制藥化工原理第一章第三節(jié) 流體流動現(xiàn)象

第一章

流體流動一、牛頓粘性定律與流體的粘度二、流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)三、滯流與湍流的比較第三節(jié)

流體流動現(xiàn)象2023/11/2

一、牛頓粘性定律與流體的粘度

牛頓粘性定律流體的內(nèi)摩擦力：運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的作用力。又稱為粘滯力或粘性摩擦力。——流體阻力產(chǎn)生的依據(jù)2023/11/2剪應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)摩擦力，以τ表示。適用于u與y成直線關(guān)系

對于特定流體，兩相鄰流體層之間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與兩流體層間的速度差成正比，與流體層間的垂直距離成反比。2023/11/2——牛頓粘性定律式中：

速度梯度比例系數(shù)，它的值隨流體的不同而不同，流體的粘性愈大，其值愈大，稱為粘性系數(shù)或動力粘度，簡稱粘度。

2023/11/22、流體的粘度

1)物理意義

促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運動時才顯現(xiàn)出來2)粘度與溫度、壓強的關(guān)系

a)液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強變化時，液體的粘度基本不變。2023/11/2

b)氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓強增加而增加的很少。3）粘度的單位在SI制中：在物理單位制中，2023/11/2SI單位制和物理單位制粘度單位的換算關(guān)系為：4)混合物的粘度對常壓氣體混合物：對于分子不締合的液體混合物：2023/11/25）運動粘度單位：SI制：m2/s；

物理單位制：cm2/s，用St表示。2023/11/2二、流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)1、雷諾實驗（p25頁）

滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?023/11/22023/11/22、雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)的因次：Re是一個沒有單位，沒有因次的純數(shù)。在計算Re時，一定要注意各個物理量的單位必須統(tǒng)一。雷諾準(zhǔn)數(shù)可以判斷流型

流速u、管內(nèi)徑d、流體粘度μ和密度ρ也都能引起流動狀態(tài)的改變。2023/11/2流體在圓形直管內(nèi)流動時：流體的流動類型屬于滯流；流體的流動類型屬于湍流；可能是滯流，也可能是湍流，與外界條件有關(guān)?！^渡區(qū)2023/11/2例：10oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動，流速為2m/s，試計算：1）Re的數(shù)值，并判斷水在管內(nèi)的流動狀態(tài)；

2）水在管內(nèi)保持層流流動的最大流速。 解：1）從附錄2查得10oC時，ρ=999.7kg/m3，μ=1.306×10-3Pa.s，管徑d=0.05m，流速u=2m/s，因為Re>4000,所以水在管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流動。2）保持層流流動的最大Re為2000,即2023/11/2三、層流與湍流的比較

1、流體內(nèi)部質(zhì)點的運動方式層流流動時，流體質(zhì)點沿管軸做有規(guī)則的平行運動。湍流流動時，流體質(zhì)點在沿流動方向運動的同時，還做隨機的脈動。2023/11/2管道截面上任一點的時均速度為：湍流流動是一個時均流動上疊加了一個隨機的脈動量。例如，湍流流動中空間某一點的瞬時速度可表示為：湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動。

2023/11/22、流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在管內(nèi)流動時截面上各點速度隨該點與管中心的距離的變化關(guān)系。

1）圓管內(nèi)層流流動的速度分布作用于流體單元左端的總壓力為：2023/11/2作用于流體單元右端的總壓力為：作用于流體單元四周的剪應(yīng)力為：2023/11/2代入上式得：——滯流流動時圓管內(nèi)速度分布式

2023/11/22）圓管內(nèi)湍流流動的速度分布

4×10-4<Re<1.1×105時，n=6；

1×10-5<Re<3.2×106時，n=7；

Re>3.2×106時，n=10。——湍流流動時圓管內(nèi)速度分布式

2023/11/23、滯流和湍流的平均速度通過管截面的平均速度就是體積流量與管截面積之比

1）層流時的平均速度

流體的體積流量為：滯流時，管截面上速度分布為：2023/11/2積分此式可得層流時平均速度等于管中心處最大速度的一半。2023/11/22）湍流時的平均速度積分上式得：2023/11/2——1/7方律通常遇到的情況下，湍流時的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。2023/11/24、滯流和湍流中的剪應(yīng)力滯流流動的剪應(yīng)力：剪應(yīng)力：單位時間通過單位面積的動量，即動量通量。湍流流動的剪應(yīng)力：