化工原理14 流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.4流體(liútǐ)流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1流體的流動(liúdòng)型態(tài)1.4.2湍流的基本特征1.4.3邊界層與邊界層分離1.4.4圓管內(nèi)流體流動(liúdòng)的速度分布精品資料1.4.1流體(liútǐ)的流動型態(tài)層流(cénɡliú)和湍流流動型態(tài)的判斷-雷諾準(zhǔn)數(shù)Re精品資料層流(cénɡliú)和湍流1883年著名的雷諾實(shí)驗(yàn)揭示(jiēshì)出流動的兩種截然不同的型態(tài)1.4.1流體的流動型態(tài)層流或滯流laminarflow精品資料流動(liúdòng)型態(tài)的判斷-雷諾準(zhǔn)數(shù)Re流型對動量、熱量和質(zhì)量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。流體流動的幾何(jǐhé)尺寸(d)、u、ρ和μ對流型的轉(zhuǎn)變有影響。綜合成一個無因次的數(shù)群duρ/μ-雷諾準(zhǔn)數(shù)，用Re表示。Re<2000，流體的流動狀態(tài)為層流區(qū)；2000<Re<4000時，為過渡區(qū)；Re>4000時，流體的流動狀態(tài)為湍流區(qū)。擾動與穩(wěn)定、穩(wěn)定和定態(tài)是不相同的。擾動時的雷諾準(zhǔn)數(shù)不能判別流體的流動狀態(tài)。1.4.1流體的流動型態(tài)精品資料時均速度(sùdù)與脈動速度(sùdù)湍流時流體(liútǐ)質(zhì)點(diǎn)在沿管軸流動的同時還作隨機(jī)的脈動。一定時間T內(nèi)，流體(liútǐ)的平均(時均)速度：1.4.2湍流的基本特征當(dāng)時間間隔足夠長，時均速度與所取的時間間隔無關(guān)。實(shí)際湍流是時均流動疊加一個隨機(jī)的脈動量。質(zhì)點(diǎn)的瞬時流速可寫成主體流動精品資料湍流的強(qiáng)度(qiángdù)和尺度湍流：在主體流動上疊加各種不同(bùtónɡ)尺度、強(qiáng)弱不等的旋渦。大旋渦不斷生成，并從主流的勢能中獲得能量。同時，大旋渦分裂成越來越小的旋渦，其中最小的旋渦中由于存在大的速度梯度，機(jī)械能因流體粘性變成熱能，小旋渦隨之消亡。因此，湍流流動時的機(jī)械損失比層流時大得多。1.4.2湍流的基本特征湍流的機(jī)械能損失-轉(zhuǎn)變?yōu)闊峋焚Y料湍流的強(qiáng)度(qiángdù)和尺度湍流強(qiáng)度(qiángdù)用脈動速度的均方根值表示。x方向的湍流強(qiáng)度(qiángdù)可表示為：

也可用脈動速度的均方根與平均流速的比值，即1.4.2湍流的基本特征無障礙物的湍流流場，湍流強(qiáng)度約為0.5%～2%；在障礙物后的高度湍流區(qū)，湍流強(qiáng)度可達(dá)5%～10%。精品資料湍流(tuānliú)的強(qiáng)度和尺度湍流尺度與旋渦大小有關(guān)。以相鄰兩點(diǎn)的脈動速度是否相關(guān)度量(dùliàng)。在流場中相距一小段距離為y的1、2兩點(diǎn)，在流動方向x的脈動速度分別為1.4.2湍流的基本特征兩點(diǎn)脈動速度的相關(guān)程度可用如下的相關(guān)系數(shù)R表示兩點(diǎn)間距小到處于同一旋渦之中，兩點(diǎn)脈動速度存在關(guān)聯(lián)；當(dāng)兩點(diǎn)間距比較遠(yuǎn)，兩點(diǎn)的脈動速度各自獨(dú)立。精品資料湍流的強(qiáng)度(qiángdù)和尺度相關(guān)系數(shù)R在0～1之間，與兩點(diǎn)相距有關(guān)。R值越大，相關(guān)性越大。于是湍流尺度可定義為

y為兩測點(diǎn)間的距離。當(dāng)空氣的流速為12m/s時，湍流尺度約為10mm。湍流尺度與Re有關(guān)。Re增加，湍流尺度下降，旋渦直徑減小，如果是液體，則液滴直徑變小(biànxiǎo)。化工生產(chǎn)中，為了增加液-液的分散度，須加大流體的Re數(shù)，湍流尺度下降，旋渦直徑減小。1.4.2湍流的基本特征精品資料湍流(tuānliú)粘度層流流動時，動量傳遞(chuándì)服從牛頓粘性定律；在湍流流動，則不服從牛頓粘性定律。用牛頓粘性定律表示湍流流動時的動量傳遞(chuándì)，則寫成：

稱流體的湍流粘度，與運(yùn)動有關(guān)。當(dāng)流體在層流流動時，；流體在湍流流動，隨著Re數(shù)增加而增加，當(dāng)Re數(shù)達(dá)到一定程度時，流體的粘度可忽略。1.4.2湍流的基本特征精品資料1.4.3邊界層與邊界層分離(fēnlí)1904年，普蘭特提出了著名的邊界層理論。他在海德貝爾格的數(shù)學(xué)年會上宣讀了“具有很小摩擦的流體運(yùn)動”，證明了繞固體的流動可以分為(fēnwéi)兩個區(qū)域:一、物體附近很薄的一層(邊界層)，摩擦起主要的作用；二、該層以外的其余區(qū)域，摩擦可以忽略不計(jì)。邊界層理論的重大意義在于，在人們還不可能求解完整的N—S方程(納維-斯托克斯方程)以前，解決了阻力問題，使人類的飛行至少提前了半個世紀(jì)。同時，它還是奇異攝動理論中匹配漸近展開法的雛形。表達(dá)黏性流體運(yùn)動的動量方程

精品資料邊界層概念(gàiniàn)及普蘭特邊界層理論普蘭特邊界層理論的主要(zhǔyào)內(nèi)容：1.4.3邊界層與邊界層分離

（1）緊貼壁面非常薄的一層，該薄層內(nèi)速度梯度很大，這一薄層稱為邊界層。

（2）邊界層以外的流動區(qū)域，稱為主體區(qū)或外流區(qū)。該區(qū)域內(nèi)流體速度變化很小，故這一區(qū)域的流體流動可近似看成是理想流體流動。精品資料邊界層概念(gàiniàn)及普蘭特邊界層理論邊層界的流型：層流邊界層和湍流邊界層。邊界層的判斷方法用ReRe=ρu0x/μx為離平壁前緣的距離。管內(nèi)(ɡuǎnnèi)的流動狀態(tài)為層流，邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)為層流；當(dāng)邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，則管內(nèi)(ɡuǎnnèi)的流動狀態(tài)為湍流。邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)為層流，管內(nèi)(ɡuǎnnèi)的流動狀態(tài)不能確定。1.4.3邊界層與邊界層分離精品資料邊界層的形成(xíngchéng)和發(fā)展1.4.3邊界層與邊界層分離(fēnlí)精品資料流體在管子入口段的流動過程中，邊界層不斷變化，在傳質(zhì)、傳熱等過程中，與定態(tài)管流有差異，所以在測量流速、流量、壓強(qiáng)(yāqiáng)等物理量時需要一定的距離，這段距離稱穩(wěn)定段。邊界層的穩(wěn)定(wěndìng)段精品資料湍流(tuānliú)時層流內(nèi)層和過渡層層流流動，整個邊界層為層流湍流邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)：湍流層，過渡層和層流內(nèi)層湍流層、過渡層與湍流主體一般統(tǒng)稱為湍流核心。因此流體在湍流流動過程中，分為湍流核心和層流內(nèi)層。在湍流核心流體的溫度、流速等物理量可認(rèn)為是不變的。流體的傳質(zhì)、傳熱和流動阻力全部集中(jízhōng)在層流內(nèi)層，其層流內(nèi)層的厚度隨Re增加而變薄。1.4.3邊界層與邊界層分離精品資料邊層界的分離(fēnlí)當(dāng)流體流過一個大曲率的物體時，與直管、平板不同。uA=0，壓強(qiáng)最大；A到B點(diǎn)，邊界層內(nèi)流體處于加速減壓狀態(tài)；B到C點(diǎn)，邊界層內(nèi)流體處于減速加壓狀態(tài)，在剪應(yīng)力和逆壓強(qiáng)梯度的作用下，壁面附近流體的速度迅速下降，到C點(diǎn)為零，壁面遠(yuǎn)一點(diǎn)由于流速較大(jiàodà)，到點(diǎn)流速也降為零；C線上方為邊界層，運(yùn)動過程中將全部消失，C線下方，邊界層離開物體壁面，稱邊界層分離。1.4.3邊界層與邊界層分離流體流過一個大曲率的物體的結(jié)果是：（1）流道擴(kuò)大時必造成逆壓強(qiáng)梯度；（2）逆壓強(qiáng)梯度容易造成邊界層分離；（3）邊界層分離造成大量旋渦，增加機(jī)械能消耗。精品資料流線型精品資料1.4.4圓管內(nèi)流體流動的速度(sùdù)分布流體的受力平衡剪應(yīng)力分布層流(cénɡliú)時速度分布層流(cénɡliú)時的平均速度和動能校正系數(shù)α湍流時速度分布湍流時的平均速度和動能校正系數(shù)精品資料流體(liútǐ)的受力平衡流體在均勻直管內(nèi)作定態(tài)流動，長為l、半徑為r的流體圓柱的受力狀態(tài)：兩端的壓力F1＝лr2p1F2＝лr2p2外表面(biǎomiàn)的剪力F＝2лrlτ圓柱體的重力Fg＝лr2lρg它們之間的關(guān)系為F1―F2―F＋FgSinα＝０如果水平放置，則F1―F2―F＝０1.4.4圓管內(nèi)流體流動的速度分布精品資料剪應(yīng)力分布(fēnbù)考慮圓形水平直管，將上式進(jìn)行整理(zhěnglǐ)得лr2p1－лr2p2＝2лrlττ＝（p1－p2）r/2l圓形水平直管，剪應(yīng)力與半徑r成正比。管中心，r＝0，剪應(yīng)力等于零；管壁處，r＝R，剪應(yīng)力最大。與邊界層的理論是相一到的。1.4.4圓管內(nèi)流體流動的速度分布精品資料層流時速度(sùdù)分布流體在水平(shuǐpíng)圓形直管內(nèi)作層流流動時，服從牛頓黏性定律，即：而τ＝（p1－p2）r/2l代入積分得管中心處的最大流速為1.4.4圓管內(nèi)流體流動的速度分布精品資料則層流(cénɡliú)時速度分布湍流(tuānliú)時速度分布精品資料層流時的平均速度(pínɡjūnsùdù)和動能校正系數(shù)α根據(jù)速度分布式，可以(kěyǐ)積分求出管流的平均速度和動能校正系數(shù)α1.4.4圓管內(nèi)流體流動的速度分布圓形管內(nèi)層流流動時的平均流速為管中心處最大流速的一半,動能校正系數(shù)為2.0。精品資料湍流(tuānliú)時速度分布當(dāng)流體(liútǐ)作湍流流動時，湍流粘度不是物性常數(shù)，它隨Re而變化，因此層流的速度分布就不適用于湍流。一般湍流條件下用以下的經(jīng)驗(yàn)公式：

ｎ與Ｒe有關(guān)的指數(shù)4×104<Ｒe<1.0×105時，n＝1/61.1×10