化工原理第一章第三節(jié)

2024/4/1第一章流體流動第三節(jié)流體流動現(xiàn)象2024/4/1第一章流體流動第三節(jié)流體流動現(xiàn)象2024/4/1一、牛頓粘性定律與流體的粘度二、流動類型與雷諾準數(shù)三、滯流與湍流的比較四、邊界層的概念2024/4/1一、牛頓粘性定律與流體的粘度2024/4/1

一、牛頓粘性定律與流體的粘度

牛頓粘性定律

流體的內(nèi)摩擦力：運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的作用力。又稱為粘滯力或粘性摩擦力。

——流體阻力產(chǎn)生的依據(jù)2024/4/1一、牛頓粘性定律與流體的粘度牛頓粘性定律2024/4/1剪應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)摩擦力，以τ表示。2024/4/1剪應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)摩擦力，以τ表示。2024/4/1——牛頓粘性定律式中：

速度梯度

比例系數(shù)，它的值隨流體的不同而不同，流體的粘性愈大，其值愈大，稱為粘性系數(shù)或動力粘度，簡稱粘度。

2024/4/1——牛頓粘性定律式中：速度梯度2024/4/12、流體的粘度

1)物理意義

促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。

粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運動時才顯現(xiàn)出來2)粘度與溫度、壓強的關(guān)系

液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強變化時，液體的粘度基本不變。氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓強增加而增加的很少2024/4/12、流體的粘度促使流體流動產(chǎn)生2024/4/1

3）粘度的單位

在SI制中：

在物理單位制中，

SI單位制和物理單位制粘度單位的換算關(guān)系為：2024/4/13）粘度的單位在物理單位制中，2024/4/14)混合物的粘度對常壓氣體混合物：

對于分子不締合的液體混合物：

5）運動粘度SI制：m2/s；物理單位制：cm2/s，用St表示。2024/4/14)混合物的粘度對于分子不締合的液體混合物2024/4/1二、流動類型與雷諾準數(shù)1、雷諾實驗

滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?024/4/1二、流動類型與雷諾準數(shù)1、雷諾實驗滯流或?qū)?024/4/12、雷諾數(shù)ReRe是一個沒有單位，沒有因次的純數(shù)，稱為準數(shù)或無因次數(shù)群

計算Re時，一定要注意各個物理量的單位必須統(tǒng)一雷諾準數(shù)可以判斷流型

流體在圓形直管內(nèi)流動時：

流體的流動類型屬于滯流

流體的流動類型屬于湍流

可能是滯流，也可能是湍流2024/4/12、雷諾數(shù)ReRe是一個沒有單位，沒有因次的2024/4/1

例：20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動，流速為2m/s，試分別用SI制和物理單位制計算Re數(shù)的數(shù)值。

解：1）用SI制計算：從附錄六查得20oC時，

ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，管徑d=0.05m，流速u=2m/s2）用物理單位制計算：2024/4/1例：20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管2024/4/1三、滯流與湍流的比較

1、流體內(nèi)部質(zhì)點的運動方式層流流動時，流體質(zhì)點沿管軸做有規(guī)則的平行運動。湍流流動時，流體質(zhì)點在沿流動方向運動的同時，還做隨機的脈動。

2024/4/1三、滯流與湍流的比較1、流體內(nèi)部質(zhì)點的運動2024/4/12、流體在圓管內(nèi)的速度分布

速度分布：流體在管內(nèi)流動時截面上各點速度隨該點與管中心的距離的變化關(guān)系。

1）圓管內(nèi)滯流流動的速度分布

作用于流體單元左端的總壓力為：作用于流體單元右端的總壓力為：

2024/4/12、流體在圓管內(nèi)的速度分布作2024/4/1作用于流體單元四周的剪力為：

2024/4/1作用于流體單元四周的剪力為：2024/4/1——滯流流動時圓管內(nèi)速度分布式

2024/4/1——滯流流動時圓管內(nèi)速度分布式2024/4/1

2）圓管內(nèi)湍流流動的速度分布

4×104<Re<1.1×105時，n=6；1.1×105<Re<3.2×106時，n=7；

Re>3.2×106時，n=10?！牧髁鲃訒r圓管內(nèi)速度分布式

2024/4/12）圓管內(nèi)湍流流動的速度分布42024/4/13、滯流和湍流的平均速度

1）滯流時的平均速度

流體的體積流量為：

滯流時，管截面上速度分布為：2024/4/13、滯流和湍流的平均速度流體的體積流量為：2024/4/1積分此式

層流時平均速度等于管中心處最大速度的一半。2024/4/1積分此式層流時平均速度等于管中心處最大速度2024/4/12）湍流時的平均速度

湍流時的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。

經(jīng)積分化簡后得：n=7時2024/4/12）湍流時的平均速度湍流時的平均速度2024/4/14、滯流和湍流中的阻力滯流流動：牛頓黏性定律

湍流流動的剪應(yīng)力：

e：稱為渦流粘度

，反映湍流流動的脈動特征，隨流動狀況及離壁的距離而變化。2024/4/14、滯流和湍流中的阻力湍流流動的剪應(yīng)力：2024/4/1圓管內(nèi)滯流與湍流的比較滯流湍流本質(zhì)區(qū)別

分層流動

質(zhì)點的脈動

速度分布

平均速度

剪應(yīng)力2024/4/1圓管內(nèi)滯流與湍流的比較滯流湍流本質(zhì)區(qū)別分層2024/4/1四、邊界層的概念

流速降為未受影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域。

邊界層：1、邊界層的形成邊界層區(qū)主流區(qū)2024/4/1四、邊界層的概念2024/4/12、邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動2024/4/12、邊界層的發(fā)展2024/4/1

2）流體在圓形直管進口段內(nèi)的流動

流體在圓管內(nèi)流動時，邊界層匯合處與管入口的距離x0稱作進口段長度，或穩(wěn)定段長度。

一般滯流時通常取穩(wěn)定段長度x0=(50-100)d，湍流時穩(wěn)定段長度約為(40-50)d。

2024/4/12）流體在圓形直管進口段內(nèi)的流動2024/4/13、邊界層的分離流速為零壓強最大A點(駐點)加速減壓B點(u→max，p→min)減速加壓C點(u=0，p→max)邊界層分離2024/4/13、邊界層的分離流速為零