1.3流动现象.ppt

* * 1.3 管内流体流动现象 1.3.1 流体的粘度 1.3.2 流体的流动型态 1.3.3 流体在圆管内的速度分布 1.3.4 流体流动边界层 分析引起机械能损失的内在因素，建立计算流动阻力的关系式，必须考察流体流动时其内部质点的运动状况。 一、 牛顿粘性定律 1.3.1 流体的粘度 或 u0 u u＋du dy 式中：f—内摩擦力，N； τ —剪应力，Pa； —垂直于流动方向上的速度梯度，1/s； μ—比例系数，称为流体的粘度，Pa·s 。 牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体； 非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。 二、流体的粘度 1.粘度的物理意义 流体流动时，在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力,其方向与流动方向相反。 液体 : T ↑ → ? ↓ 气体 : 一般 T ↑ → ? ↑ 超高压 p ↑ → ? ↑ 粘度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。 2. 粘度的单位 SI制：Pa·s 或 kg/(m·s) 物理制：P(泊)或g/cm·s 换算关系 1cP＝10-2P=10-3 Pa·s 1.3 管内流体流动现象 1.3.1 流体的粘度 1.3.2 流体的流动型态 1.3.2 流体的流动型态 一、雷诺实验 层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合； 湍流（或紊流） ：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。 Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。 Re反映流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。 二、流型判据——雷诺准数 无量纲数群 1.3 管内流体流动现象 1.3.1 流体的粘度 1.3.2 流体的流动型态 1.3.3 流体在圆管内的速度分布 1.3.3 流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上 质点的速度随半径的变化关系。 一、层流时的速度分布 流体在水平等径管内作稳定层流运动。对长度l，半径r的一圆柱形流体段作受力分析。 压力差产生的推力 流体层间内摩擦力 管壁处r＝R时，＝0，故 p1-p2为两截面间的压降，从而产生一推动力，以克服黏性阻力，故教材也用△pf表示。 （1-25） （1-26） 管中心流速为最大，即r＝0时， ＝umax 管截面上的平均速度 : 即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。 （1-27） （1-28） （1-31） 二、湍流时的速度分布 湍流速度分布的经验式： 1/7次方定律 当 时，流体的平均速度 : 1.3 管内流体流动现象 1.3.1 流体的粘度 1.3.2 流体的流动型态 1.3.3 流体在圆管内的速度分布 1.3.4 流体流动边界层 1.3.4 流体流动边界层 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域---- 速度为0至速度等于主体流速99％的区域。 边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。 1）壁面附近速度梯度很大，相应地存在很大的内摩擦力； 2）远离壁面，速度梯度很小，可忽略内摩擦力，视为理想流体 。 1)湍流运动的水以u∞趋近平板 2) 贴在板面上的水速降至0，形成速度梯度。相应的剪切力使相邻水层流速减缓，开始形成边界层。 3) 水迁移过程中，剪切力继续作用，使得边界层逐渐增厚。 虚线处水速0.99u∞，其内侧即为边界层。 层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。 湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。但湍流边界层内靠近壁面仍有层流底层。 湍流主体 流体在圆管内流动时的边界层 进口段长度： 层流： 湍流： 边界层内流体速度由0增至中心区域的均匀值，边界层厚度逐渐增加，最终在管中心汇合，边界层厚度即为管半径----充分发展的流动。 流体流经壁面时壁面对流体的阻力----表面阻力或摩擦阻力； 流体经过的流道有弯曲、或突然扩大或缩小，或绕过物体流动，会发生边界层分离，产生漩涡，引起额外的机械能损耗----形体阻力。 * *