動(dòng)量傳遞與流動(dòng)阻力導(dǎo)論

1、第五節(jié) 動(dòng)量傳遞與流動(dòng)阻力導(dǎo)論一、 流體阻力的表現(xiàn)壓強(qiáng)降對(duì) 加以研究1.靜止流體： （如上面紅線所示）。2.理想流體流動(dòng)：無(wú)阻力 3、實(shí)際流體流動(dòng)有阻力 從 流動(dòng)阻力的表現(xiàn)壓強(qiáng)降。內(nèi)摩擦確切的講阻力分為兩種：1.5.3 流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)一、 流體流動(dòng)的形態(tài)二、 判別流動(dòng)形態(tài)的依據(jù)準(zhǔn)數(shù)慣性力 內(nèi)摩擦力 L是特征長(zhǎng)度,對(duì)圓管 這樣可大大減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),參閱“相似論”。是無(wú)因次數(shù)群，組成此數(shù)群的物理量，必須用一致的單位表示，故無(wú)論采用何種單位制，只要數(shù)群的各物理量的單位一致，所得出的值必定相等。三、 流動(dòng)類型滯流與湍流2000 滯流（層流） 4000> >2000 過(guò)度區(qū) 一般按湍流考慮

2、4000 湍流（紊流）1、 當(dāng)量直徑：圓管總是相似的，圓管與外圓管為何相似呢？發(fā)現(xiàn)圓管 1.5.4 滯流與湍流一、 流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式1、 層流的原因：層流是由粘性力引起的，由于粘性力，拉住附近這層流體，使之變慢。然而流體受外界強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)，流量是一定的，其余各層就會(huì)快一點(diǎn)，結(jié)果造成同一截面上各層流體速度不同，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：其質(zhì)點(diǎn)沿管軸線做有規(guī)則的平行流動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)互不碰撞，互不混合 層流是粘性力起主要作用的一種流動(dòng)。2、 湍流：由于（流體的變形）其質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，互相碰撞，產(chǎn)生大大小小的旋渦，流體易變形。管道截面上某一固定點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)在沿管軸方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還有徑向運(yùn)動(dòng)（脈動(dòng)），而徑向運(yùn)動(dòng)速度

3、的大小和方向也是不斷變化的,從而引起軸向速度的大小和方向也隨時(shí)而變。即在湍流中流體質(zhì)點(diǎn)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)在主運(yùn)動(dòng)之外還有附加的脈動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)是湍流運(yùn)動(dòng)最基本的特點(diǎn)。這種徑向運(yùn)動(dòng)是地心吸引力及其它原因?qū)е露?。較小，這種徑向運(yùn)動(dòng)很小，粘性力就迫使流體分層運(yùn)動(dòng)（流動(dòng)）,但增大以后，這種徑向運(yùn)動(dòng)加劇。（管內(nèi)徑）愈大，阻礙這種徑向運(yùn)動(dòng)（脈動(dòng)）作用愈小；(密度)愈大，地心引力愈大，越易引起脈動(dòng)。(速度)越大，流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞、混合趨勢(shì)增大也會(huì)引起脈動(dòng)，當(dāng)這種引起脈動(dòng)的因素超過(guò)粘性力作用時(shí)，亦即4000時(shí)流動(dòng)變成湍流。故湍流是流體脈動(dòng)力起主要作用的一種流動(dòng)，湍流中靠近管壁的流體仍作滯流流動(dòng)。 &l

4、t;的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式 湍流圓管中滯流內(nèi)層厚度。代表粘性力 代表脈動(dòng)力（慣性力）脈動(dòng)：質(zhì)點(diǎn)的流速圍繞某一平均流速而上下波動(dòng)，這種不規(guī)則的波動(dòng)被稱為湍流中的脈動(dòng)。綜上所述：層流中包含湍流的因數(shù)，湍流中又有層流的成分，他們共處于一個(gè)統(tǒng)一體中，能夠相互轉(zhuǎn)化，它們又是矛盾的，相互斗爭(zhēng)的，矛盾和斗爭(zhēng)貫穿于過(guò)程始終，矛盾的主要方面變化時(shí)，就使之引起質(zhì)變（層流或湍流）。二、流體在直管內(nèi)的流動(dòng)阻力 渦流粘度 一、 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。其厚度等于由壁面至速度達(dá)到主流區(qū)速度的點(diǎn)之間的距離。二、 主流區(qū)：邊界層以外，粘性力不起作用，即速度梯度為零的區(qū)域。該區(qū)域的流

5、體可視為理想流體。三、 邊界層形成的原因：流體粘性力。四、 邊界層的發(fā)展： 隨流體向前運(yùn)動(dòng)，由摩擦力（粘性力）對(duì)主流區(qū)流體持續(xù)作用，促使更多的流體層速度減慢，從而使邊界層的厚度值自平板前緣距離的增長(zhǎng)而逐漸變厚。五、 邊界層匯合：在圓管內(nèi)，在距離入口處的地方，管壁上已經(jīng)形成的邊界層在管中心線匯合，此后邊界層占據(jù)整個(gè)圓管的截面，其厚度維持不變，等于管子半徑。稱為穩(wěn)定段長(zhǎng)度或進(jìn)口段長(zhǎng)度，穩(wěn)定段以后各截面速度分布曲線形狀不隨而變。 =0 =0 = =六、 邊界層的分離：邊界層脫離壁面的現(xiàn)象稱為邊界層的分離。1， 形體阻力：這部分由于固體表面形狀而造成邊界層分離所引起的能量消耗稱為形體阻力。粘性流體繞過(guò)

6、固體表面的阻力為摩擦阻力與形體阻力之和，兩者之和又稱為局部阻力。流體流經(jīng)管件、閥門、及流體在管子進(jìn)口等局部地方，都會(huì)產(chǎn)生這種阻力 。1.5.6 流動(dòng)阻力 =+ 直管阻力， 局部阻力層流 直管阻力 源于內(nèi)摩擦力 =流體的粘性而引起的內(nèi)摩擦力。流體內(nèi)部的旋渦而引起的渦流粘度。粘度湍流 直管阻力 源于內(nèi)摩擦力 = 渦流，e渦流粘度(湍流粘度系數(shù)),其單位與粘度的單位一致。渦流粘度不是流體的物理性質(zhì)而是與流體流動(dòng)的狀況有關(guān)的參數(shù)。 即 是內(nèi)因， 是外因 （外部條件）。 是指1流體流動(dòng)時(shí)所消耗的機(jī)械能， 單位 是指 1N流體流動(dòng)時(shí)所消耗的機(jī)械能， 單位=是指1流體流動(dòng)時(shí)所消耗的機(jī)械能，以表示，即：= 的

7、單位為= 與柏努利方程中兩截面間的壓強(qiáng)差是截然不同的概念。+= J/kg上式乘以， 并整理得： 1、兩截面間的壓強(qiáng)差是有多方面因素而引起的，如各種不同形式機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化都會(huì)使截面壓強(qiáng)差發(fā)生變化，中的表示增量。2、壓強(qiáng)降 表示1流體在流動(dòng)系統(tǒng)中僅僅是由于流動(dòng)阻力所消耗的能量。是符號(hào)，并不代表數(shù)學(xué)中的增量。3、一般只是當(dāng) =0 與在絕對(duì)值上相等。1.5.7 流體在直管中的流動(dòng)阻力一、 絕對(duì)粗糙度： 壁面凸出部分的平均高度，以表示。二 、相對(duì)粗糙度： 絕對(duì)粗糙度與管道內(nèi) 徑的比值。三、滯流時(shí)摩擦阻力 在管軸心處取一半徑為，長(zhǎng)度為的流體柱作為分析對(duì)象，目的要求：求 求求求 推導(dǎo)條件： 1、層流 、

8、連續(xù)穩(wěn)定 、L 均為定值。 2、水平管、 、 =（平均流速），或3、當(dāng)長(zhǎng)為 L的小圓管在兩個(gè)力的作用下，凈壓力（）或（）與內(nèi)摩擦力，在管內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第一定律要維持流體在管內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，作用在流體柱上的推動(dòng)力與阻力大小相等，方向相反。故 或 (是從管軸線算起)。 在中心線上 （是從中心線算起） 對(duì)于以薄層流量 = 從管中心軸線00，半徑R處平均流速 與比較得： 將 代入得 流體在圓管內(nèi)作滯流運(yùn)動(dòng)是的直管阻力計(jì)算式稱為哈根泊謖葉公式 （、） 故設(shè)法把以上因數(shù)歸納到一個(gè)公式中。(令 為摩擦系數(shù)， 與 有關(guān)。)此為計(jì)算圓直管阻力能量損失的通式，對(duì)滯流與湍流均適用。四、 湍流時(shí)的阻力計(jì)算 （米流柱

9、） 范寧公式 （） 范寧公式五 、 與及的關(guān)系: （ ） 流體在非圓形直管內(nèi)的流動(dòng)阻力或 用當(dāng)量直徑代替上式中及，準(zhǔn)數(shù)中的。研究結(jié)果證明，當(dāng)量直徑用于湍流情況下的阻力計(jì)算比較可靠，滯流時(shí)用代替外，還必須對(duì)滯流時(shí)的摩擦系數(shù)的計(jì)算式，進(jìn)行修正,即:。另外,不能用當(dāng)量直徑來(lái)計(jì)算流體通過(guò)的截面積、流速和流量。隨的變化，即從量變到質(zhì)變，故:流動(dòng)形式從滯流到湍流發(fā)生質(zhì)變過(guò)程。六、 的求算1、用 用摩擦系數(shù)與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系圖查取。2、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算(不太準(zhǔn)確)。一、 局部阻力系數(shù)法： -局部系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。二、 當(dāng)量長(zhǎng)度法： 或 當(dāng)量長(zhǎng)度：表示流體流過(guò)某一管件或閥門的局部阻力，相當(dāng)于流過(guò)這一段與其具有相同直徑，長(zhǎng)度為的直管阻力。 由實(shí)驗(yàn)測(cè)