流体流动现象课件.ppt

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1、*本节内容提要第四节流体流动现象简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为流动阻力的计算奠定理论基础。以层流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论:（1）牛顿黏性定律的表达式、适用条件；黏度的物理意义及不同单位之间的换算。（2）两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特点。本节的目的是了解流体流动的内部结构，以便为阻力损失计算打下基础。1、流体黏性和内摩擦力一、黏度各层速度不同,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，即流体的内摩擦力。流体在流动时的内摩擦,是流动阻力产生的依

2、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。图1-3流体在圆管内分层流动示意图2、牛顿粘性定律流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关（1）表达式图１－4平板间液体速度分布图实验证明,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（F与S平行）成正比，即:（1-20）单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示，于是上式可写成:当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系。则式(1-21)应改写成：牛顿黏性定律（1-21）（1-22）（2）黏度的物理意义：物理意义

3、：黏度也是流体的物性之一，其值由实验测定。由牛顿黏性定律得：剪应力速度梯度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。物理本质：液体:T↑→↓气体:一般T↑→↑超高压p↑→↑分子间的引力和分子的运动与碰撞。（3）黏度的单位：SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）换算关系1cP＝10-3Pa·s1St=100cSt(厘沲)=10m2/s（4）运动粘度γ②单位SI中的运动黏度单位为m２/s；在物理制中的单位为cm2/s,称为斯托克斯,简称为沲,以St表示。课本附录三和四中列出了部分流体的黏度，可供计算查阅（P359-360）①定义运动粘度γ为黏度

4、μ与密度ρ的比值牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。3、牛顿型流体与非牛顿型流体（1）雷诺实验1、雷诺实验和雷诺准数(Reynoldsnumber)为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,1883年著名的雷诺实验揭示了流动的两种截然不同的型态（如图1-17）所示：二、流动类型与雷诺准数（2）结论：这个简单实验揭示了一个极为重要的事实——流体流动存在着两种截然不同的流型。①前一种流型中：流体质点做直线运动，即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂（此指宏观运动，不是指分子扩散）。着色线流保持线形。这种

5、流型称为层流或滞留。②后一种流型中，流体总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向做随机的脉动，这种混乱运动使着色线抖动、弯曲，以致断裂冲散。这种流型称为湍流或紊流。2、流型判别的依据——雷诺准数(Reynoldsnumber)（1）影响流体流动类型的因素：①流体的流速u；②管径d；③流体密度ρ；④流体的粘度μ。上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。（1-23）这个数群称为雷诺准数或雷诺数(Reynoldsumber)，用Re表示Re≤2000稳定的滞流区2000

6、ber)Re反映了流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，标志流体流动的湍动程度。其值愈大，流体的湍动愈剧烈，内摩擦力也愈大。在生产操作条件下，常将Re＞3000的情况按湍流考虑。（3）Re的物理意义3、流体流动类型及特征（1）滞流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，不产生流体质点的宏观混合。说明：以Re为判据将流动划分三个区：层流区、过渡区、湍流区，但只有两种流型；过渡区只表示在此区内可能出现层流或湍流，究竟出现何种流型，需视外界扰动而定。（2）湍流：流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。例【1-2】:内径25mm的水管,水流速为1m/s

7、,水温20度,求:1.水的流动类型;2.当水的流动类型为层流时的最大流速?解：由于1.已知u=1m/s，d=25mm=0.025m，查附录（P367）得20℃下，ρ=998.2kg/m3，µ=0.001Pa.sRe＞3000，为湍流。三、流体在圆管内的速度分布流体在管道截面上的速度分布规律因流型而异p1z2Fgp221z1流动方向1、圆柱形流体的力平衡和剪应力分布如图表示流体通过一均匀直管做定态流动的情况：在圆管内，以管轴为中心，任取一半径