第一章流體流動(3節(jié))

第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（1）一、流體流動阻力產(chǎn)生原因和影響因素：2、流體與固體接觸后，于是在固體壁附著一層流體膜，即流體與固體間由于潤濕作用，即存在附著力。1、流體內(nèi)存在分子間作用力，當流體流動時，兩流體層間產(chǎn)生相對運動，即存在摩擦力，內(nèi)摩擦使流體流動時受到阻力，因而消耗能量。這種流體分子間的作用力叫黏性力(內(nèi)摩擦力、剪應力)。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（2）二、牛頓黏性定律：

流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為流體的黏性。FuΔy→dyu+duu摩擦力F與兩流體層間的速度梯度Δu/Δy成正比，與兩液層的接觸面積S成正比，且平行；即：2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（3）平行地作用在單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為剪應力，用τ表示：du/dy:速度梯度，即u與垂直管壁距離y的變化率。

μ:黏滯系數(shù)或動力黏度，簡稱為黏度。牛頓黏性定律：符合如下系的流體叫牛頓型流體，即

內(nèi)摩擦力τ與du/dy速度梯度一次方成正比，稱為牛頓黏性定律。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（4）1、μ黏度：促使流體產(chǎn)生單位速度梯度的內(nèi)摩擦力。μ黏度表示流體黏性大小，是流體的物理屬性；流體靜止時不討論性質(zhì)。2、μ的單位：三、黏度2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（5）3、影響μ的因素：主要是溫度t的影響。

t↑：液體的

μ↓

；氣體的μ

↑

；

黏性力：

①分子間吸引力，造成內(nèi)摩擦力，液體主要是此原因。②分子間的熱運動，造成內(nèi)摩擦力，氣體主要是此原因。4、μ的數(shù)據(jù)來源：文獻值；查任意溫度下的μ值，查圖(教材)。

μ值非常重要的物理量，在流體流動、傳熱、傳質(zhì)中起重要作用。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（6）五、流體的流動類型與雷諾數(shù)Re1、雷諾實驗：為了直觀地觀察流體流動時，內(nèi)部質(zhì)點的運動情況，及各種因素對流體流動狀態(tài)的影響。請看雷諾實驗圖示－－2023/2/6雷諾實驗圖示（1）2023/2/6雷諾實驗圖示（2）2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（7）2、流體流動類型——

層流流動(層流)：質(zhì)點平行沿軸線位移，一層滑過一層流動，質(zhì)點間無垂直流動方向上的位移,互不干擾的直線運動。湍流流動(湍流)：質(zhì)點在軸向運動的同時，存在徑向及各個方向上的雜亂無章運動，流速大、混合快。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象(8)

影響流動類型的因素：內(nèi)因、外因用不同流體實驗，檢驗內(nèi)因的影響(

ρμ等)；用不同設(shè)備(材質(zhì)、管徑、管長、粗糙程度、流速等)；經(jīng)雷諾研究，將實驗結(jié)果用數(shù)學的“因次分析法”處理，得到無因次準數(shù)群——雷諾數(shù)Re：實驗證明：

Re≦2000層流；

Re

≧4000湍流；雷諾數(shù)Re為流體流動類型的判據(jù)。不穩(wěn)定的過度狀態(tài)：雷諾數(shù)—流體流動類型的判據(jù)2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（9）Re的量綱(單位)：

Re的物理意義——兩個物理量——力之比。

對于圓管中的流體，uρ表示質(zhì)量流速，ρu2表示單位時間通過單位面積的動量，其值與單位截面積的慣性力成正比。u/d表示流體內(nèi)部的速度梯度，μ?u/d與流體內(nèi)部的黏性力成正比。因此，Re就相當于慣性力與黏性力之比。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（10）3、層流與湍流本質(zhì)區(qū)別：層流沿管軸有規(guī)律的平行移動，層與層之間沒有明顯的干擾，即互不碰撞，互不混合。湍流質(zhì)點作各個方向不規(guī)則的雜亂的運動，劇烈的擾動和混和、強烈的碰撞，存在徑向脈動，質(zhì)點的

徑向脈動是湍流運動的最大基本特點。

層流不存在脈動。這是兩者流動方式存在的本質(zhì)區(qū)別。流體的湍動、層流在生產(chǎn)中都被廣泛應用。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（11）例：

在25mm的鋼管中輸送水，流速為1.0m/s，水溫為20℃。求：（1）管路中水的流動類型。（2）管路內(nèi)水保持層流狀態(tài)的最大流速。解：（1）20℃時，水的黏度為10-3Pa.s,密度為998.2kg/m3,則管中的雷諾數(shù)為：為湍流流動（2）若為層流,Re≤2000,即：2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（12）六、流體在圓管內(nèi)的速率分布：速度分布：描寫流體流動過程中，各點軸向速度沿管半徑變化的數(shù)學式。1、層流：層流時，沿管徑的分布為拋物線型。u=u平=0.5umax（1）中心最大流速：（3）速度分布公式：（2）平均速度：2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（13）2、湍流：速度分布沒有嚴格的規(guī)律性，速度分布不是嚴格的拋物線型，是近拋物線型。u=0.82umax（1）速度分布經(jīng)驗式：（2）平均速度：2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（14）圓管內(nèi)層流與湍流的比較層流Re≤2000湍流Re≥4000本質(zhì)區(qū)別分層流動

質(zhì)點的脈動

速度分布平均速度

剪應力拋物線近拋物線黏性力黏性力+附加阻力2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（20）湍流核心緩沖層湍流邊界層層流邊界層1、邊界層的形成：當流體流經(jīng)固體表面時，由于：1)流體與固體間存在附著力，形成流體膜；2)流體內(nèi)存在粘度具有內(nèi)摩擦；所以在垂直于流體流動方向上產(chǎn)生速度梯度。邊界層：在固體壁面附近存在速度梯度的流體層，稱為流體的流動邊界層，簡稱邊界層。邊界層內(nèi)速度的特點：只有邊界層內(nèi)才有速度梯度；即邊界層內(nèi)du/dy≠0。邊界層以外稱主流區(qū)，其速度為u認為是恒定的。七、邊界層的概念2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（21）

邊界層厚度δ隨流經(jīng)管長x0而增加，摩擦力對邊界層外的流體持續(xù)作用，促進邊界層不斷增厚，至始邊界層在某處匯合，δ值增加到最大值。此后δ不再增大，達到流動穩(wěn)定。

若匯合處的邊界層為層流，則此后管內(nèi)的流體流動仍為層流。若匯合處的邊界層為湍流，則此后管內(nèi)的流體流動仍為湍流。2、流體在圓形直管進口邊界層的厚度：2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（22）結(jié)論：流動類型為層流，則管的內(nèi)半徑厚度，均為邊界層，稱為層流邊界層。。流動類型為湍流，在靠近管壁面有厚度為δ的邊界層，此厚度稱為湍流邊界層。

工程上認為：流體進入管口達到穩(wěn)定流動，需要一“進口穩(wěn)定段”，穩(wěn)定段的長度層流時為(50～60)d；湍流時一般比層流短一些，為(40～50)d。2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（23）

應用邊界層的概念可使阻力計算問題簡化。流體的流動可分為兩部分：1)邊界層內(nèi)(邊界層區(qū)域)：靠近固體壁面處的邊界層內(nèi)由于存在速度梯度，存在剪應力，必須考慮流體的黏性作用，即流體阻力存在區(qū)，τ=μdu/dy項不能忽略。2)主流區(qū)(邊界層以外)：du/dy≈0，u=0.99us，可以忽略黏性力，但附加阻力比較大，稱為外流區(qū)域；既使流體黏度較大，

τ也可忽略，此區(qū)域黏度不起作用，即不考慮黏性力的作用。

德國科學家普朗特在二十世紀初提出一個重大假設(shè)：黏性影響僅限于固體壁面附近，即邊界層內(nèi)；而阻力僅與此薄層的特性有關(guān)。3、邊界層應用的意義：2023/2/6第三節(jié)管內(nèi)流體流動現(xiàn)象（24）ABCD邊界層的分離圖示

邊界層的一個重要特點：在流體遇到新“情況”時，發(fā)生流體脫離壁面，沿著新的流動方向進行流動，此現(xiàn)象稱為邊界層分離；同時伴隨倒流、渦流、碰撞等，消耗能量。

只要有邊界層分離的發(fā)生，就存在流動阻力，他們是由于固體表面特殊形狀造成的，稱為形體阻力。當流體遇到管件、閥門、出口及進口等表面，產(chǎn)生能量損失有兩種：①的粘性力-內(nèi)摩擦力；②形體阻力－局部阻力。4、邊界層的分離：2023/