梯度,P9-P11,第7頁,因此剪應力可看作單位時間單位面積的動量，稱 為動量傳遞速率,P9-P11,第8頁,1.4.1.3 粘度 （1）定義：流

3、體在流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱 為流體的粘性。表征流體粘性大小的物理量。 （2）物理意義：流體流動時在與流動方向垂直的方 向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應力。 （3）因素： 液體： 氣體： 對于高壓氣體,P9-P11,第9頁,4）單位： SI制：Pas 物理單位制：cP、P 換算關系：1cP=10-2 P=10-3 PaS （5）來源 對于純組分，可直接查圖表 對于混合物 常壓下的氣體混合物,P9-P11,第10頁,液體混合物： （6）運動粘度 定義式： 單位：SI制： CGS制： 運動黏度也是流體的物理性質(zhì),P9-P11,第11頁,1.4.1.4 流體的分類 （1）依據(jù)牛頓粘性定律的符合程度

4、 牛頓型流體：剪應力與速度梯度的關系符合牛頓 粘性定律的流體，包括氣體和大部分液體 非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體，如 高分子溶液。 （2）依據(jù)粘性的大小 理想流體：黏度為零的流體；自然界中將黏度較 小的流體如水和空氣等在某些情況下視為理想流體 實際流體：具有粘性的流體,P9-P11,第12頁,1.4.2 流體流動類型與雷諾數(shù) 1.4.2.1 實驗,P26-P32,第13頁,1）層流（或滯流）：流體質(zhì)點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，質(zhì)點無徑向脈動，質(zhì)點之間互不混合。 （2）湍流（或紊流）：流體質(zhì)點除了沿管軸方向的向前流動外，還有其他方向的脈動，質(zhì)點的速度在大小和方向上都隨時變化，質(zhì)

5、點互相碰撞和混合,P26-P32,第14頁,1）判斷流型 Re2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)； Re4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)； 2000 Re 4000 時，流動可能是層流，也可 能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū),1.4.2.2 雷諾數(shù),無量綱的特征數(shù) 無因次數(shù)群,P26-P32,第15頁,2）物理意義 Re 反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關系，標志著流體流動的湍動程度。 Re 數(shù)值愈大，流體的湍動程度愈劇烈,討論,P26-P32,第16頁,1.4.3 流體在圓管中的速度分布 1.4.3.1 流體在圓管中層流時的速度分布 （1）產(chǎn)生原因,P26-P32,第17頁,

6、2）速度分布方程式 水平、等徑、勻速、層流的液柱,P26-P32,流體流動方向,剪切力F,第18頁,P26-P32,第19頁,3）對速度分布方程式的應用 最大流速： 流量： 平均流速,P26-P32,第20頁,壓力降： 此方程稱為哈根泊謖葉方程，是表示流體在直管內(nèi)作層流流動時壓力損失的計算式,P26-P32,第21頁,1.4.3.2 流體在圓管中湍流的速度分布 （1）產(chǎn)生原因,P26-P32,第22頁,由于質(zhì)點的脈動、碰撞、混合，使得湍流動量傳 遞較層流大得多，此時剪應力已不能用牛頓粘性定律 來表示，但仍可寫成： 式中：e 稱為湍流黏度，不是流體的物性，反映 的是質(zhì)點脈動所造成的動量傳遞，與流

7、體的流動狀況 有關。 問題：湍流黏度和黏度的區(qū)別,P26-P32,第23頁,2）速度分布方程式 適用條件：流體在光滑圓管內(nèi)湍流流動的速度 分布，1.1105 Re 3.2106,P26-P32,第24頁,3）湍流內(nèi)部結(jié)構分析,P26-P32,第25頁,湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向 傳遞因速度的脈動而大大強化； 過渡層：分子粘度與湍流粘度相當； 層流內(nèi)層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向 傳遞只能依賴分子運動。 層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力 Re越大，湍動程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄,P26-P32,第26頁,1.4.4 流動邊界層 1.4.4.1 邊界層及形成 （1）邊界層的定

8、義 壁面附近速度變化較大的區(qū)域，即在垂直于流體流動方向上產(chǎn)生了速度梯度，稱為邊界層。流動阻力主要集中在此區(qū)域,P26-P32,第27頁,離壁面較遠，速度基本不變（速度變化不大）的 區(qū)域，其中的流動阻力可以忽略不計，一般是將速度 達到主體流速的99%之處規(guī)定為兩個區(qū)域的分界線。即從速度為零至速度等于主體速度的99%的區(qū)域?qū)儆谶吔鐚臃秶?P26-P32,第28頁,2）邊界層的形成 平板上邊界層的形成,P26-P32,第29頁,平板上邊界層的分類,P26-P32,第30頁,圓管內(nèi)邊界層的形成,P26-P32,第31頁,討論： 充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑； 進口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分。 也分為層流

9、邊界層與湍流邊界層,進口段長度： 層流： 湍流,P26-P32,第32頁,1.4.4.2 邊界層分離,P,P26-P32,第33頁,1）分析 當流體流過曲面，會出現(xiàn)邊界層從固體表面脫離的現(xiàn)象，并在脫離處產(chǎn)生旋渦，產(chǎn)生了能量損失。 A點：u=0，p最大 C點：u最大，p減小 （AC 順壓梯度,P26-P32,s,P,第34頁,S點：u=0，p增加（CS逆壓梯度） S點：u=0（離壁面稍遠的流體） 若將流體中速度為 零的各點連成一線ss，這線與邊界層上緣之間的區(qū) 域即為脫離了物體的邊界層,s,A,P,第35頁,2）討論： 邊界層分離的必要條件 流體具有粘性； 流動過程中存在逆壓梯度。 邊界層分離的后果 產(chǎn)生大量旋渦； 造成較大的能量損失,P26-P32,第36頁,1.4.4.3 邊界層分離實例 單根圓管外邊界層分離 彎頭邊界層分離 管束繞流邊界層分離 三通處的邊界層分離 漸縮漸擴邊界層分離 進出口邊界層分離,P26-P32,第37頁