化工原理第一章流體靜力學ppt課件

1、北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件1.3 管內流體流動現(xiàn)象管內流體流動現(xiàn)象1.3.1 流體的粘度流體的粘度 1.3.2 流體的流動型態(tài)流體的流動型態(tài) 1.3.3 流體在圓管內的速度分布流體在圓管內的速度分布1.3.4 流體流動邊界層流體流動邊界層北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件1.3 管內流體流動現(xiàn)象管內流體流動現(xiàn)象一、一、 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 1.3.1 流體的粘度流體的粘度 dyudAF.或dyud.Fuududy式中：F內摩擦力，N； 剪應力，Pa； 法向速度梯度，1/s； 比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pas 。 dyud.北京化工大學化

2、工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件牛頓型流體：剪應力與速度梯度的關系符合牛頓牛頓型流體：剪應力與速度梯度的關系符合牛頓 粘性定律的流體；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。非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。 二、流體的粘度二、流體的粘度 （動力粘度）（動力粘度） 1. 1.粘度的物理意義粘度的物理意義 流體流動時在與流動方向垂直的方向上流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應力。產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應力。北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件),(Tpf液體 :)(TfT 氣體 : 普通)(TfT 超高壓),(Tpfp

3、 粘度的物理本質：分子間的引力和分子的運動與碰撞。粘度的物理本質：分子間的引力和分子的運動與碰撞。2. 粘度的單位粘度的單位SI制：Pas 或 kg/(ms)物理制：cP(厘泊）換算關系1cP10-3 Pas北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件3.3.運動粘度運動粘度 粘度粘度與密度與密度的之比。的之比。m2/s北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件1.3.2 流體的流動型態(tài)流體的流動型態(tài) 一、雷諾實驗一、雷諾實驗北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件 層流或滯流）：流體質點僅沿著與管軸平行的層流或滯流）：流體質點僅沿著與管軸平行的方向作

4、直線運動，質點無徑向脈動，質點之間互不方向作直線運動，質點無徑向脈動，質點之間互不混合；混合； 湍流或紊流）湍流或紊流） ：流體質點除了沿管軸方向向前：流體質點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質點的速度在大小和方流動外，還有徑向脈動，各質點的速度在大小和方向上都隨時變化，質點互相碰撞和混合。向上都隨時變化，質點互相碰撞和混合。二、流型判據(jù)二、流型判據(jù)雷諾準數(shù)雷諾準數(shù) udRe無因次數(shù)群北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件判斷流型判斷流型Re2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；時，一般

5、出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000 Re 4000 時，流動可能是層流，也可能是時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。2.物理意義 Re反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關系，標志著流體流動的湍動程度。 北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件1.3.3 流體在圓管內的速度分布流體在圓管內的速度分布 速度分布：流體在圓管內流動時,管截面上 質點的速度隨半徑的變化關系。 一、層流時的速度分布一、層流時的速度分布 北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件由壓力差產(chǎn)生的推力 221)(rpp流體層間內摩擦力 drud

6、rldrudAF.)2(drudrlrpp.221)2()(rlppdrud2)(21.)(4)(2221.rRlppu管壁處rR時，0，可得速度分布方程 .u北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件管中心流速為最大，即r0時， umax .u221max4)(Rlppu2max.1Rruu管截面上的平均速度 :max.uRrdruAVuRS21220即層流流動時的平均速度為管中心最大速度的1/2。 即流體在圓形直管內層流流動時，其速度呈拋物線分布。北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件二、湍流時的速度分布二、湍流時的速度分布 剪應力 ：dyude.)(e為湍

7、流粘度，與流體的流動狀況有關。 nRruu1max.湍流速度分布的經(jīng)驗式：北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件101102 . 3Re71,102 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn與Re有關，取值如下： 1/7次方定律71n當 時，流體的平均速度 :max.uAVuS820北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件1.3.4 流體流動邊界層流體流動邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展一、邊界層的形成與發(fā)展 流動邊界層：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以內的區(qū)域。 邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離

8、。北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件流體在平板上流動時的邊界層：流體在平板上流動時的邊界層： 北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件 邊界層區(qū)邊界層內）：沿板面法向的速度梯度邊界層區(qū)邊界層內）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應力不可忽略。很大，需考慮粘度的影響，剪應力不可忽略。 主流區(qū)邊界層外）：速度梯度很小，剪應力可主流區(qū)邊界層外）：速度梯度很小，剪應力可以忽略，可視為理想流體以忽略，可視為理想流體 。北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內的流型為層

9、流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內的流型轉為湍流。 北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件流體在圓管內流動時的邊界層流體在圓管內流動時的邊界層 北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件 充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑； 進口段內有邊界層內外之分 。 也分為層流邊界層與湍流邊界層。進口段長度：層流：湍流：Re05. 00dx50400dx北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件湍流流動時：北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件 湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向

10、傳遞因速度的脈動而大大強化；傳遞因速度的脈動而大大強化； 過渡層：分子粘度與湍流粘度相當；過渡層：分子粘度與湍流粘度相當； 層流內層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向層流內層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運動。傳遞只能依賴分子運動。層流內層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動程度越高，層流內層厚度越薄。北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件2. 邊界層的分離ABS北京化工大學化工原理電子課件北京化工大學化工原理電子課件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：物體表面的流體質點在逆壓梯度和粘性剪應力的作用下，速度降為0。SS以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流