流动现象
第一章 流体流动2..
）
盐城师范学院
---化工原理---
1.４.2 流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上 质点的速度随半径的变化关系。 无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度 沿管径而变化，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增， 到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流 型而异。
层流边界层 湍流边界层
u∞
u∞
u∞
δ
A x0
层流内层
平板上的流动边界层
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转折点：
Re x
u x
---化工原理---
5 105 ~ 2 106
边界层厚度δ随x增加而增加
层流： 4.64 x (Rex )0.5
层流边界层
湍流边界层
x
x
0.5
u∞
u∞
u∞
湍流： 0.376 0.2
(a)
过渡流
(b)
湍流 (Turbulent flow)
(c)
两种稳定的流动状态：层流、湍流。
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---化工原理---
层流：
* 流体质点做直线运动；
* 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞； * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力。 湍流： 主体做轴向运动，同时有径向脉动；
特征：流体质点的脉动 。
r2 u umax 1 R 2
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---化工原理---
r2 dVs umax 2r 1 R 2 dr
积分此式可得
2 r r R Vs 2umax r 0 r 1 R 2 dr R 2 4 r r 2umax 2 R 2u / 2 max 2 4R 0
1.4 流体流动现象
4 边界层的概念
讨论 ⑴边界层分离的必要条件： 流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度。 ⑵边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。 ⑶流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。 由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能 量损耗称为形体阻力。 ⑷粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形 体阻力之和这两者之和又称为局部阻力。
M L L3 L0 M 0 0 M L
Re ⑶Re准数是一个无因次的数群。
L
第1章 （第4节） 流体流动现象
1 流动类型与雷诺准数
⑷流体的流动类型可用雷诺数Re判断。
Re 2000时为层流
流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无 径向脉动，质点之间互不混合,不碰撞。
1 流动类型与雷诺准数
⑵ 调节阀门开度， 使流量变大，细管 内有色液体成波浪 形。说明流体质点 除沿轴向流动外， 沿径向也运动。相 邻流体层之间混合， 碰撞。 （如动画）
第1章 （第4节） 流体流动现象
1 流动类型与雷诺准数
⑶调节阀门开度，使
流量再变大，细管内 有色液体细线便完全 消失，有色液体出细 管后完全散开，与水 混合在一起。说明流 体质点除沿轴向流动 外，还作不规则杂乱 运动。彼此之间混合， 碰撞。 （如动画）
齐齐哈尔大学
第1章 （第4节） 流体流动现象
1.4 流体流动现象
1 流动类型与雷诺准数
本节 讲授 内容
2 流体在圆形直管内速度分布 3 滞流与湍流的比较
4 边界层的概念
第1章 （第4节） 流体流动现象
流体的流动现象
[例1-17]在 得无缝钢管中输送燃料油,油得运动粘度为90cSt,试求燃料油坐标滞流流动时得临界速度.
解:由于运动粘度 ,则 .滞流时,Re得临界值为2000,即
Re=du/v=2000
式中d=168-5x2=158mm=0.158m
(1—30)
图1－14中b、c、d曲线所代表的流体，其表观粘度凡都只随剪切速率而变，和剪切力作用持续的时间无关，故称为与时间无关的粘性流体，又可分为下面三种。
1)假塑性(Pseudoplastic)流体这种流体的表观粘度随剪切速率的增大而减小，τ对γ的关系为一向下弯的曲线，该曲线可用指数方程来表示：
τ=τ0+η0 (1—32)
式中τ0—屈服应力，Pa；
η0—刚性系数，Pa·s。
二、与时间有关的粘性流体.
在一定剪切速率下，表观粘度随剪切力作用时间的延长而降低或升高的流体，则为与时间有关的粘性流体。它可分为下面两种。
1)触变性(thixotropic)流体这种流体的表观粘度随剪切力作用时间的延长而降低，属于此类流体的如某些高聚物溶液、某些食品和油漆等。
[例1-16]20℃得水在内径为50mm得管内流动,流速为2m/s.试分别用法定单位制和物理单位制计算准数得数值.
解:(1)用法定单位制计算从本教材附录六查得水在20℃时
已知:管径d=0.05m,流速u=2m/s,则
Re=
(2)用物理单位制计算
u=2m/s=200cm/s, d=5cm
所以Re=99320
(1—26a)
式中 —速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；
—比例系数，其值随流体不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度
水流现象知识点总结(含常见水流现象解析)
水流现象知识点总结(含常见水流现象解析)水流现象知识点总结水是地球上最常见的液体之一，我们常常能够观察到各种不同的水流现象。
本文将对一些常见的水流现象进行解析和总结。
1. 水的流动性质水的流动性质是指水在流动过程中所表现出的特点。
以下是几个常见的水流动性质：- 流速：水流的速度，通常用单位时间内通过某一点的水量来表示。
- 流向：水流的方向，受到重力、地形和封堵等因素的影响。
- 水位：水的高低程度，可以用来表示水流的深度和涨落情况。
- 水流的稳定性：水流是否呈现连续、稳定的状态，还是存在波动和不稳定的现象。
2. 水流现象解析2.1. 洪水洪水是指河流或其他水库的水位超过河道堤坝等边界，造成水流泛滥的现象。
洪水常常是由于大量降雨、融雪或水库泄洪等原因引起的。
洪水对人类和生态环境都可能造成严重的破坏和危险。
2.2. 激流激流是指水流流速很快，水势非常强劲的现象。
激流常常出现在陡峭的山谷、瀑布或冲积沟等地方。
激流对于冒险运动和水上活动具有很高的吸引力，但同时也存在一定的危险性。
2.3. 潮汐潮汐是由于月球和太阳引力作用造成的大规模海洋水位的涨落现象。
潮汐对于海洋生态和海岸线的形成都有不可忽视的影响。
2.4. 涡流涡流指的是水流中形成的旋涡，即水流在流动过程中形成的旋转流动现象。
涡流常常出现在河道的弯曲处、水流受阻的地方或旋涡涡旁等地。
以上只是一些常见的水流现象，不同的水流现象会受到地理环境、气候和水库的影响而有所不同。
了解水流现象的知识，有助于我们更好地理解和预防水灾，同时也能够更好地利用水资源。
流体力学中的湍流流动现象
流体力学中的湍流流动现象流体力学是研究流体运动规律的学科，而湍流流动现象是流体力学领域中一个极为重要和复杂的问题。
湍流流动的出现在我们的日常生活中随处可见，如水龙头的水流、风的吹拂、河流的水流等等都存在着湍流现象。
然而，湍流流动的本质却仍然是一个未解之迷。
湍流流动是指流体在运动过程中发生的一种无规则、混乱的流动状态。
与湍流相对的是层流，层流是指流体在运动过程中具有规律性和序列性的流动状态。
湍流的出现是由于流体分子之间相互碰撞和摩擦引起的，这种现象使得流体在运动中呈现出分流、交替、混合等复杂的运动状态。
湍流流动具有许多特点，比如湍流是不稳定的，它的速度和压力分布是时刻发生变化的；湍流流动能量的转换非常复杂，能量在各个方向上的分布非常均匀，并且湍流的能量分布与空间尺度相关，研究发现湍流流动中存在着许多不同尺度的涡旋结构；此外，湍流流动还表现出空间和时间上的混沌性，即使是对相同初始条件的湍流流动，其结果也会呈现出不可预测的变化。
湍流流动的理论研究非常困难，至今仍未完全解决。
目前，湍流流动的研究主要通过数值模拟和实验手段来开展。
数值模拟可以模拟湍流流动的物理过程，通过计算机模拟湍流的运动规律，可以得到湍流流动的速度、压力等物理量的分布情况，从而对湍流流动进行研究。
实验手段则通过设计实验装置，观察流体在湍流流动状态下的特性和行为，并测量一些相关的物理量，以获得湍流流动的性质。
湍流的形成和发展与流体的黏性密切相关。
在一些高黏性的流体中，湍流流动很难形成，流体呈现出较为稳定的层流状态。
而在一些低黏性的流体中，湍流流动很容易发生，湍流现象十分明显。
湍流流动还和流体的速度、密度、粘度以及流动条件等因素紧密相关。
湍流流动的研究对于提高流体力学的应用水平具有重要意义。
湍流流动在工程、地质、生物学以及大气环境等领域中起着重要的作用。
例如，在工程领域，湍流的产生会给管道输送、搅拌等工艺过程带来许多问题，研究湍流流动可以帮助我们更好地设计和优化工艺设备。
流体流动现象
8
层流时的阻力损失—压力降∆p （二） 层流时的阻力损失—压力降 f p1－ p2 = ∆pf 水平等径直管压力降由阻力损失引起。 水平等径直管压力降由阻力损失引起。 层流： 层流： vmax＝2u
d R= 2
p1－p 2 2 ∆pf d 2 2u = v max = R = ( ) 4µl 4µl 2
常用的局部阻力系数的求法 （一）突然扩大
突然扩大时阻力系数 （二）突然缩小
层流时
64 µ 64 λ= = ρ ud Re
层流时λ与 层流时 与 Re 成反比
16
2、量纲分析法 、 流动阻力的影响因素： 流动阻力的影响因素：∆pf＝f(d,l,u,ρ,µ,ε) 变量数n＝ 量纲数r＝ 变量数 ＝7 ，量纲数 ＝3 ， 各因素以幂指数形式表示： 各因素以幂指数形式表示： ∆pf＝a da lb ucρdµeεf 根据量纲一致原则，进行对比求一系列待定系数、指数。 根据量纲一致原则，进行对比求一系列待定系数、指数。 量纲一致原则
5
四、管内流动的分析
（一）层流时的速度分布
1 2
P1
r
F
v
R
P2
1
2
l
对水平等径管内流体进行受力分析， 对水平等径管内流体进行受力分析， 取圆柱形液体柱半径r、长度 ， 取圆柱形液体柱半径 、长度l，
6
层流时轴向受力如下： 层流时轴向受力如下： 面1－1的总压力 P1=πr2p1
dv F = 2π rl µ dr
1 = 2 lg d + 1.14
λ
ε
使用范围广， 使用范围广，需试差
20
2.粗糙管 粗糙管 顾毓珍等公式
λ =0.01227+
大自然空气流动的现象
大自然空气流动的现象
大自然空气流动是一种自然现象，通常是由太阳辐射造成的冷热不均引起的。
有些空气受热后，会膨胀上升，而有些空气受冷后，则开始下沉，空气的上升和下沉就引起了空气流动。
此外，地表粗糙不平、障碍物以及地面受热不均等因素也可能导致空气产生涡旋，进而形成空气的乱流运动。
具体来说，空气流动并不按照直线方向，而是带有大大小小涡旋的不规则运动。
乱流开始时，先形成于和地物接触的边界。
地表粗糙不平使得接触地表的小团空气因地表摩擦作用而减速，同时流速还会发生差异而产生空气涡旋。
此外，当风遇到高楼、山丘等障碍物时，也会形成空气涡旋。
这些涡旋随着气流总的方向一边旋转一边前进，前进中又相互干扰、变形、合并或扩散。
虽然空气整体向同一个方向流动，但每一团空气则是有快有慢的曲线运动。
随着许多大小不一、形状各异的涡旋过往和涡旋位置的不断变换，风便会一会儿大一会儿小，显现出它的阵性来。
这就是大自然中常见的空气流动现象。
另外，值得注意的是，雾、雨、风等天气现象都与空气流动有着直接或间接的关联。
例如，在风力较大或大风天气里，通常不具备雾的生成条件，因此雾就不太可能出现。
1.流体分类及流动现象
＝
(2)
du dy
非牛顿流体的流动涉及国民经济的许多部门，如化工、 轻工、食品、石油、水利、建筑、冶金等等。
非牛顿流体力学
1 分类及流动现象变方程 2 非牛顿流体的结构流 3 塑性流体的流动规律 4 幂律流体的流动规律 5 卡森流体在圆管中的结构流 6 管流研究的特性参数法 7 流变参数测定
1 非牛顿流体的分类
1） 超硬刚体 这是一种绝对刚体，也称欧几里得刚体。刚体的粘度
无限大，在任何外力下不发生形变。 2） 弹性体
在外力作用下发生形变，外力解除后，形变完全恢复。
1 非牛顿流体的分类及其流变方程
2） 弹性体 按变形和回复时间又可分为三种： a. 理想弹性体 形变和回复瞬时完成，遵守胡克定律，即应力与应
湍流减阻可以使流量增大，对传热、传质有利。 例如：在消防水中添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车水龙头喷出水的扬程 提高一倍以上。对于水工建筑、水电站建筑中的气蚀和水锤等特殊现象，用 高聚物添加剂可以减轻其破坏作用。
未添加聚乙烯氧化物的情形
添加聚乙烯氧化物后的情形
1.2 粘弹性流体奇特物理力学现象
9.二次流 二次流是由流动(主流)引起的另一种伴随流动，由
1 非牛顿流体分类
τ
τ
τ0
t0
t
图2 触变性流体剪切应力 随时间的变化
τ0
t0
t
图3 震凝性流体剪切应力 随时间的变化
1 非牛顿流体分类
(2) 粘弹性流体 粘弹性流体可认为是纯粘性流体和达到其屈
服应力之前能完全恢复其形变的纯弹性固体之间 的物质。粘弹性流体既具有部分弹性恢复效应， 又具有与时间无关及与时间有关的两大类非牛顿 流体的粘性效应，它是最一般的流体。
工程常见的流动现象
阅读一:工程常见的流动现象 阅读二:水力学中的主要实验
阅读一:工程常见的流动现象
工程常见的流动现象有:孔口出流、管嘴出流、有压管流、明 渠均匀流、明渠非均匀流、堰流和闸下出流以及渗流等现象， 前面已经对明渠均匀流、堰流和闸下出流作了简要的介绍， 现在分别对未涉及的内容作以介绍。
一、孔口出流
式(22 )和式(23)可以用来初步估算涌水量q。
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阅读一:工程常见的流动现象
3.单井的渗流 井在工程上应用范围很广，它是汲取地下水或作降低地下水
水位的集水建筑物。它的类型有很多种。 根据含水层的不同，可以分为普通井和自流井两种，在普通
井和自流井中又可以分为完全井和不完全井等，普通井又称 为潜水井，自流井又称为承压水井。如图9所示。
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阅读一:工程常见的流动现象
水力ห้องสมุดไป่ตู้度可以用测压管坡度来表示，即
科学家达西分析了大量实验资料，得到圆简内的渗流量Q与 圆简横截面积A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有 关。达西建立的基本关系为
达西实验的渗流区为均质的砂土，属于均匀渗流，断面上任 一点流速:均等于断面的平均流速。因为达西定律指出水力坡 度与渗流速度成正比，只适用于层流渗流，所以达西定律亦 称为渗流线性定律。
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阅读一:工程常见的流动现象
对于各种完全井，尤其是普通完全井，设含水层的厚度为H, 当从井中抽水时，四周地下水向井集流，并将导致地下水位 下降，若含水层体积很大，井中抽水只会在其附近一定范围 内形成一个对称于井轴的漏斗形浸润线，但含水层厚度H仍 将保持恒定;另外渗流流向井的过水断面则是一系列圆柱面， 其径向各断面的渗流情况相同，除井壁附近区域外，浸润线 的曲率很小，可看做恒定渐变流渗流，并可应用裘皮幼公式 计算断面平均流速。大家参考相关书目中的本段内容即可阅 读理解。
描述流体流动的观点并举例子说明
描述流体流动的观点并举例子说明
流体流动是指流体在受到外力作用下发生的运动。
观点可以从分子运动、连续介质和流线等角度来描述。
1. 分子运动观点：根据动理论，流体中的分子在热运动中相互碰撞，从而产生压强差和速度差，使得流体发生流动。
例如，当我们把热水壶放在火上加热，水中的分子会受热而加速运动，导致水的热量传导和对流现象。
2. 连续介质观点：将流体视为连续均匀介质，对其进行宏观的描述。
根据连续介质力学原理，流体受到外力作用时，其内部各点之间会发生相对位移，从而产生流动。
例如，当我们用手指轻轻在水中划过，水会随即形成涡流和水波。
3. 流线观点：流线是描述流体流动状态的线条，它是流体质点运动轨迹的切线方向。
流体在流动过程中，质点沿着流线运动。
例如，当我们观察河流的流动，可以看到水流以流线的形式从上游向下游流动。
流体流动的观点可以从分子运动、连续介质和流线等角度来描述。
这些观点有助于我们理解和解释流体流动现象，并在实际应用中发挥重要作用，如工程流体力学、气象学等领域。
第三节流体的流动现象
第三节流体的流动现象Fluid-flow Phenomena化工生产中的许多过程都与流体的流动现象密切相关，流动现象是个极为复杂的问题，涉及面广，本节只作简要的介绍。
3-1 牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律流体具有两个特性：（1）流动性：即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。
（2）粘性：即在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，粘性是流动性的反面。
以水在管内流动时为例，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点附于管壁上，其速度为零，其他流体在管内流动时也有类似的规律。
所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动，如图1-10所示。
由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动，速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向前运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等，方向相反的力，从而阻碍较快的流体层向前运动。
这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，所以又称为粘滞力或粘性摩擦力。
流体在流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。
流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关?可通过下面情况加以说明。
如图1-11所示，设有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板，板间充满了某种液体。
若将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板就以恒定的速度u沿x方向运动。
图10流体在圆管内分层流动示意图此时，两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动?粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板而运动，其下各层液体的速度依次降低，粘附在下板表面的液层速度为零。
实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层的速度差Δu成正比，与两层之间的垂直距离Δy 成反比；与两层间的接触面积S 成正比，，即：S yu F ∆∆∝ 若把上式写成等式，就需引进—个比例系数μ即：S yu F ∆∆=μ 式中的内摩擦力F 与作用面S 平行。
流体流动2
二、讨论：
1.
2.
则：
u1 d2 2 u2 d1
2
第四节 质量、能量和动量衡算（5）
3-2-2
流体流动时的物料衡算—连续性方程
二、讨论：
结论：（1）液体在沿着管道作定态流动时，
其流速与管道的截面积有关；
第四节 质量、能量和动量衡算（16）
3-2-3
机械能衡算—柏努利方程
３ -３ )
三、求静压力（求p ）（p106
第四节 质量、能量和动量衡算（16）
3-2-3
机械能衡算—柏努利方程
例3-4）
四、确定泵的功率（求He ）:
例4：（书P107
1.速度的计算 2.功率
第四节 质量、能量和动量衡算（16）
？
1.流动过程中为什么会消耗能量，
产生阻力 h ？
f
2.流体在管内如何运动？
3.
hf
如何计算？
粘度（书
hf
3-1-5）
阻力
摩擦
粘性
所以：产生阻力的原因：粘性
粘度（书
1.举例：
3-1-5）
一、牛顿粘性定律与流体的粘度
（1）倒水与倒油的感觉 （2）木棒插入空气、水、甘油中的感觉
结论：倒水比倒由快；气体比液体快
3-３
流体压力和流量的测量
3.3.1 压力的测量（p108-109）
3.3.2 流量的测量（p109-110）
3-4
管内流体流动的阻力
3.4.1 管、管件和阀门（p113-115）
第三节
3-4-2
化工原理--流体流动介绍
化工原理–流体流动介绍引言流体流动是化工工程中一个非常重要的基础概念。
无论是在化工过程中的液体的传输，还是气体在设备中的流动，都需要对流体流动进行深入的了解和研究。
本文将介绍流体流动的基本定义、流动模型、流体力学方程以及常见的流动行为。
通过对流体流动的介绍，读者将能够更全面地了解化工原理中的流体流动问题。
流动的定义流动是指流体在空间中运动的过程。
在化工过程中，流动一般可以分为液体流动和气体流动。
液体流动是指液体在管道、槽道或容器中的流动，主要涉及到液体的运动、运动状态和运动参数。
气体流动是指气体在管道、设备中的流动，主要涉及到气体的流动速度、气体流量和气体压力等参数。
流动模型在化工工程中，流体流动可以分为层流和湍流两种模型。
层流层流是指流体在流动过程中，流线穿过流体时呈现分层状态，流体粒子之间的相对运动速度较小。
层流的特点是流速分布规则、流体速度均匀，流体粒子之间的作用力较小，流体流动状态相对稳定。
层流一般发生在低速流动和粘性较大的流体中。
湍流湍流是指流体在流动过程中，流线交织混乱，流体粒子之间的相对运动速度较大。
湍流的特点是流速分布不规律，流体速度颠簸不定，流体粒子之间的作用力较大，流体流动状态相对混乱。
湍流一般发生在高速流动和粘性较小的流体中。
流体力学方程流体力学方程是描述流体流动的基本方程，其中最基本的是连续性方程、动量方程和能量方程。
连续性方程连续性方程是描述流体中质点的守恒关系。
对于液体流动来说，连续性方程可以表示为质流速的守恒，即质流速的变化量等于流入和流出的质量之和。
对于气体流动来说，连续性方程可以表示为能量流速的守恒，即能量流速的变化量等于流入和流出的能量之和。
动量方程动量方程是描述流体中质点的动力学性质。
对于液体流动来说，动量方程可以表示为流体的加速度与外力之差等于质量流量产生的力。
对于气体流动来说，动量方程可以表示为流体的加速度与外力之差等于能量流量产生的力。
能量方程能量方程是描述流体中能量变化的方程。
流体流动现象
2. 湍流分布
r⎞ ⎛ 由实验得到： uz = umax ⎜ 1 − ⎟ R⎠ ⎝
1 n
其中：
n～Re n=6 n=7 n=10
图1-25 湍流时的速度分布
4×104<Re<1.1×105 1.1×105<Re<3.2×106 Re>3.2×106
umax
u'
对于化工过程流体流动，通常取 n=7 即：
⎡ τ ⎤ N m2 N ⋅ s [μ ] = ⎢ ⎥ = m s = m 2 = Pa ⋅ s ⎣ du dy ⎦ m
1 Pa ⋅ s = 10 P = 1000cP
1 P = 100cP
获取方法：属物性之一，
由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。
影响因素： 主要有体系、温度、浓度
T ↑, μ L ↓, μ G ↑
qv = 2πumax ∫
R
0
⎛ r2 ⎞ r ⎜ 1 − 2 ⎟dr ⎜ R ⎟ ⎝ ⎠
1 qv = 2 πR2umax
1 u = umax 2
（2） 湍流流动
r⎞ ⎛ uz = umax ⎜ 1 − ⎟ R⎠ ⎝
1 n
qv = ∫ 2πruz dr
R 0
图1-25 湍流时的速度分布
qv = 2π umax ∫
( )
τr =ε
d ρ ux dy
( )
τ r：涡流应力或涡流动量通量，N/m2。
ε：涡流运动黏度或涡流动量扩散系数，m2/s。 涡流动量通量=涡流动量扩散系数×时均动量浓度梯度 总动量：
τ t = τ + τ r = (ν + ε )
d ρ ux dy
( )
两相流动 自然现象
两相流动自然现象两相流动是一种常见的自然现象，指的是在相对运动的气体和液体之间的流动过程。
这种流动通常在许多日常生活中的场景中都可以观察到，比如水龙头的水流、波浪的涌动等。
两相流动有着丰富多样的形态，可以是气体通过液体的流动，也可以是液体通过气体的穿透。
最典型的两相流动形式是喷泉，当水从喷泉中喷射出来时，水滴在空气中飞散，形成了一个美丽的景观。
两相流动的出现与多种因素有关。
首先，气体和液体的密度差异是造成两相流动的主要原因之一。
气体相对于液体来说密度很小，因此当气体和液体接触时，气体会受到液体的推动，形成相对运动。
其次，两相流动还与表面张力有关。
液体分子之间的相互作用力使得液滴在气体中形成，而当液滴变大到一定程度时，它们会不稳定地脱离液体表面并在空气中自由飞行。
两相流动在许多领域都有着广泛的应用。
在工程领域，两相流动的研究对于开展石油、天然气开采以及核反应堆等工作具有重要的指导意义。
在能源领域，两相流动也是火箭发动机和喷气式飞机燃烧室等燃烧系统的核心。
此外，两相流动还广泛应用于化学工程、制冷空调、环境保护等领域。
要想有效地控制和应用两相流动，需要对其行为和特性进行深入的研究。
科学家们通过实验、数值模拟和理论分析等手段，对两相流动的速度、流量、压力、温度等参数进行了系统的研究。
这些研究成果为解决相关问题提供了重要的参考，也为工程设计和实践提供了有力的支持。
综上所述，两相流动作为一种常见的自然现象，在我们日常生活中无处不在。
了解和掌握两相流动的行为和特性对于我们理解它、应用它具有重要意义。
通过深入的研究和实践，相信在未来我们可以更好地利用两相流动，推动科学技术的发展和社会的进步。
两流动现象相似的充要条件
两流动现象相似的充要条件两流动现象相似的充要条件流动现象是指在物质中传递质量、动量、热量等的现象。
在自然界中，我们会经常遇到各种流动现象，比如水流、气流、电流等。
而在工程领域中，流动现象也是非常常见的，比如管道中的流体流动、空气在飞机机翼表面的流动等。
当我们研究流动现象时，我们常常会遇到两个或多个不同流动现象之间的相似性问题。
也就是说，我们希望通过观察和研究一个已知流动现象，来推测和理解另一个未知流动现象。
在这种情况下，我们需要找到两流动现象相似的充要条件。
在研究流动现象相似性的问题时，我们经常会用到相似性分析的方法。
相似性分析是一种通过建立流动现象之间的相似关系，从而得到流动现象的重要参数和规律的方法。
在进行相似性分析时，我们需要找到两流动现象之间的相似性条件。
首先，两流动现象相似的充要条件之一是尺度相似性。
在流动现象中，尺度是非常重要的一个因素。
如果两个流动现象的尺度相似，那么它们的流动规律很可能也是相似的。
而尺度相似性的判断通常是通过流动现象中的非维数分析来进行的。
通过对流动现象中的各个重要参数进行无量纲化处理，我们可以得到一组无量纲参数。
如果两流动现象的无量纲参数具有相同的数值，那么它们的尺度就是相似的。
其次，两流动现象相似的充要条件之二是流动类型相似性。
在流动现象中，流动类型是指流体在流动过程中所呈现的基本形态。
常见的流动类型包括层流、湍流、旋涡流等。
如果两个流动现象的流动类型相似，那么它们的流动规律也很可能是相似的。
而判断流动类型相似性的方法通常是通过流动现象中的雷诺数来进行的。
雷诺数是流体流动中的一个无量纲参数，它描述了流体的惯性力和粘性力之间的相对大小。
如果两个流动现象的雷诺数相似，那么它们的流动类型就是相似的。
此外，两流动现象相似的充要条件之三是边界条件相似性。
在流动现象中，边界条件是指流体与固体界面之间的相互作用。
边界条件的不同会对流动现象产生重要的影响。
如果两个流动现象的边界条件相似，那么它们的流动规律也很可能是相似的。
两流动现象相似的充要条件
两流动现象相似的充要条件以两流动现象相似的充要条件为标题，写一篇文章，要求符合标题内容，不少于800字流动现象是指物质在空间中运动的现象，它是自然界中最为普遍的现象之一。
在物理学中，流动现象是一个重要的研究领域，涉及到流体力学、热力学、化学等多个学科。
在研究流动现象时，我们常常会遇到两个流动现象相似的情况。
那么，两流动现象相似的充要条件是什么呢？我们需要了解什么是流动相似性。
流动相似性是指两个流动现象在某些方面具有相似性质的现象。
在流体力学中，流动相似性是指两个流体在不同的尺度下，其流动特性相似的现象。
例如，两个不同大小的水槽中的水流动现象，如果它们在某些方面具有相似性质，那么它们就是流动相似的。
那么，两流动现象相似的充要条件是什么呢？下面我们来详细探讨一下。
充分条件：1.相似几何形状两个流动现象的几何形状必须相似，即它们的形状和尺寸比例相同。
例如，两个不同大小的水槽中的水流动现象，如果它们的形状和尺寸比例相同，那么它们就是流动相似的。
2.相似流体性质两个流动现象的流体性质必须相似，即它们的密度、粘度、表面张力等性质相同。
例如，两个不同大小的水槽中的水流动现象，如果它们的水的密度、粘度、表面张力等性质相同，那么它们就是流动相似的。
3.相似流动速度两个流动现象的流动速度必须相似，即它们的流速比例相同。
例如，两个不同大小的水槽中的水流动现象，如果它们的流速比例相同，那么它们就是流动相似的。
4.相似流动方向两个流动现象的流动方向必须相似，即它们的流动方向相同。
例如，两个不同大小的水槽中的水流动现象，如果它们的流动方向相同，那么它们就是流动相似的。
5.相似流动边界条件两个流动现象的流动边界条件必须相似，即它们的边界条件相同。
例如，两个不同大小的水槽中的水流动现象，如果它们的边界条件相同，那么它们就是流动相似的。
必要条件：1.雷诺数相等雷诺数是流体力学中一个重要的无量纲数，它描述了流体的惯性力和粘性力之间的比例关系。
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∆u ∆p ∆z + + = he − h f 2 g ρg
2
• Bernoulli方程
∆u 2 ∆p ∆z + + =0 2 g ρg
如何计算流体阻力？
液体形变的根本原因
雷诺实验-两种流型
•水流速度较低：染色水的流动很有规律，象一根细线。 水流速度较低：染色水的流动很有规律，象一根细线。 水流速度较低 •管内流体沿平行直线流动，互不混合。 管内流体沿平行直线流动， 管内流体沿平行直线流动 互不混合。 •流速增加到一定值：染色流线分散开来。 流速增加到一定值： 流速增加到一定值 染色流线分散开来。 •管内流体除总体沿轴向流动外，还作杂乱无章的混合运动 管内流体除总体沿轴向流动外， 管内流体除总体沿轴向流动外 径向脉动) (径向脉动)。 •两种流型对流动、传热和传质影响迥异，一般工程设计中需 两种流型对流动、 两种流型对流动 传热和传质影响迥异， 事先判断流型。 事先判断流型。
无因次准数 无因次初始条件 无因次边界条件 无因次速度分布 无因次压力分布
无因次边界条件相同：系统几何相似
定量：不同位置的流速？
•流体段(衡算范围)描述： •一维稳态 •轴向层流 •管半径R •流体段长l •流体段半径r
圆 管 层 流 轴 向 受 力 分 析
10
• 体积力：重力 – 轴向分量为零，对流动无影响 • 法向应力：压力 P2 =πr2p2 – P1 =πr2p1 • 剪应力：粘性阻力 – F= µ(2πrl)du/dr • 合力为零←←稳态等速流动
∆p 2 uc = R 4 µl
12
多普勒激光测速仪测得的雷诺数为6500时圆管中轴向速度
一维湍流可以视作平均流动上叠加轴向和横向的速度脉动，因此， 湍流有脉动频率和平均振幅这两个特征量。
13
湍流的另一种图象，是在平均流动上叠加大大小小以不同速度旋转的 旋涡，这种旋涡有旋转速度和旋涡大小尺寸之分，由此引出湍流时的 湍流强度和湍流尺寸两个特征值。
– Re ＜2100，则是层流流动； 2100，则是层流流动； 4000时 除特殊情况外，通常是湍流流动； – Re ＞4000时，除特殊情况外，通常是湍流流动； – 2100＜ Re ＜4000时，称为流动过渡区。这时，流动是 2100＜ 4000时 称为流动过渡区。这时， 层流或是湍流，要视装置的具体情况(如振动情况等) 层流或是湍流，要视装置的具体情况(如振动情况等)， 事先无法估计。 事先无法估计。
• 实验研究发现，对管流而言，流型从层流向湍流 实验研究发现，对管流而言， 的转变不仅与流速 有关， 的转变不仅与流速u有关，而且还与管几何尺寸 (管径d)、流体物性(ρ、µ)有关。把这些变量综合 流体物性( 有关。 成量纲为一的雷诺数：Re=duρ 成量纲为一的雷诺数：Re=duρ/µ • 雷诺数是没有单位、无因次的纯数，不会因单位 雷诺数是没有单位、无因次的纯数， 制不同而变化，但计算时必须采用统一单位制。 制不同而变化，但计算时必须采用统一单位制。 • 雷诺数是一种准数（无因次群） 雷诺数是一种准数（无因次群） • 雷诺数数值大小可以作为流型判据: 雷诺数数值大小可以作为流型判据:
流体在管道中发生的事情…… 流体在管道中发生的事情
进口段
uo
δ
Xo
δ
δ
d
• 进口端与速度分布的形成
– 30～50d
圆管入口处层流边界层的发展
上游区（B点前）：u增加，p减小 下游区（B点后）：u减小，p增加
22
思考题
• 什么是层流，什么是湍流，两种流型各有何特 性? • 试述雷诺数Re的物理意义，及其对流动状态的 影响。 • 有人说，稳定流动就是流体在流动中，各物理 参数不随时间、地点而变，这种说法对不对?如 不对，应如何更正? • 描述流体在水平圆管内的流动类型以及速度分 布的情形。 • 流体在管路中为什么有流动阻力和能量损失？
边界条件（无滑移壁面）：r=R, u=0 →→积分常数
∆p 2 2 u= R −r 4µl
(
)
圆管中心有最大速度
1 1 R ∆pR 2 u 2πrdr = 圆管内平均速度 ub = ∫∫ udA = 2 ∫ 0 A A πR 8µl ∆pR 2 ub = Hagen-Poiseuille公式： 8 µl
实验表明，在平板边界 层中，边界层由层流变 为湍流大致发生在Re＝ 5×l03一3×105之间，具 体值还与主流区的湍流 度和固体表面粗糙度有 关。
雷诺数大小与流动类型： 雷诺数大小与流动类型： ⇔ 临界雷诺数 不同流动类型的速度分 布和动量传递方式 特征长度的确定： 特征长度的确定：沿平 板流动、 板流动、导管流动
πr2p1 -πr2p2+ µ(2πrl)du/dr=0
du ∆p =− r dr 2 µl
∆p=p1 - p2
du ∆p =− r dr 2 µl
∆p 1 ∆p = 可视为常数 2 µl 2 µ l
11
圆 管 层 流 速 度 分 布
∫ du = −
∆p ∫ rdr 2 µl
Hale Waihona Puke ∆p 2 u=− r +c 4 µl
流体的稳定性和平衡 层流：平衡态、稳定 过渡流：平衡态、不稳定（Re:2100~100000） 湍流：不稳定、不能平衡的状态
<2100
2100~4000
>4000
r (∇ * v *) = 0
r r µ 2 r gD g Dv = −∇ * p * + ∇ * v * + 2 Dt V g DVρ
圆管中的速度分布
流动阻力是这样产生的……
• 阻力是管壁对流体的
力 • 阻力大小决定于管 壁处的速度梯度 • 中心区域湍动增加 了边沿的速度梯度 • 能量消耗原因和能 量转化
u0 u0 y
u0
边界层界限 湍流边界层 层流边界层
x
层流内层
层流边界层：边界层内的流动类型为层流 湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流 层流内层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型 为层流或湍流，其流动类型均为层流
流 型 判 据 -
• Re=duρ/µ = (ρu2)/(µu/d) = 惯性力/粘性力。惯 惯性力/粘性力。 Re=duρ (ρ )/(µ 性力加剧湍动，而粘性力抑制湍流。 性力加剧湍动，而粘性力抑制湍流。即Re 数可视 为惯性力与粘性力之比， 为惯性力与粘性力之比，其数值大小表明二个力 的相对大小。 的相对大小。