化工原理課件流體力學(xué)與應(yīng)用-201109-4

1、2-f1222212112121hpugzWpugze阻力損失與流體的流動(dòng)類型、阻力損失與流體的流動(dòng)類型、流速等密切相關(guān)流速等密切相關(guān)1.4 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 1.4.2 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布1.4.3 流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層1.4.1 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 一、一、雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)1.4 流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑

2、向脈動(dòng)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間，質(zhì)點(diǎn)之間互不互不混合混合； 湍流（或紊流）湍流（或紊流） ：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合互相碰撞和混合。二、二、流型判據(jù)流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) udRe 無因次數(shù)群無因次數(shù)群 式中：式中： d管子的內(nèi)徑，其單位為管子的內(nèi)徑，其單位為m； u流體流動(dòng)的平均速度，其單位為流體流動(dòng)的平均速度，其單位為m/s；流體的密度，其單位為流體的密度，其單位為kg /m3； 流體的粘度，其單位為流體的粘度，其單位為P

3、a .s或或kg /m .s。 1. 判斷流型判斷流型Re2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000Re4000 時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是時(shí)，流動(dòng)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)。湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。* 在生產(chǎn)操作條件下，常將Re3000的情況按湍流考慮。* Re的大小不僅是作為層流與湍流的判據(jù)，而且在很多地方都要用到它。不過使用時(shí)要注意單位統(tǒng)一。* 注意d，有時(shí)是直徑，有時(shí)是別的特征長度。2.物理意義物理意義 Re反映了流體流動(dòng)中反映了流體流動(dòng)中

4、慣性力與粘性力的對比關(guān)系慣性力與粘性力的對比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。 duu/Re2慣性力慣性力u2 粘性力粘性力u/d 思考題 流體流動(dòng)分為幾種類型？流體流動(dòng)分為幾種類型？ 如何判定流體的流動(dòng)類型？如何判定流體的流動(dòng)類型？ 層流與湍流本質(zhì)區(qū)別是什么層流與湍流本質(zhì)區(qū)別是什么 雷諾數(shù)的物理意義是什么？雷諾數(shù)的物理意義是什么？ 1.4.2 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布 一、層流時(shí)的速度分布一、層流時(shí)的速度分布 l流體質(zhì)點(diǎn)只有軸向運(yùn)動(dòng)而無徑向運(yùn)動(dòng)。流體質(zhì)點(diǎn)只有軸向運(yùn)動(dòng)而無徑向運(yùn)動(dòng)。l穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)各點(diǎn)的速度沿直徑穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)各點(diǎn)的速度沿直徑存在

5、一定分布存在一定分布 管中心流速為最大，即管中心流速為最大，即r0時(shí)，時(shí)， umax u221max4)(Rlppu 2max1Rruu管截面上的平均速度管截面上的平均速度 :max22120S218)(2uRlppRrdruAVuR即即層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2。 即流體在圓形直管內(nèi)即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)層流流動(dòng)時(shí)，其速度呈時(shí)，其速度呈拋物線分布拋物線分布。二、湍流時(shí)的速度分布二、湍流時(shí)的速度分布 剪應(yīng)力剪應(yīng)力 ：yuedd)( e為湍流粘度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。為湍流粘度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。 nRruu 1max湍流速度分布

6、湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：的經(jīng)驗(yàn)式：湍流時(shí)，通過管內(nèi)各點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)速度，具有一定的湍流時(shí)，通過管內(nèi)各點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)速度，具有一定的隨機(jī)性隨機(jī)性。脈動(dòng)脈動(dòng)是湍流的是湍流的主要特征主要特征。流流 型型 滯（層）流滯（層）流 湍（紊）流湍（紊）流判判 據(jù)據(jù) Re2000 Re 4000質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況沿軸向作直線運(yùn)動(dòng)，不存在沿軸向作直線運(yùn)動(dòng)，不存在橫向混合和質(zhì)點(diǎn)碰撞橫向混合和質(zhì)點(diǎn)碰撞不規(guī)則雜亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)碰撞不規(guī)則雜亂運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)碰撞和劇烈混合。脈動(dòng)是湍流的和劇烈混合。脈動(dòng)是湍流的基本特點(diǎn)基本特點(diǎn)管內(nèi)速度分布管內(nèi)速度分布拋物線方程拋物線方程u0.5壁面處壁面處u uw=0,w=0,管中心管中心u um

7、axmax碰撞和混合使速度平均化碰撞和混合使速度平均化壁面處壁面處u uw=0,w=0,管中心管中心u umaxmax 現(xiàn)現(xiàn) 象象 方方 程程 可解析可解析 不可解析不可解析兩種流型的比較兩種流型的比較max) 9 . 082. 0(uu 層流主要特征是什么？ 湍流主要特征是什么？ 1.4.3 流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展一、邊界層的形成與發(fā)展 邊界層的形成 流體流經(jīng)一固定的平板。 理想流體： 緊靠平板表面至無限遠(yuǎn)處流體的速度 均相同。即流經(jīng)平板上的各點(diǎn)流速相同。 流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層： 實(shí)際流體： 由于具有粘性，緊貼壁面的流體必然附著于

8、物體表面上，其速度為零。近壁面的流體相繼受阻而減速 。主流區(qū)主流區(qū)邊界層區(qū)邊界層區(qū) 邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮黏度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。很大，需考慮黏度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。 主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體以忽略，可視為理想流體 。 流動(dòng)邊界層：流動(dòng)邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域， 即即流速降為主體流速的流速降為主體流速的99以內(nèi)的以內(nèi)的 區(qū)域。區(qū)域。 邊界層厚度邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。：

9、邊界層外緣與壁面間的垂直距離。邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型 轉(zhuǎn)為湍流。轉(zhuǎn)為湍流。 隨著流體向前流動(dòng)，速度受到影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。隨著流體向前流動(dòng)，速度受到影響的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。 隨著與板面法向距離的增大，板面對流體的減速作用減弱。隨著與板面法向距離的增大，板面對流體的減速作用減弱。 湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主

10、，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化； 過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)； 層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向?qū)恿鲀?nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。層層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層越薄。越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層越薄。二、二、 邊界層的分離邊界層的分離ABS A C：流道截面積減小，加速減壓（順壓梯度）；：流道截面積減小，加速減壓（順壓梯度）；C S：流道截面積增加，減速，增壓（逆壓梯度）；：流道截面積增加，減速，增壓（逆壓梯度）；S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和黏性剪應(yīng)力的作用下，點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和黏性剪應(yīng)力的作用下，速度降為速度降為0。SSSS以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離出現(xiàn)邊界層分離。邊界層分離的后果：邊界層分離的后果： 產(chǎn)生大量旋渦產(chǎn)生大量旋渦造成較大的能量損失。造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件：邊界層分離的必要條件： 流體具有粘性；流體具有粘性； 流動(dòng)過程中存在