化工原理 第一章 流体的流动现象

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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。
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层 流 的 实 验 现 象
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（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。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ20/7/10
湍 流 的 实 验 现 象
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在国际单位制中，其单位为：
du dy
Pa ms
Pa s
m
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）＝10-3 Pa·s
1Pa s 10P(泊) 1000cP(厘泊)
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（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：
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（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。
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（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。
本章讨论的均为牛顿型流体。
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2、流体的粘度 （1）粘度的物理意义
du / dy
【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。
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（2）粘度的单位
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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。
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（5）牛顿粘性定律
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：
F A du
dy
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。
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飞机的“隐形杀手”－晴空湍流
1999年10月17日中午一架由昆明飞往香港的南方 航空公司的班机在香港上空突然遇到一股强大气流 ，在5至10秒内飞机急坠2000英尺，导致45人撞向机 舱顶部受伤。导致这场飞行事故的“罪魁祸首” 就 是人称飞机的“隐形杀手”－晴空湍流。
一般来说，飞机在穿越云层或遇到强大气流时， 会出现颠簸。在万里晴空中，有时也会像平静的海 面下藏有汹涌的暗流一样，偶尔会出现强烈的扰动 气流，使飞机产生剧烈颤簸，航空气象专家称这种 来无影去无踪的气流为晴空湍流。
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【脉动】速度的方向及大小随机变化。
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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。
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（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。
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【剪应力】 【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。
前式可改变为： du
dy
【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。
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（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。
第一章
流体流动
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
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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。
【单位】 SI制：m2/s； CGS制：cm2/s，用St【沲（duo)】表示。
1St 100cSt【厘沲】 104 m2 / s
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（4）影响粘度的因素
f (t、P)
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。
（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）。