1、1-4流体的流动现象 Fluid Flow Phenomena,利用柏式进行流动过程中有关参数的计算，必须要知道阻力的损失情况。本节将讨论产生能量损失的原因以及阻力损失的计算。,内容,1-4-1 牛顿粘性定律和流体的粘度1-4-2 流体的流动类型及雷诺数1-4-3 圆管内稳定流动的过程分析1-4-4 边界层的概念,1-4-1 牛顿粘性定律和流体的粘度 Newtonian Viscosity Law and Viscosity of Fluids,流体的粘性是流体流动阻力产生的原因，非常复杂，较难理解一、牛顿粘性定律Newtonian Viscosity Law二、流体的粘度Viscosity
2、of Fluids,一、牛顿粘性定律 Viscosity Law,流体的两个特点：流动性 fluidity：在外力作用下，内部产生相对运动；粘性visicosity：运动时由于分子间作用力，运动时流体还有一种抗拒其自身向前运动的特性，称粘性。,水在管内流动,河水流动,粘性：阻碍流体自身向前运动的特性，是流动性的反面。实验证明，由于流体具有粘性，流体流过固体壁面时，任一截面上各点的速度不同。,平板间流体分层，存在速度梯度将平板间流体看成由速度不同的层组合而成，速度自上而下逐渐减小,两平行平板，平行放置，间距很小，面积很大，平行放置下板固定，以F大小的力推动上板以速度u匀速移动，则板间流体分层流动
3、,速度快的流体层对与之相邻的、速度慢的流体层施加一推动作力；推动其前进速度慢的流体层对与之相邻的速度快的流体层施加一大小相等、方向相反的力，阻碍其前进,剪切力 (Shearing Force) or 粘滞力 or 内摩擦力F：流体内部相邻流体层之间的相互作用力。流体粘性的表现，流动阻力产生的依据。流体流动时必须克服阻力而做功，流体的一部分机械能转换为热而损失掉流体流动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小,A,层间的接触面积,：单位面积上的内摩擦力，称为剪应力(Shear Stress)，内摩擦应力，Pa。上式适用于u与y呈直线关系对流体在管内流动，径向速度与半径r的关系是曲线,牛顿粘性定律,
4、A,A,大部分流体都服从牛顿粘性定律：,流体的粘滞系数或粘度(Viscosity)，Pa.s，粘性越大，粘度越大du/dy、du/dr速度梯度(Velocity Gradient)，在垂直于流体的流动方向上流体速度的变化率,二、流体的粘度Viscosity of Fluids,物理意义：促使流体产生单位速度梯度的剪应力。速度梯度越大，剪应力越大，速度梯度为0，剪应力为0。粘度总是与速度梯度相关联，只有在运动 时才表现，静止时不用考虑。,理想流体的粘度为0，是无粘性流体，其速度梯度为0，任一截面上各点的速度都相同。,粘度是流体的一种物性，值由实验测定粘度的影响因素：温度 (Temperature
5、)：液体的粘度随温度升高而下降；气体的粘度随温度升高而增大压力 (Pressure)：影响很小，可忽略。,SI：Pa.s物理单位：P（泊poise），cP（厘泊）换算： 1cP=0.01P 1Pa.s=1000cP 1Pa.s=1000mPa.s,1-4-2、流动类型与雷诺数 P21,1883年雷诺（Reynolds)通过实验观察到流速不同，质点的运动方式也不同，流体有不同的流动类型,雷诺实验(Reynolds Experiment),小流速：质点运动有规则，沿轴线方向做直线流动，层流或滞流(Streamline Flow/laminar flow)增大流速：质点开始偏离直线，处于过渡状态大流
6、速：质点运动无规则，沿轴向和径向均有位移，湍流(Turbulent Flow),雷诺数Reynolds Number,实验发现流型的影响因素：d、u无量刚数群 (Dimensionless Groups)-特征数,雷诺准数，Re,Re的单位：,Re是一个量纲为1的量，可采用任何单位制，但各物理量的单位制必须一致 准数：由几个有内在联系的物理量按无量纲条件组合起来的数群,流型判断,流体在直管内流动： Re 2000：滞流或层流 Re 4000：湍流 2000Re 4000：过渡流，不稳定 在生产条件下，常将Re3000按湍流考虑,例,有一内径为25mm的水管，管中液体流速u=1m/s，水温20C
7、求：(1)管道中水的流动类型 (2)管内保持层流状态的最大流速解：Re=25000层流最大Re=2000，umax=0.08m/s,1-4-3 圆管内稳定流动的过程分析,一、层流的数学分析二、平均速度三、湍流的数学分析,一、层流的数学分析1、层流速度分布,滞流流动管中心取长l、半径r的流体柱受力：两端压力F1、 F2 ，内摩擦力F3,r处流速v，(r+dr)处的相邻流体层的速度为(v+dv)速度梯度为du/dr，相邻流体层产生的内摩擦应力,2、最大速度,管中心r=0时，速度最大,管壁r=R处，速度最小,3、流量,取半径r处厚度为dr的一个微小环形截面dr很小，环内流速近似不变，设流体在dr环内
8、的流速为v，体积流量为dqv,流体在圆管中的速度分布Velocity Distribution,速度分布与流型有关层流的速度分布是抛物线型平均速度u=0.5uc,经历稳定段，逐渐形成抛物线形分布,二、平均流速,Hagon-Poiseuille公式，计算流体在圆管内作滞流流动的阻力,湍流时平均流速u=0.8vmax原因：湍流时流体湍动、混合、产生旋涡经验分布,n与Re有关，Re大，湍流程度越高，曲线陡，曲线顶端越平坦,三、湍流的速度分布 Velocity Distribution for Turbulent flow,湍流时平均流速的求取,纵坐标：u/uc横坐标：Remax=duc/,1-4-4
9、 边界层Boundary Layer,实际流体流动过程中，速度梯度(velocity gradient)和剪应力(shearing stress)都集中在壁面附近，将靠近壁面附近的流体作为研究对象-边界层，将远离壁面流体作为理想流体（ideal fluid)普兰德提出边界层理论的出发点,边界层的形成,流过一定距离（y=）后，流体的速度逐渐接近 us速度梯度：流体流过固体壁面时，流体粘性引起的,流体以us流过一平板流体粘性、润湿壁面，静止流体层与相邻流体层间产生内摩擦力相邻流体层速度减慢，减速作用由符着于壁面的流体层向内部传递，离壁面越远，减速作用越小，u增大,边界层：壁面附近的流体层具有较大的速度梯度。边界层以外粘性不起作用，速度梯度为0流体主流区边界层区：垂直于流体的流动方向上显著的速度梯度，摩擦应力很大主流区：du/dy=0，摩擦应力忽略，流体可看着理想流体。,
