第四节流体流动现象1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,存在问题：,1,1,2,2,A,A,B,B,选择截面所用的符号要与柏努利方程下标一致！,必须选择衡算截面！,一、牛顿粘性定律与流体的粘度,牛顿粘性定律,第三节 流体流动现象,流体的内摩擦力：,运动着的流体内部,相邻两流体层间的作用力。,又称为,粘滞力或粘性摩擦力。,流体阻力产生的依据,剪应力：,单位面积上的内摩擦力，以,表示。单位：,N/m,2,即,Pa,。,牛顿粘性定律,式中：,速度梯度,比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为,粘性系数,或,动力粘度,，简称,粘度,。,2、流体的粘度,1)物理意义,促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。,粘度总是与速度梯度相联系，,只有在运动时才显现出来,2)粘度与温度、压强的关系,a),液体的粘度随,温度升高而减小,，压强变化时，液体的粘度基本不变。,b),气体的粘度随,温度升高而增大,，随压强增加而增加的很少。,3）粘度的单位,在,SI,制中：,在物理单位制中，粘度的单位为：,泊，符号表示：,P.,换算关系为：,二、流动类型与雷诺准数,1、雷诺实验,滞流或层流,湍流或紊流,1,小瓶，,2,细管，,3,水箱,4,水平玻璃管，,5,阀门，,6,溢流装置,流体质点沿着与管轴平行的方向作直线运动，与周围流体间无宏观的混合。,流体质点除了沿管道向前运动外，还作不规则的杂乱运动，且彼此相互碰撞与混合。,2、雷诺数,Re,雷诺数的因次：,Re,是一个没有单位，没有因次的纯数。,在计算,Re,时，一定要注意各个物理量的,单位必须统一,。,数群:凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的 数群，称为准数或无因次数群。,流体的流动类型属于,滞流,；,可能是滞流，也可能是湍流，与外,界条件有关。,过渡区,流体的流动类型属于,湍流,；,例：,20,C,的水在内径为50,mm,的管内流动，从附录五查得20,C,时，,=998.2kg/m,3,，=1.005mPa.s,。求水在管内做滞流流动时的临界流速。,临界流速,三、滞流与湍流的比较,1、流体内部质点的运动方式,层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的,平行运动。,湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做,随,机的脉动,。,湍流的特征是出现速度的脉动。,2.流体在圆管内的速度分布,无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，管壁处速度为零，到管中心处速度最大。,滞流:速度沿管径按抛物线的规律分布，截面上各点速度的平均值,u,等于管中心处最大速度,u,max,的0.5倍。,滞流,湍流,湍流:截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，所以速度分布曲线不再是严格的抛物线。,湍流流动时圆管内速度分布式,通常遇到的情况下，,湍流时的平均速度,大约等于管中心处,最大速度的0.82倍。,为精确起见，可借助,u/u,max,与,Re,、,Re,max,的关系曲线进行计算。,3.流体在直管内的流动阻力,滞流:流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦。,湍流:流动阻力包括流体自身粘性而引起的内摩擦力以及流体内部大大小小的旋涡所引起的附加阻力。,4、滞流和湍流中的剪应力,滞流流动的剪应力：,湍流流动的剪应力：,：,称为涡流粘度,，反映湍流流动的脉动特征，随流动状况及离壁的距离而变化。,圆管内滞流与湍流的比较,(1),滞流,湍流,本质区别,分层流动,质点的脉动,速度分布,平均速度,剪应力,两种流型的比较,(2),沿管的轴向作直线运动，不存在横向混合和质点的碰撞,流型,滞流（层流）,湍流（紊流）,判据,Re,2000,Re4000,流体内部质点,运动情况,不规则杂乱运动，质点碰撞和混合，流体质点产生脉动。脉动是湍流的基本特点.,管截面上速度分布,抛物线方程,管中心流速最大，管壁处流速为0,碰撞和混合使管中心处速度平均化,管壁处流速为0，管中心流速最大,流体在直管中,的流动阻力,流体内部的内摩擦力，遵循牛顿粘性定律,粘性应力+湍流应力,u,0,u,0,u,0,u,0,u,u,u,1.3.3,边界层的概念,1、边界层的形成,边界层:在壁面附近存在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层，简称边界层。即流速降为未受影响流速的99%以内的区域。,主流区:边界层以外，粘性不起作用，即速度梯度可视为零的区域，称为流体的外流区或主流区,主流区,边界层区,层流边界层,湍流边界层,边界层界限,层流底层,x,c,u,0,u,0,u,0,x,2、边界层的发展,1）流体在平板上的流动,随着流动路程的增长，边界层逐渐增厚；,在,x,c,之后,边界层内的流动由滞流变为湍流。此后的边界层称为湍流边界层。,在湍流边界层内靠近壁面附近存在一层做滞流流动的流体层,称为滞流内层（或层流底层）.,在平板的前缘,x,c,之前，称为层流（滞流）边界层；,2）流体在圆形直管进口段内的流动,流体在圆管内流动时，边界层汇合处与管入口的距离称作进口段长度，或,稳定段长度,。,一般滞流时通常取稳定段长度,x,0,=(50-100),d,，,湍流时稳定段长度约于(40-50),d,。,x,0,R,滞流边界层,湍流边界层,x,0,R,完全发展了的流动,4,、边界层的分离,A,点,流速为零,压强最大,驻点,加速减压,B,点(,umax，pmin),减速加压,C,点(,u=0，pmax),边界层分离,界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗,由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为,形体阻力,。,粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这两者之和又称为,局部阻力,。,流动阻力,产生的根源,流体具有粘性，,流动时存在内部摩擦力.,管路中的阻力,直管阻力：,局部阻力：,流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力,流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。,第四节 流体在管内的流动阻力,单位质量流体流动时所损失的机械能，,J/kg,。,单位重量流体流动时所损失的机械能，,m,。,单位体积的流体流动时所损失的机械能，,Pa。,是流动阻力引起的,压强降,。,注意,：,与柏努利方程式中两截面间的压强差,的区别,以,表示，,表示的不是增量，而,P,中的,表示,增量；,2、一般情况下，,P,与,P,f,在,数值上不相等；,注意：,只是一个,符号,；,并不是两截面间的压强差,1.,3、只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管,内 流动时，,P,与压强降,P,f,在绝对数值上才相等。,一、流体在,圆形直管,中的流动阻力,1、计算圆形直管阻力的通式,1,2,l,u,u,圆形直管阻力所引起能量损失的通式称为,范宁公式。,范宁公式对于滞流或湍流都适用,为无因次的系数，称为,摩擦因数,。,2,、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,化工管路,光滑管,粗糙管,玻璃管、黄铜管、塑料管,钢管、铸铁管,管壁粗糙度,绝对粗糙度,相对粗糙度,壁面凸出部分的平均高度，,以,表示。,u,绝对粗糙度与管道直径的比值,即,/d,。,在滞流时，摩擦系数与管壁粗糙度无关，,仅为,Re,的函数。,当作湍流流动时，,如果滞流内层的厚度,b,大于壁面的绝对粗糙度，即,b,，,此时管壁粗糙度对摩擦系数的影响与滞流相近。,当,b,时，此时壁面粗糙度对摩擦系数的影响便成为重要的因素。,=f(Re,/d),u,b,b,u,b,b,