流體的流動形態(tài)和阻力損失

王奇主編第二章流體的輸送2.1流體力學(xué)

三、流體動力學(xué)

2.流體流動形態(tài)和阻力損失本堂課要學(xué)會：

1、知道流體流動的類型

2、掌握如何判定流體流動的類型

3、知道層流內(nèi)層的概念

4、了解流體阻力的表現(xiàn)和來源

5、掌握減低流體阻力的途經(jīng)損柏努力方程式：方程中的h損這一項為損失壓頭，即損失掉的能量，因為流體在流動過程中有阻力,今天我們要探討h損這一項2、流體的流動形態(tài)和阻力損失問題1：一杯水滴入一滴黑墨水，結(jié)果怎樣？結(jié)論：黑色水會慢慢散開，整杯水變黑問題2：流動的水中加入有色水會怎樣呢？

做實驗！

英國物理學(xué)家雷諾就做了這樣的實驗

任務(wù)：回去上網(wǎng)查一下雷諾是一個怎樣的人呢？（1）流體流動的形態(tài)雷諾實驗：實驗裝置層流湍流看錄像A、流體流動的類型：層流和湍流雷諾實驗結(jié)果比較

層流湍流過渡狀態(tài)

空間尺度上，湍流廣泛存在于陸、海、空、天、宇。自然、工程領(lǐng)域的絕大多數(shù)流動，乃至生命、社會、金融領(lǐng)域的很多現(xiàn)象都是湍流。在自然領(lǐng)域：從宇宙星系的時空演化，到星球內(nèi)部的翻滾流動；從大氣環(huán)流的全球運動，到江河湖泊的區(qū)域流動；從恣意汪洋的潮汐涌浪，到林里山間的霧霾溪流。在工程領(lǐng)域：從陸地、海洋、空天等交通運載工具，到原子彈、氫彈、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機、艦船等國防武器的設(shè)計；從全球氣象氣候的預(yù)報，到地區(qū)水利工程的設(shè)計；從傳統(tǒng)行業(yè)如葉輪機械、房橋建筑、油氣管道，到新興行業(yè)如能源化工、醫(yī)療器械、納米器件的設(shè)計。在生命領(lǐng)域：從動物體內(nèi)氣血的流動，到細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的輸運；在社會學(xué)領(lǐng)域：從長途遷徙的群居動物，到繁忙擁擠的車流交通；從瞬息萬變的金融市場，到混亂無序的市場經(jīng)濟。到處都是湍流的身影。

小知識～為什么要研究湍流

時間尺度上，湍流作為牛頓經(jīng)典力學(xué)體系里的最后一個難題，一直挑戰(zhàn)著人類智慧的極限。相傳，量子力學(xué)開創(chuàng)者之一海森堡曾說他要帶著兩個問題去見上帝：廣義相對論和湍流；美國著名科學(xué)家費曼將湍流稱為“經(jīng)典物理學(xué)中最后一個尚未解決的重大難題；2005年，國際頂級學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》(SCIENCE)在慶祝其創(chuàng)刊125周年之際，公布了125個最前沿的科學(xué)問題，其中至少兩個問題與湍流相關(guān)；2012年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎獲得者鄭哲敏院士聯(lián)名國內(nèi)其它4位院士指出：21世紀(jì)力學(xué)發(fā)展的第一個大問題是湍流。小知識～為什么要研究湍流小知識小知識湍流大家并行攻關(guān)難題的足跡

科學(xué)和藝術(shù)向來只有一線之隔，文藝復(fù)興時期的達·芬奇無疑是湍流研究的先驅(qū)，甚至可以說是開創(chuàng)者。而湍流的科學(xué)概念，最早由英國著名物理學(xué)家雷諾于1883年提出，自此以后的130年以來，一大批世界頂級物理學(xué)家、應(yīng)用數(shù)學(xué)家、流體力學(xué)家和工程師為探索湍流付出了巨大努力，產(chǎn)生了大量思想，但湍流至今尚未取得實質(zhì)性突破。這些科學(xué)巨匠包括但不限于：泰勒（20世紀(jì)物理學(xué)泰斗）、普朗特（現(xiàn)代流體力學(xué)之父，錢學(xué)森師爺）、馮.卡門（航空航天時代的科學(xué)奇才，錢學(xué)森導(dǎo)師），韋納·海森堡和李政道（諾貝爾獎得主），Komolgorolov（前蘇聯(lián)最著名的數(shù)學(xué)家，湍流唯象理論的奠基人)，Kraichnan（愛因斯坦博士后，現(xiàn)代湍流分析理論開創(chuàng)者），周培源（愛因斯坦博士后，著名理論物理學(xué)家，北京大學(xué)前校長，湍流模式理論泰斗）、U.Frish（當(dāng)代湍流界泰斗、法國科學(xué)院院士、恩師的導(dǎo)師）。梳理已有理論成果，我們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)、包括被認(rèn)為是很重要的成果都是針對理想湍流的。但真實世界并不存在理想湍流，對理想湍流的研究解決不了真實湍流問題。這既源于針對理想湍流所采用的假設(shè)在真實湍流場根本不能滿足，但源于均勻各項同性湍流這一理想模型沒有保留真實湍流的本質(zhì)。鑒于此，近年周恒院士、張涵信院士、佘振蘇教授等呼吁加強對真實湍流的研究。雷諾準(zhǔn)數(shù)為了確定流體的流動型態(tài)，雷諾通過改變實驗介質(zhì)、管材及管徑、流速等實驗條件，做了大量的實驗，并對實驗結(jié)果進行了歸納總結(jié)。流體的流動型態(tài)主要與流體的密度ρ、粘度μ、流速u和管內(nèi)徑d等因素有關(guān)，并可以用這些物理量組成一個數(shù)群，稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)（Re），用來判定流動型態(tài)。雷諾準(zhǔn)數(shù)，無單位。Re大小反映了流體的湍動程度，Re越大，流體流動湍動性越強。計算時只要采用同一單位制下的單位，計算結(jié)果都相同。B、流體流動類型的判定：一般情況下，流體在管內(nèi)流動時，若Re<2000時，流體的流動型態(tài)為層流；若Re>4000時，流動為湍流；而Re在2000～4000范圍內(nèi)，為一種過渡狀態(tài)?？赡苁菍恿饕部赡苁峭牧?。在過渡區(qū)域，流動型態(tài)受外界條件的干擾而變化，如管道形狀的變化、外來的輕微震動等都易促成湍流的發(fā)生，在一般工程計算中，Re>2000可作湍流處理。

當(dāng)管內(nèi)流體做湍流流動時，管壁處的流速也為零，靠近管壁處的流體薄層速度很低，仍然保持層流流動，這個薄層稱為層流內(nèi)層。層流內(nèi)層的厚度隨雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的增大而減薄，但不會消失。層流內(nèi)層的存在，對傳熱與傳質(zhì)過程都有很大的影響。

C、湍流流體中的層流內(nèi)層問題1：流體流動的類型有哪些？回答：層流和湍流問題2：如何判定流體流動的類型？回答：用Re準(zhǔn)數(shù)，若Re<2000時，層流若Re>4000時，湍流問題3：層流內(nèi)層是一個什么概念？回答：無論流體的湍流程度多大，在靠近管壁處總是有一層層流層存在。這層層流層稱為層流內(nèi)層。1、（）流體的流動形態(tài)是用雷諾總準(zhǔn)數(shù)來判斷的。2、（）管內(nèi)流體是湍流時所有的流體都是湍流

3、影響流體流動狀態(tài)的因素有(

)、(

)、(

)和(

)。

流體密度

4、流體在圓管內(nèi)作湍流流動時，管壁處仍為滯流，稱為滯流內(nèi)層，一般滯流內(nèi)層隨雷諾數(shù)的增大而_____。

A，減薄

B，加厚

C，不變5、某油品流經(jīng)某管道，流量為1810kg/h，鋼管內(nèi)徑為40mm，油品粘度為10mN.s/m2，密度為800kg/m3，試求油品流動時的流動狀態(tài)。

√×管道直徑流體流速流體粘度A課堂練習(xí)

Re反映了流體的流動的湍動程度，Re值越大，湍動程度越大，內(nèi)摩擦力也越大，所以流體阻力的大小與Re值有直接的關(guān)系。A、流體阻力的表現(xiàn)和來源（2）流體流動的阻力表現(xiàn)：看實驗

同學(xué)們請思考：該實驗說明什么問題？

1截面與2截面之間列柏努利方程，可得出什么結(jié)論？結(jié)論：流體阻力致使靜壓能下降

·流體的內(nèi)摩擦力---流體分子之間作相對運動時產(chǎn)生的摩擦力。（流體內(nèi)部分子之間存在著吸收力，流體對管壁的附著力）流體的流動狀態(tài)---與流體質(zhì)點的大小和方向有關(guān)，速度越大，阻力越大，方向變化越多，阻力也越大。管壁的粗糙程度、管子的長度、直徑及管路上的管件等因素均對阻力的大小有影響。來源：

b、流體阻力的計算方法：流體阻力可分為：直管阻力：流體流過直管的阻力；局部阻力：流體流過管路中的管件；如三通、彎頭等）、閥門、及流量計等的阻力。局部阻力的計算方法：當(dāng)量長度法和阻力系數(shù)法（不作介紹）c、減小阻力的途徑：原因：流體通過管路時的流體阻力越大，能量損失也越大，操作費用也越大。途徑：○在能滿足生產(chǎn)需要的情況下，盡量縮短長度，并盡量減少管件及閥門的數(shù)量；