刘体流动过程管内流体流动现象参考课件

n
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n与Re有关，取值如下：
4 104 Re 1.1105 , 1.1105 Re 3.2 106 ,
Re 3.2 106
n1 6
n1 7
n 1 10
1/7次方定律
当 n 1 时，流体的平均速度 :
7
u
VS A
0.82umax
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流体流动的内部结构
1 流动的型态
雷诺（Reynolds)通过实验提出流体流动 过程中存在着不同的流动类型：
层流和湍流
7
雷诺实验
实验结果证明：管内流体流动存在着两种 类型，两种流动类型与流体流速有关。
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➢ 层流（或滞流）：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；
物理意义 Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关
系，标志着流体流动的湍动程度。
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流体流动边界层
1 边界层的形成与发展
流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速降为主体流速的99％以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。 边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很 大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。 主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以 忽略，可视为理想流体 。
超高压 f(p,T) p ↑ → ↑
2. 粘度的单位
SI制：Pa·s 或 kg/(m·s)
3.运动粘度
物理制：cP(厘泊）
粘度μ与密度ρ的之比。
换算关系 1cP＝10-3 Pa·s
m2/s
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例 用往复泵将原油送到精馏塔中，往复泵缸内壁的
直径D为14 cm，活塞的直径d = 13.95 cm，厚度l为8 cm，往复运动的速度为1.0 m/s，原油的黏度μ= 0.12 Pa·s，试求活塞运动时克服的黏滞力为多少？
非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。
流体的黏度 （动力粘度） / du
dy
1.粘度的物理意义 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。
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黏度的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。
f(p,T)
液体 : f(T) T ↑ → ↓
气体 : 一般 f(T) T ↑ → ↑
.
.
FAdu(2r)ldu
dr
dr
.
(p1p2)r2
(2r)ldu
dr
.
d u (p1 p2) r
dr
2l
.
管壁处r＝R时，u ＝0，可得速度分布方程
u. (p1p2)(R2 r2)
4l
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.
管中心流速为最大，即r＝0时，u ＝umax
um ax(p14lp2) R2
.
u
umax
1
r 2 R
2
牛顿黏性定律和流体的黏度
1 牛顿黏性定律
.
.
F'A'duF'A'du
dy
dy
或
.
F' du
A' dy
式中：F’——内摩擦力，N；
τ —.—剪应力，Pa； —d u—法向速度梯度，1/s； dy
μ——黏度系数，简称流体的黏度，Pa·s 。
3
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；
即流体在圆形直管内层流流动时，呈抛物线分布。
管截面上的平均速度 :
uVS
A
0Ru. 2R2rdr12umax
即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。
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湍流时的速度分布
剪应力 ：
.
( e) d u
dy
e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。
湍流速ห้องสมุดไป่ตู้分布 的经验式：
.
u
umax1
r R
第二章 流体流动过程
第四节 管内流体流动现象
1
牛顿黏性定律和流体的黏度
1 流体的黏性
F
内摩擦力是流体固有的。
流体具有内摩擦力的性质称
dy
为黏性。流体粘性大小的物
理量为黏度
u＋du u
流体在运动时，需要克服内摩擦力做功，消耗的机 械能转化为热能在运动中散失，称为压头损失。黏 性是流体运动时产生压头损失的根源。
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边界层的分离
B
A
S
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A→C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐 渐减小（顺压梯度）； C→S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐 渐增加（逆压梯度）； S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的 作用下，速度降为0。 SS’以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成 涡流，出现边界层分离。
进口段长度： 层流：x0 d 0.05Re 湍流：x0 d 40~50
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湍流流动时：
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湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向 传递因速度的脉动而大大强化；
层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向 传递只能依赖分子运动。
——层流内层为传递过程的主要阻力
Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。
➢湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流 动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向 上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
流型判据——雷诺准数
Re du
无因次数群
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判断流型 Re<2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re>4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000<Re<4000 时，流动可能是层流，也可能是湍 流，该区称为不稳定的过渡区。
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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。
边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。
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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。 一、层流时的速度分布
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由压力差产生的推力 (p1p2)r2
流体层间内摩擦力
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流体在平板上流动时的边界层：
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边界层流型：层流边界层和湍流边界层。
层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。 湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型 转为湍流。
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流体在圆管内流动时的边界层
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充分发展的边界层厚度为圆管的半径； 进口段内有边界层内外之分 。 也分为层流边界层与湍流边界层。