化工原理第一章(流体的流动现象)2008

第三节管内流体流动现象

一、牛顿粘性定律与流体的粘性

二、流体流动类型与雷诺数

三、流体在圆管内的速度分布

四、边界层的概念第一章流体流动

一、牛顿粘性定律与流体的粘度

1、牛顿粘性定律

（1）什么是粘性

流体的典型特征是具有流动性，但不同流体的流动性能不同，这主要是因为流体内部质点间作相对运动时存在不同的内摩擦力。

【定义】表明流体流动时产生内摩擦力的特性称为粘性。

（2）内摩擦力（粘性力）的表现

【现象】当拖动上面的平板时，原来平板之间静止不动的流体出现了速度梯度。

（3）什么是内摩擦力？

对任意相邻两层流体来说，上层对下层起带动作用，而下层对上层起拖曳作用，流体层之间的这种相互作用力，称之为内摩擦力。

【说明】内摩擦力是一种切向力（剪力），与作用

面平行。

（4）粘度力的本质——流体内部的分子动量传递

①沿流体流动方向相邻的两流体层，由于速度不同，动量也就不同。

②高速流体层中一些分子在随机运动中进入低速流体层，与速度较慢的分子碰撞使其加速，动量增大；

③低速流体层中一些分子也会进入高速流体层使其减速，动量减小。

【结论】分子动量传递是由于流体层之间产生粘性力（内摩擦力）的原因。

实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F 与两流体层的速度差du 成正比，与两层间的接触面积A 成正比，与两层之间的垂直距离dy 成反比，即：

dy

du A F μ=式中：F ——内摩擦力，N ；

du /dy ——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y 方向流体速度的变化率，1/s ；

μ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa ·s 。（5）牛顿粘性定律

【定义】单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa 。

dy

du μτ=【结论】流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。

【剪应力】

前式可改变为：

（6）牛顿型流体非牛顿型流体

【牛顿型流体】剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，包括所有气体和大多数液体；【非牛顿型流体】不符合牛顿粘性定律的流体，如高分子溶液、胶体溶液及悬浮液等。

本章讨论的均为牛顿型流体。

2、流体的粘度

（1）粘度的物理意义

【说明】（1）流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力；

（2）粘度是反映流体粘性大小的物理量；

（3）粘度是流体的物性常数，其值由实验测定。dy

du /τ

μ=

（2）粘度的单位

在国际单位制中，其单位为：

[][]

[]s Pa m s

m Pa ⋅===dy du τμ在一些工程手册中，粘度的单位常常用物理单位制下的cP （厘泊）表示，其换算关系为：

1cP （厘泊）＝0.01P(泊）＝10-3Pa·s

)

(1000)(101厘泊泊cP P s Pa ==⋅

（3）运动粘度

【定义】流体的动力粘度μ与密度ρ的比值，称为运动粘度，以符号ν（nju:）表示，即：

ρ

μν=【单位】SI 制：m 2/s ；

CGS 制：cm 2/s ，用St 【沲（duo )】表示。

s

m cSt St /1010012

4−==【厘沲】

（4）影响粘度的因素

①液体的粘度，随温度的升高而降低，压力对其影响可忽略不计；

②气体的粘度，随温度的升高而增大，一般情况下也可忽略压力的影响，但在极高或极低的压力条件下需考虑其影响。

【注意】确定流体的粘度时，需根据其温度查找相应的数据手册。

)

(P t f 、=μ

二、流体的流动形态与雷诺数

1、雷诺实验

为了研究流体流动时内部质点的运动情况及其影响因素，1883年奧斯本•雷诺（Osborne Reynolds）设计了“雷诺实验装置”。

雷诺实验揭示了重要的流体流动机理，即流体在流动过程中，存在着两种流动形态。

雷诺试验.swf

2、流动类型

（1）层流（或滞流）

【现象】流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动

。

层流的实验现象

（2）湍流（或紊流）

【现象】流体质点的运动轨迹是跌宕起伏的曲线。

湍流的实验现象

（3）流体内部质点的运动方式（层流与湍流的区别）①流体在管内作层流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。

②流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡。管道截面上某被考察的质点在沿管轴向运动的同时，还有径向运动（附加的脉动）。

【脉动】速度的方向及大小随机变化。

质点的脉动是

湍流运动的最

基本特点。

质点的脉动

21世纪科学家面临的几大难题之一——湍流研究

（19世纪的问题，21世纪的难题）

湍流现象普遍存在于行星和地球大气、海洋、江河、火箭尾流、锅炉燃烧室、血液流动等自然现象和工程技术中。

湍流的出现将使流体中的质量、动量和能量的输运速度大大加快，从而引起各种机械的阻力骤增，效率下降，能耗加大，噪音增强，结构振颤加剧乃至破坏，如使飞机坠落，输油管阻塞。

另一方面，湍流又可能加速喷气发动机内油料的混合和充分燃烧，提高燃烧效率和热交换效率，加快化学反应的速度和混合过程。

所以湍流的研究对工程技术的进步有重要意义。同时湍流本身也是物理学领域中尚未取得重大突破的基础研究课题之一。因此长期以来湍流的研究一直受到各方面的重视。