化工原理管內流體流動現象

化工原理管內流體流動現象第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

1.3管內流體流動現象

1.3.1流體的粘度

1.3.2流體的流動型態(tài)

1.3.3流體在圓管內的速度分布1.3.4流體流動邊界層第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.3.1流體的粘度一、牛頓粘性定律

或式中：F——內摩擦力，N；

τ——剪應力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；μ——比例系數，稱為流體的粘度，Pa·s。

Fuu＋dudy第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一牛頓型流體：剪應力與速度梯度的關系符合牛頓

粘性定律的流體；非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。

第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、流體的粘度（動力粘度）1.粘度的物理意義

流體流動時在與流動方向垂直的方向上產生單位速度梯度所需的剪應力。粘度的物理本質：分子間動量傳遞。

分子間作用力和分子碰撞。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一液體:T↑→↓氣體:一般T↑→↑超高壓p↑→↑第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關系1cP＝10-3Pa·s第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3.運動粘度

粘度μ與密度ρ的之比。m2/s第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一一、雷諾實驗1.3.2流體的流動型態(tài)第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

層流（或滯流）：流體質點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，質點無徑向脈動，質點之間互不混合；

湍流（或紊流）：流體質點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質點的速度在大小和方向上都隨時變化，質點互相碰撞和混合。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、流型判據——雷諾準數

無因次數群（1）第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.判斷流型Re≤2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時，一般出現湍流，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)。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.物理意義

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。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一一、層流時的速度分布

1.3.3流體在圓管內的速度分布速度分布：流體在管內流動時,管截面上質點的速度隨半徑的變化關系。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一由壓力差產生的推力

流體層間內摩擦力

第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一勻速運動物體受的合力為零：第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一管壁處r＝R時，u＝0，可得速度分布方程（2）第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.管中心流速為最大，即r＝0時，u＝umax

2.流體在圓形直管內層流流動時，其速度呈拋物面分布。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一管截面上的平均速度:層流流動平均速度為管中心最大速度的1/2。

第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一（3）哈根－泊謖葉方程第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一二、湍流時的速度分布

剪應力：e為湍流粘度，與流體的流動狀況有關。

湍流速度分布的經驗式：第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一一、邊界層的形成與發(fā)展

流動邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，即流速降為主體流速的99％以內的區(qū)域。邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。1.3.4流體流動邊界層第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一流體在平板上流動時的邊界層：

第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一邊界層區(qū)（邊界層內）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應力不可忽略。主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應力可以忽略，可視為理想流體。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內的流型轉為湍流。

第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一流體在圓管內流動時的邊界層

第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑；進口段內有邊界層內外之分。也分為層流邊界層與湍流邊界層。進口段長度：層流：湍流：第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一湍流流動時：第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一湍流主體：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?！獙恿鲀葘訛閭鬟f過程的主要阻力Re越大，湍動程度越高，層流內層厚度越薄。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一ABS二、邊界層的分離第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一A→C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減?。槈禾荻龋?；C→S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；S點：物體表面的流體質點在逆壓梯度和粘性剪應力的作用下，速度降為0。SS’以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒