化工原理管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

化工原理管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

1.3管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

1.3.1流體的粘度

1.3.2流體的流動(dòng)型態(tài)

1.3.3流體在圓管內(nèi)的速度分布1.3.4流體流動(dòng)邊界層第2頁(yè)，共32頁(yè)，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(nèi)摩擦力，N；

τ——剪應(yīng)力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；μ——比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pa·s。

Fuu＋dudy第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)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(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、流體的粘度（動(dòng)力粘度）1.粘度的物理意義

流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。粘度的物理本質(zhì)：分子間動(dòng)量傳遞。

分子間作用力和分子碰撞。第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一液體:T↑→↓氣體:一般T↑→↑超高壓p↑→↑第6頁(yè)，共32頁(yè)，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(guān)系1cP＝10-3Pa·s第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.運(yùn)動(dòng)粘度

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

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)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；

湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，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)互相碰撞和混合。第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

無(wú)因次數(shù)群（1）第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.判斷流型Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000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(guò)渡區(qū)。第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.物理意義

反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的對(duì)比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、層流時(shí)的速度分布

1.3.3流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí),管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由壓力差產(chǎn)生的推力

流體層間內(nèi)摩擦力

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

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

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

剪應(yīng)力：e為湍流粘度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。

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

流動(dòng)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(nèi)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(dòng)邊界層第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：

第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，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)力可以忽略，可視為理想流體。第24頁(yè)，共32頁(yè)，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(nèi)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(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。

第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層

第26頁(yè)，共32頁(yè)，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(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分。也分為層流邊界層與湍流邊界層。進(jìn)口段長(zhǎng)度：層流：湍流：第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一湍流流動(dòng)時(shí)：第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；過(guò)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，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。——層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ABS二、邊界層的分離第30頁(yè)，共32頁(yè)，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，壓力逐漸減小（順壓梯度）；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(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)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