第四節(jié)流體流動(dòng).ppt

1、存在問(wèn)題：,選擇截面所用的符號(hào)要與柏努利方程下標(biāo)一致！,必須選擇衡算截面！,一、牛頓粘性定律與流體的粘度,牛頓粘性定律,第三節(jié) 流體流動(dòng)現(xiàn)象,流體的內(nèi)摩擦力：運(yùn)動(dòng)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),剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力，以表示。單位：N/m2,即Pa。,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(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度。,2、流體的粘度 1)物理意義,促使流體流動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái) 2)粘度與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系 a) 液體的

2、粘度隨溫度升高而減小，壓強(qiáng)變化時(shí)，液體的粘度基本不變。,b)氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓強(qiáng)增加而增加的很少。 3）粘度的單位 在SI制中：,在物理單位制中，粘度的單位為：泊，符號(hào)表示：P.,換算關(guān)系為：,4) 混合物的粘度 對(duì)常壓氣體混合物：,對(duì)于分子不締合的液體混合物 ：,5）運(yùn)動(dòng)粘度,單位： SI制：m2/s； 物理單位制：cm2/s，稱為斯托克斯，簡(jiǎn)稱“沲”，用St表示。,二、流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù),1、雷諾實(shí)驗(yàn),滯流或?qū)恿?湍流或紊流,1小瓶，2細(xì)管，3水箱 4水平玻璃管， 5閥門，6溢流裝置,流體質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，與周圍流體間無(wú)宏觀的混合。,流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管道向前運(yùn)

3、動(dòng)外，還作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，且彼此相互碰撞與混合。,2、雷諾數(shù)Re,雷諾數(shù)的因次 ：,Re是一個(gè)沒(méi)有單位，沒(méi)有因次的純數(shù) 。 在計(jì)算Re時(shí)，一定要注意各個(gè)物理量的單位必須統(tǒng)一。,數(shù)群:凡是幾個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無(wú)因次條件組合起來(lái)的 數(shù)群，稱為準(zhǔn)數(shù)或無(wú)因次數(shù)群。,流體的流動(dòng)類型屬于滯流 ；,可能是滯流，也可能是湍流，與外 界條件有關(guān)。過(guò)渡區(qū),流體的流動(dòng)類型屬于湍流；,例：20C的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動(dòng)，從附錄五查得20C時(shí)，=998.2kg/m3，=1.005mPa.s。求水在管內(nèi)做滯流流動(dòng)時(shí)的臨界流速。,臨界流速,三、滯流與湍流的比較,1、流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式 層流流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿

4、管軸做有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)。 湍流流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)在沿流動(dòng)方向 運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還做隨 機(jī)的脈動(dòng)。,湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動(dòng)。,2. 流體在圓管內(nèi)的速度分布,無(wú)論是滯流或湍流，在管道任意截面上，管壁處速度為零，到管中心處速度最大。,滯流:速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布，截面上各點(diǎn)速度的平均值u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。,湍流: 截面上靠管中心部分各點(diǎn)速度彼此扯平，速度分布比較均勻，所以速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線。,湍流流動(dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式,通常遇到的情況下，湍流時(shí)的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。為精確起見(jiàn)，可借助u/umax與Re、Remax的關(guān)系曲線進(jìn)行計(jì)算。,3

5、. 流體在直管內(nèi)的流動(dòng)阻力,滯流: 流動(dòng)阻力來(lái)自流體本身所具有的粘性而引起的內(nèi)摩擦。,湍流:流動(dòng)阻力包括流體自身粘性而引起的內(nèi)摩擦力以及流體內(nèi)部大大小小的旋渦所引起的附加阻力。,4、滯流和湍流中的剪應(yīng)力 滯流流動(dòng)的剪應(yīng)力 ：,湍流流動(dòng)的剪應(yīng)力：,：稱為渦流粘度 ，反映湍流流動(dòng)的脈動(dòng)特征 ，隨流動(dòng)狀況及離壁的距離而變化。,圓管內(nèi)滯流與湍流的比較(1),本質(zhì)區(qū)別,分層流動(dòng),質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng),兩種流型的比較(2),沿管的軸向作直線運(yùn)動(dòng)，不存在橫向混合和質(zhì)點(diǎn)的碰撞,1.3.3 邊界層的概念,1、邊界層的形成,邊界層: 在壁面附近存在著較大速度梯度的流體層，稱為流動(dòng)邊界層，簡(jiǎn)稱邊界層 。即流速降為未受影響流速

6、的99%以內(nèi)的區(qū)域 。,主流區(qū): 邊界層以外，粘性不起作用，即速度梯度可視為零的區(qū)域，稱為流體的外流區(qū)或主流區(qū),主流區(qū),邊界層區(qū),2、邊界層的發(fā)展 1）流體在平板上的流動(dòng),隨著流動(dòng)路程的增長(zhǎng)，邊界層逐漸增厚；,在xc之后,邊界層內(nèi)的流動(dòng)由滯流變?yōu)橥牧?。此后的邊界層稱為湍流邊界層。,在湍流邊界層內(nèi)靠近壁面附近存在一層做滯流流動(dòng)的流體層,稱為滯流內(nèi)層（或?qū)恿鞯讓樱?,在平板的前緣xc之前，稱為層流（滯流）邊界層；,2）流體在圓形直管進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng),流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，邊界層匯合處與管入口的距離稱作進(jìn)口段長(zhǎng)度，或穩(wěn)定段長(zhǎng)度。 一般滯流時(shí)通常取穩(wěn)定段長(zhǎng)度x0=(50-100)d，湍流時(shí)穩(wěn)定段長(zhǎng)度約于(

7、40-50)d。,4、邊界層的分離,A點(diǎn),駐點(diǎn),B點(diǎn)(umax，pmin),C點(diǎn)(u=0，pmax),邊界層分離,界層分離造成大量漩渦，大大增加機(jī)械能消耗 由于固體表面形狀而造成邊界層分離所引起的能量損耗稱為形體阻力。 粘性流體繞過(guò)固體表面的阻力為摩擦阻力與形體阻力之和這兩者之和又稱為局部阻力。,流動(dòng)阻力產(chǎn)生的根源,流體具有粘性，流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)部摩擦力.,管路中的阻力,直管阻力 ：,局部阻力：,流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力,流體流經(jīng)管路中的管件、閥門及管截面的突然擴(kuò)大及縮小等局部地方所引起的阻力。,第四節(jié) 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力,單位質(zhì)量流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能，J/kg。

8、,單位重量流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能 ，m。,單位體積的流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能 ，Pa 。,是流動(dòng)阻力引起的壓強(qiáng)降。,表示的不是增量，而P中的表示增量；,2、一般情況下，P與Pf在數(shù)值上不相等；,注意：,3、只有當(dāng)流體在一段既無(wú)外功加入、直徑又相同的水平管 內(nèi) 流動(dòng)時(shí)， P與壓強(qiáng)降Pf在絕對(duì)數(shù)值上才相等。,一、流體在圓形直管中的流動(dòng)阻力,1、計(jì)算圓形直管阻力的通式,范寧公式對(duì)于滯流或湍流都適用,為無(wú)因次的系數(shù)，稱為摩擦因數(shù) 。,2、管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,化工管路,光滑管,粗糙管,玻璃管、黃銅管、塑料管,鋼管、鑄鐵管,管壁粗糙度,絕對(duì)粗糙度,相對(duì)粗糙度,壁面凸出部分的平均高度， 以表示 。,絕對(duì)粗糙度與管道直徑的比值