流體流動現象

1、化工原理化工原理主講教師：主講教師：一、粘性與粘度一、粘性與粘度 設有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充設有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充滿著靜止的液體，如圖滿著靜止的液體，如圖所示。所示。x u=0yu 運動著的流體內部相鄰兩流體層間由于分子運動而產生的相運動著的流體內部相鄰兩流體層間由于分子運動而產生的相互作用力，稱為流體的互作用力，稱為流體的內摩擦力內摩擦力或粘滯力。流體運動時內摩擦力或粘滯力。流體運動時內摩擦力的大小，體現了流體粘性的大小。的大小，體現了流體粘性的大小。1 1、粘性、粘性 決定流體流動內摩擦力大小的物理性質稱為粘性決定流體流動內摩擦力大小的物理性質稱

2、為粘性 內摩擦力又稱為粘性應力內摩擦力又稱為粘性應力。 所以，粘性是分子運動的宏觀表現。所以，粘性是分子運動的宏觀表現。粘性的物理性質來自兩個方面：粘性的物理性質來自兩個方面：（1 1）相鄰兩流體層分子間的吸引力）相鄰兩流體層分子間的吸引力（2 2）分子運動時發(fā)生的相互碰撞）分子運動時發(fā)生的相互碰撞 2、牛頓粘性定律、牛頓粘性定律1）體積力與表面力）體積力與表面力 體積力：作用于流體每個質點，其大小與流體體積力：作用于流體每個質點，其大小與流體的質量成正比。如重力、離心力。的質量成正比。如重力、離心力。 表面力：作用與流體的某一截面的力，其大小表面力：作用與流體的某一截面的力，其大小與該截面面

3、積成正比。與該截面面積成正比。 垂直于表面的表面力垂直于表面的表面力壓力，單位面積上的壓力，單位面積上的壓力為壓強。壓力為壓強。 平行于表面的表面力平行于表面的表面力剪力，單位面積上的剪力，單位面積上的剪力為剪應力或應力。剪力為剪應力或應力。 實驗證明，兩流體層之間單位面積上的內摩擦力（或稱為實驗證明，兩流體層之間單位面積上的內摩擦力（或稱為剪應力）剪應力）與垂直于流動方向的速度梯度成正比。與垂直于流動方向的速度梯度成正比。yxu u=0uy u/u/ y y表示速度沿法線方向表示速度沿法線方向上的變化率或速度梯度。上的變化率或速度梯度。2）牛頓粘性定律）牛頓粘性定律 dydu對大多數流體，粘

4、性應力的大小與兩流體間的速度差成對大多數流體，粘性應力的大小與兩流體間的速度差成正比，與兩流體間的垂直距離成反比。正比，與兩流體間的垂直距離成反比。 dydu牛頓頓粘性定律 牛頓型流體牛頓型流體 服從牛頓粘性定律的流體。服從牛頓粘性定律的流體。非牛頓型流體非牛頓型流體 不服從牛頓粘性定律的流體不服從牛頓粘性定律的流體3 3、粘度、粘度流體的粘度流體的粘度是流體固有的一種物理性質。是流體固有的一種物理性質。溫度和壓力對粘度的影響如下：溫度和壓力對粘度的影響如下： 溫度升高溫度升高 壓力增大壓力增大液體的粘度液體的粘度 降低降低 變化可以不計變化可以不計氣體的粘度氣體的粘度 升高升高 常壓下可不計

5、，極高壓常壓下可不計，極高壓 或極低壓下不能不計或極低壓下不能不計 sPa2s/mNmm/s2N/m dy/du s/cmdyncmcm/s2dyn/cm dy/du粘度的單位：粘度的單位： SI單位制：單位制：物理單位制：物理單位制：1cPP10s1mPa-2 單位換算：單位換算： 運動粘度運動粘度：流體粘度：流體粘度與密度與密度之比稱為運動粘度，之比稱為運動粘度，用符號用符號表示表示 / 其單位為其單位為m2/s。而。而CGS單位制中，其單位為單位制中，其單位為cm2/s，稱為斯托克斯，用符號稱為斯托克斯，用符號St表示。表示。 二、二、流體流動流體流動現象現象1 1、雷諾實驗、雷諾實驗1

6、 1- -小瓶小瓶 2 2- -細管細管 3 3- -水箱水箱 4 4- -水平玻璃管水平玻璃管 5 5- -閥門閥門 6 6- -溢流裝置溢流裝置q流速小時，有色流體在管內沿軸線方向成一條直線。流速小時，有色流體在管內沿軸線方向成一條直線。表明，水的質點在管內都是沿著與管軸平行的方向作直表明，水的質點在管內都是沿著與管軸平行的方向作直線運動，各層之間沒有質點的遷移。線運動，各層之間沒有質點的遷移。q當開大閥門使水流速逐漸增大到一定數值時，有色細當開大閥門使水流速逐漸增大到一定數值時，有色細流便出現波動而成波浪形細線，并且不規(guī)則地波動；流便出現波動而成波浪形細線，并且不規(guī)則地波動； q速度再增

7、，細線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現速度再增，細線的波動加劇，整個玻璃管中的水呈現均勻的顏色。顯然，此時流體的流動狀況已發(fā)生了顯著均勻的顏色。顯然，此時流體的流動狀況已發(fā)生了顯著地變化。地變化。 （1） 層流層流(laminar flow)或滯流或滯流（viscous flow） 流體管軸平行的方向嚴格作流體管軸平行的方向嚴格作直線運動，整個管的流體就如一直線運動，整個管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動層一層的同心圓筒在平行地流動，層次分明，彼此互不混雜，層次分明，彼此互不混雜 。（2）湍流）湍流(turbulent flow)或紊流或紊流 流體總體上沿管道向前流動流體總體上沿管道向

8、前流動，同時，各質點還在各方向上作，同時，各質點還在各方向上作隨機脈動，且伴隨質點間互相碰隨機脈動，且伴隨質點間互相碰撞與混合。撞與混合。影響流體流動類型的因素：影響流體流動類型的因素：流體的流速流體的流速u ；管徑管徑d；流體密度流體密度；流體的粘度流體的粘度。 u、d、越大，越大，越小，就越容易從層流轉變?yōu)橥牧?。越小，就越容易從層流轉變?yōu)橥牧?。上述中四個因素所組成的復合數群上述中四個因素所組成的復合數群du/，是判斷流體，是判斷流體流動類型的準則。流動類型的準則。3、流體流動型態(tài)的判據、流體流動型態(tài)的判據duRe粘度粘度流速流速密度密度直徑直徑雷諾準數或雷諾數雷諾準數或雷諾數(Reynol

9、ds number)，用，用Re表示表示 0003223TML)(L(M)LM)(L)(L()L(/LM)LM)(L)(L( duRe雷諾準數的因次雷諾準數的因次 Re Re 數是一個無因次數群。數是一個無因次數群。大量實驗表明：大量實驗表明：Re2000，流動類型為層流；，流動類型為層流；Re4000，流動類型為湍流；，流動類型為湍流；2000Re4000，流動類型不穩(wěn)定，可能是，流動類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現，層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現，與外界干擾情況有關。與外界干擾情況有關。 無論是層流還是湍流，在管道任意截面上，流體無論是層流還是湍流，在管道任意截

10、面上，流體質點的速度均沿管徑而變化，管壁處速度為零，離開質點的速度均沿管徑而變化，管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度在管管壁以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度在管道截面上的分布規(guī)律因流型而異。道截面上的分布規(guī)律因流型而異。圓管內速度分布圓管內速度分布（a）滯流）滯流 （b）湍流）湍流 三、管內流體的速度分布三、管內流體的速度分布作用于圓管中流體上的力作用于圓管中流體上的力 設流體在半徑為設流體在半徑為R R 的水平直管段內作層流流的水平直管段內作層流流動，取流體元：長為動，取流體元：長為l l 、半徑為、半徑為r r。 分析受力，得到分析受力，得到 f2212(

11、)pprpr 層流時剪應力服從牛頓黏性定律層流時剪應力服從牛頓黏性定律ddrrur 作用在流體柱上的阻力為作用在流體柱上的阻力為dd22ddrrruuSrlrlrr 流體作等速運動時，推動力與阻力大小必相流體作等速運動時，推動力與阻力大小必相等，方向必相反，故等，方向必相反，故2fd2druprrlr fdd2rpur rl 積分上式的邊界條件：積分上式的邊界條件：當當r=r時，時，ur=ur； 當當r=R(在管壁處在管壁處)時，時，ur=0。22f()4rpuRrl 上式為流體在圓管內作層流流動時的速度分布上式為流體在圓管內作層流流動時的速度分布表達式。它表示在某一壓強降表達式。它表示在某一

12、壓強降pf之下，之下，ur與與r的關的關系為拋物線方程。系為拋物線方程。圖1-19 圓管內速度分布 (a) 滯流 一、流體在圓管內層流流動時的速度分布管截面平均速度管截面平均速度 sVuA2f8ipuRl 管截面體積流量管截面體積流量 sr02dRVu r r22f()4rpuRrl代入積分，得代入積分，得管截面平均速度管截面平均速度 當當r=0時，管中心處的速度為最大流速，即時，管中心處的速度為最大流速，即2fmax4puRl層流時圓管截面平均速度與最大速度的關系為max2uu比較2f8ipuRl 與管截面平均速度 湍流時，流體質點的運動情況比較復雜，目前湍流時，流體質點的運動情況比較復雜，

13、目前還不能完全采用理論方法得出湍流時的速度分布規(guī)還不能完全采用理論方法得出湍流時的速度分布規(guī)律。律。u/umax與與Re、Remax的關系的關系平板上的流動邊界層平板上的流動邊界層 四、邊界層的概念四、邊界層的概念邊界層壁面附近速度梯度較大的流體層。主流區(qū)邊界層之外，速度梯度接近于零的區(qū)域。一、邊界層的形成遠離壁面的大部分區(qū)域壁面附近的一層很薄的流體層 實際流體與固體壁面間相對運動 速度變化很小速度變化很小可視為理想流可視為理想流體體必須考慮黏滯力的必須考慮黏滯力的影響，由于流體的影響，由于流體的黏性作用，存在速黏性作用，存在速度梯度度梯度一、邊界層的形成 邊界層的一個重要特點是，在某些情況下，邊界層的一個重要特點是，在某些情況下，會出現邊界層與固體壁面相脫離的現象。會出現邊界層與固體壁面相脫離的現象。 此時邊界層內的流體會倒流并產生旋渦，此時邊界層內的流體會倒流并產生旋渦，導致流體的能量損失。此種現象稱為導致流體的能量損失。此種現象稱為邊界層分邊界層分離離，它是黏性流體流動時能量損失的重要原因，它是黏性流體流動時能量損失的重要原因之一。之一。 產生邊界層分離的必要條件是：流體具有產生邊界層分離的必要條件是：流體具有黏性和流動過程中存在逆壓梯