化工原理管內(nèi)流體流動現(xiàn)象

化工原理管內(nèi)流體流動現(xiàn)象第一頁，共三十二頁，2022年，8月28日

1.3管內(nèi)流體流動現(xiàn)象

1.3.1流體的粘度

1.3.2流體的流動型態(tài)

1.3.3流體在圓管內(nèi)的速度分布1.3.4流體流動邊界層第二頁，共三十二頁，2022年，8月28日1.3.1流體的粘度一、牛頓粘性定律

或式中：F——內(nèi)摩擦力，N；

τ——剪應(yīng)力，Pa；

——法向速度梯度，1/s；μ——比例系數(shù)，稱為流體的粘度，Pa·s。

Fuu＋dudy第三頁，共三十二頁，2022年，8月28日牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓

粘性定律的流體；非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。

第四頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、流體的粘度（動力粘度）1.粘度的物理意義

流體流動時在與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。粘度的物理本質(zhì)：分子間動量傳遞。

分子間作用力和分子碰撞。第五頁，共三十二頁，2022年，8月28日液體:T↑→↓氣體:一般T↑→↑超高壓p↑→↑第六頁，共三十二頁，2022年，8月28日2.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關(guān)系1cP＝10-3Pa·s第七頁，共三十二頁，2022年，8月28日3.運(yùn)動粘度

粘度μ與密度ρ的之比。m2/s第八頁，共三十二頁，2022年，8月28日一、雷諾實(shí)驗(yàn)1.3.2流體的流動型態(tài)第九頁，共三十二頁，2022年，8月28日

層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；

湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。第十頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

無因次數(shù)群（1）第十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日1.判斷流型Re≤2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000時，流動可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。第十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日2.物理意義

反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動的湍動程度。第十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日一、層流時的速度分布

1.3.3流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在管內(nèi)流動時,管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系。第十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日由壓力差產(chǎn)生的推力

流體層間內(nèi)摩擦力

第十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日勻速運(yùn)動物體受的合力為零：第十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日管壁處r＝R時，u＝0，可得速度分布方程（2）第十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日1.管中心流速為最大，即r＝0時，u＝umax

2.流體在圓形直管內(nèi)層流流動時，其速度呈拋物面分布。第十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日管截面上的平均速度:層流流動平均速度為管中心最大速度的1/2。

第十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日（3）哈根－泊謖葉方程第二十頁，共三十二頁，2022年，8月28日二、湍流時的速度分布

剪應(yīng)力：e為湍流粘度，與流體的流動狀況有關(guān)。

湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：第二十一頁，共三十二頁，2022年，8月28日一、邊界層的形成與發(fā)展

流動邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，即流速降為主體流速的99％以內(nèi)的區(qū)域。邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。1.3.4流體流動邊界層第二十二頁，共三十二頁，2022年，8月28日流體在平板上流動時的邊界層：

第二十三頁，共三十二頁，2022年，8月28日邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體。第二十四頁，共三十二頁，2022年，8月28日邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。

第二十五頁，共三十二頁，2022年，8月28日流體在圓管內(nèi)流動時的邊界層

第二十六頁，共三十二頁，2022年，8月28日充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑；進(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分。也分為層流邊界層與湍流邊界層。進(jìn)口段長度：層流：湍流：第二十七頁，共三十二頁，2022年，8月28日湍流流動時：第二十八頁，共三十二頁，2022年，8月28日湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動而大大強(qiáng)化；過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；層流內(nèi)層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動?！獙恿鲀?nèi)層為傳遞過程的主要阻力Re越大，湍動程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。第二十九頁，共三十二頁，2022年，8月28日ABS二、邊界層的分離第三十頁，共三十二頁，2022年，8月28日A→C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減?。槈禾荻龋籆→S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS’以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒