1、化工原理化工原理主講教師：主講教師：3 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象一、粘性與粘度一、粘性與粘度 設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充設(shè)有上下兩塊平行放置而相距很近的平板，兩板間充滿著靜止的液體，如圖滿著靜止的液體，如圖所示。所示。x u=0yu 運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的相運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的相互作用力，稱為流體的互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力或粘滯力。流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力或粘滯力。流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。的大小，體現(xiàn)了流體粘性的大小。1 1、粘性、粘性 決定流體流動(dòng)內(nèi)摩擦力大小的物理性質(zhì)稱為粘性

2、決定流體流動(dòng)內(nèi)摩擦力大小的物理性質(zhì)稱為粘性 內(nèi)摩擦力又稱為粘性應(yīng)力內(nèi)摩擦力又稱為粘性應(yīng)力。 所以，粘性是分子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。所以，粘性是分子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。粘性的物理性質(zhì)來自兩個(gè)方面：粘性的物理性質(zhì)來自兩個(gè)方面：（1 1）相鄰兩流體層分子間的吸引力）相鄰兩流體層分子間的吸引力（2 2）分子運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的相互碰撞）分子運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的相互碰撞 2、牛頓粘性定律、牛頓粘性定律1）體積力與表面力）體積力與表面力 體積力：作用于流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，其大小與流體體積力：作用于流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)，其大小與流體的質(zhì)量成正比。如重力、離心力。的質(zhì)量成正比。如重力、離心力。 表面力：作用與流體的某一截面的力，其大小表面力：作用與

3、流體的某一截面的力，其大小與該截面面積成正比。與該截面面積成正比。 垂直于表面的表面力垂直于表面的表面力壓力，單位面積上的壓力，單位面積上的壓力為壓強(qiáng)。壓力為壓強(qiáng)。 平行于表面的表面力平行于表面的表面力剪力，單位面積上的剪力，單位面積上的剪力為剪應(yīng)力或應(yīng)力。剪力為剪應(yīng)力或應(yīng)力。 實(shí)驗(yàn)證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為實(shí)驗(yàn)證明，兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力（或稱為剪應(yīng)力）剪應(yīng)力）與垂直于流動(dòng)方向的速度梯度成正比。與垂直于流動(dòng)方向的速度梯度成正比。yxu u=0uy u/u/ y y表示速度沿法線方向表示速度沿法線方向上的變化率或速度梯度。上的變化率或速度梯度。2）牛頓粘性定律）牛

4、頓粘性定律 dydu對(duì)大多數(shù)流體，粘性應(yīng)力的大小與兩流體間的速度差成對(duì)大多數(shù)流體，粘性應(yīng)力的大小與兩流體間的速度差成正比，與兩流體間的垂直距離成反比。正比，與兩流體間的垂直距離成反比。 dydu牛頓頓粘性定律 牛頓型流體牛頓型流體 服從牛頓粘性定律的流體。服從牛頓粘性定律的流體。非牛頓型流體非牛頓型流體 不服從牛頓粘性定律的流體不服從牛頓粘性定律的流體3 3、粘度、粘度流體的粘度流體的粘度是流體固有的一種物理性質(zhì)。是流體固有的一種物理性質(zhì)。溫度和壓力對(duì)粘度的影響如下：溫度和壓力對(duì)粘度的影響如下： 溫度升高溫度升高 壓力增大壓力增大液體的粘度液體的粘度 降低降低 變化可以不計(jì)變化可以不計(jì)氣體的粘

5、度氣體的粘度 升高升高 常壓下可不計(jì)，極高壓常壓下可不計(jì)，極高壓 或極低壓下不能不計(jì)或極低壓下不能不計(jì) sPa2s/mNmm/s2N/m dy/du s/cmdyncmcm/s2dyn/cm dy/du粘度的單位：粘度的單位： SI單位制：?jiǎn)挝恢疲何锢韱挝恢疲何锢韱挝恢疲?cPP10s1mPa-2 單位換算：?jiǎn)挝粨Q算： 運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度：流體粘度：流體粘度與密度與密度之比稱為運(yùn)動(dòng)粘度，之比稱為運(yùn)動(dòng)粘度，用符號(hào)用符號(hào)表示表示 / 其單位為其單位為m2/s。而。而CGS單位制中，其單位為單位制中，其單位為cm2/s，稱為斯托克斯，用符號(hào)稱為斯托克斯，用符號(hào)St表示。表示。 二、二、流體流動(dòng)流體流動(dòng)

6、現(xiàn)象現(xiàn)象1 1、雷諾實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)1 1- -小瓶小瓶 2 2- -細(xì)管細(xì)管 3 3- -水箱水箱 4 4- -水平玻璃管水平玻璃管 5 5- -閥門閥門 6 6- -溢流裝置溢流裝置q流速小時(shí)，有色流體在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。流速小時(shí)，有色流體在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。表明，水的質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直表明，水的質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，各層之間沒有質(zhì)點(diǎn)的遷移。線運(yùn)動(dòng)，各層之間沒有質(zhì)點(diǎn)的遷移。q當(dāng)開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時(shí)，有色細(xì)當(dāng)開大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時(shí)，有色細(xì)流便出現(xiàn)波動(dòng)而成波浪形細(xì)線，并且不規(guī)則地波動(dòng)；流便出現(xiàn)波動(dòng)而成波浪形

7、細(xì)線，并且不規(guī)則地波動(dòng)； q速度再增，細(xì)線的波動(dòng)加劇，整個(gè)玻璃管中的水呈現(xiàn)速度再增，細(xì)線的波動(dòng)加劇，整個(gè)玻璃管中的水呈現(xiàn)均勻的顏色。顯然，此時(shí)流體的流動(dòng)狀況已發(fā)生了顯著均勻的顏色。顯然，此時(shí)流體的流動(dòng)狀況已發(fā)生了顯著地變化。地變化。 2、流體流動(dòng)型態(tài)、流體流動(dòng)型態(tài)（1） 層流層流(laminar flow)或滯流或滯流（viscous flow） 流體管軸平行的方向嚴(yán)格作流體管軸平行的方向嚴(yán)格作直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)管的流體就如一直線運(yùn)動(dòng)，整個(gè)管的流體就如一層一層的同心圓筒在平行地流動(dòng)層一層的同心圓筒在平行地流動(dòng)，層次分明，彼此互不混雜，層次分明，彼此互不混雜 。（2）湍流）湍流(turbulent

8、flow)或紊流或紊流 流體總體上沿管道向前流動(dòng)流體總體上沿管道向前流動(dòng)，同時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)還在各方向上作，同時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)還在各方向上作隨機(jī)脈動(dòng)，且伴隨質(zhì)點(diǎn)間互相碰隨機(jī)脈動(dòng)，且伴隨質(zhì)點(diǎn)間互相碰撞與混合。撞與混合。影響流體流動(dòng)類型的因素：影響流體流動(dòng)類型的因素：流體的流速流體的流速u ；管徑管徑d；流體密度流體密度；流體的粘度流體的粘度。 u、d、越大，越大，越小，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。越小，就越容易從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。上述中四個(gè)因素所組成的復(fù)合數(shù)群上述中四個(gè)因素所組成的復(fù)合數(shù)群du/，是判斷流體，是判斷流體流動(dòng)類型的準(zhǔn)則。流動(dòng)類型的準(zhǔn)則。3、流體流動(dòng)型態(tài)的判據(jù)、流體流動(dòng)型態(tài)的判據(jù)duRe粘度粘度流速

9、流速密度密度直徑直徑雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾數(shù)(Reynolds number)，用，用Re表示表示 0003223TML)(L(M)LM)(L)(L()L(/LM)LM)(L)(L( duRe雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次雷諾準(zhǔn)數(shù)的因次 Re Re 數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群。數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群。大量實(shí)驗(yàn)表明：大量實(shí)驗(yàn)表明：Re2000，流動(dòng)類型為層流；，流動(dòng)類型為層流；Re4000，流動(dòng)類型為湍流；，流動(dòng)類型為湍流；2000Re4000，流動(dòng)類型不穩(wěn)定，可能是，流動(dòng)類型不穩(wěn)定，可能是層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，層流，也可能是湍流，或是兩者交替出現(xiàn)，與外界干擾情況有關(guān)。與外界干擾情況有關(guān)。 無(wú)論是層

10、流還是湍流，在管道任意截面上，流體無(wú)論是層流還是湍流，在管道任意截面上，流體質(zhì)點(diǎn)的速度均沿管徑而變化，管壁處速度為零，離開質(zhì)點(diǎn)的速度均沿管徑而變化，管壁處速度為零，離開管壁以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度在管管壁以后速度漸增，到管中心處速度最大。速度在管道截面上的分布規(guī)律因流型而異。道截面上的分布規(guī)律因流型而異。圓管內(nèi)速度分布圓管內(nèi)速度分布（a）滯流）滯流 （b）湍流）湍流 三、管內(nèi)流體的速度分布三、管內(nèi)流體的速度分布作用于圓管中流體上的力作用于圓管中流體上的力 設(shè)流體在半徑為設(shè)流體在半徑為R R 的水平直管段內(nèi)作層流流的水平直管段內(nèi)作層流流動(dòng)，取流體元：長(zhǎng)為動(dòng)，取流體元：長(zhǎng)為l l 、

11、半徑為、半徑為r r。 分析受力，得到分析受力，得到 f2212()pprpr 層流時(shí)剪應(yīng)力服從牛頓黏性定律層流時(shí)剪應(yīng)力服從牛頓黏性定律ddrrur 作用在流體柱上的阻力為作用在流體柱上的阻力為dd22ddrrruuSrlrlrr 流體作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)力與阻力大小必相流體作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)力與阻力大小必相等，方向必相反，故等，方向必相反，故2fd2druprrlr fdd2rpur rl 積分上式的邊界條件：積分上式的邊界條件：當(dāng)當(dāng)r=r時(shí)，時(shí)，ur=ur； 當(dāng)當(dāng)r=R(在管壁處在管壁處)時(shí)，時(shí)，ur=0。22f()4rpuRrl 上式為流體在圓管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)的速度分布上式為流體在圓管內(nèi)作

12、層流流動(dòng)時(shí)的速度分布表達(dá)式。它表示在某一壓強(qiáng)降表達(dá)式。它表示在某一壓強(qiáng)降pf之下，之下，ur與與r的關(guān)的關(guān)系為拋物線方程。系為拋物線方程。圖1-19 圓管內(nèi)速度分布 (a) 滯流 一、流體在圓管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)的速度分布管截面平均速度管截面平均速度 sVuA2f8ipuRl 管截面體積流量管截面體積流量 sr02dRVu r r22f()4rpuRrl代入積分，得代入積分，得管截面平均速度管截面平均速度 當(dāng)當(dāng)r=0時(shí)，管中心處的速度為最大流速，即時(shí)，管中心處的速度為最大流速，即2fmax4puRl層流時(shí)圓管截面平均速度與最大速度的關(guān)系為max2uu比較2f8ipuRl 與管截面平均速度 湍流時(shí)，流

13、體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，目前湍流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜，目前還不能完全采用理論方法得出湍流時(shí)的速度分布規(guī)還不能完全采用理論方法得出湍流時(shí)的速度分布規(guī)律。律。u/umax與與Re、Remax的關(guān)系的關(guān)系平板上的流動(dòng)邊界層平板上的流動(dòng)邊界層 四、邊界層的概念四、邊界層的概念邊界層壁面附近速度梯度較大的流體層。主流區(qū)邊界層之外，速度梯度接近于零的區(qū)域。一、邊界層的形成遠(yuǎn)離壁面的大部分區(qū)域壁面附近的一層很薄的流體層 實(shí)際流體與固體壁面間相對(duì)運(yùn)動(dòng) 速度變化很小速度變化很小可視為理想流可視為理想流體體必須考慮黏滯力的必須考慮黏滯力的影響，由于流體的影響，由于流體的黏性作用，存在速黏性作用，存在速度梯度度梯度一、邊界層的形成 邊界層的一個(gè)重要特點(diǎn)是，在某些情況下，邊界層的一個(gè)重要特點(diǎn)是，在某些情況下，會(huì)出現(xiàn)邊界層與固體壁面相脫離的現(xiàn)象。會(huì)出現(xiàn)邊界層與固體壁面相脫離的現(xiàn)象。 此時(shí)邊界層內(nèi)的流體會(huì)倒流并產(chǎn)生旋渦，此時(shí)邊界層內(nèi)的流體會(huì)倒流并產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致流體的能量損失。此種現(xiàn)象稱為導(dǎo)致流體的能量損失。此種現(xiàn)象稱為邊界層分邊界層分離離，它是黏性流體流動(dòng)時(shí)能量損失的重要原因，它是黏性流體流動(dòng)時(shí)能量損失的重要原因之一。之一。 產(chǎn)生邊界層分離的必要條件是：流體具有產(chǎn)生邊界層分離的必要條件是：流體具有黏性和流動(dòng)過程中存在逆壓