流體流動(dòng)現(xiàn)象本節(jié)講授內(nèi)容3滯流與湍流的比較2流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù)1牛頓黏性定律與流體的黏度4邊界層的概念1.3流體流動(dòng)現(xiàn)象2023/1/13重點(diǎn)：牛頓粘性定律、層流與湍流的比較。

本節(jié)的重點(diǎn)及難點(diǎn)難點(diǎn)：邊界層與層流內(nèi)層。1.3流體流動(dòng)現(xiàn)象2023/1/13一、牛頓黏性定律與流體的黏度牛頓黏性定律流體的內(nèi)摩擦力：運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的作用力。又稱(chēng)為黏滯力、黏性摩擦力。其方向與作用面平行。黏性——流體阻力產(chǎn)生的根源2023/1/13剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力，以τ表示。適用于u與y成直線(xiàn)關(guān)系

Fuu＋dudy2023/1/13——牛頓黏性定律式中：

速度梯度比例系數(shù)，它的值隨流體的不同而不同，流體的黏性愈大，其值愈大，稱(chēng)為黏度系數(shù)或動(dòng)力黏度，簡(jiǎn)稱(chēng)黏度。

2023/1/132.流體的黏度

1）物理意義

促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。黏度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在流動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)2）黏度與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系

a)液體的黏度隨溫度升高而減小，壓強(qiáng)變化時(shí)，液體的黏度基本不變。2023/1/13

b)氣體的黏度隨溫度升高而增大，隨壓強(qiáng)增加而增加的很少。3）黏度的單位在SI制中：在物理單位制中，2023/1/13SI單位制和物理單位制黏度單位的換算關(guān)系為：4）混合物的黏度對(duì)常壓氣體混合物：對(duì)于分子不締合的液體混合物：2023/1/135）運(yùn)動(dòng)黏度單位：SI制：m2/s；物理單位制：cm2/s，用St表示。2023/1/13二、流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù)1.雷諾實(shí)驗(yàn)（1883年）OsborneReynolds1842～19122023/1/13流體的流動(dòng)形態(tài)2023/1/132.雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)的因次：Re是一個(gè)沒(méi)有單位，沒(méi)有因次的純數(shù)。在計(jì)算Re時(shí)，一定要注意各個(gè)物理量的單位必須統(tǒng)一。2023/1/13流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：流體的流動(dòng)類(lèi)型屬于滯流；流體的流動(dòng)類(lèi)型屬于湍流；可能是滯流，也可能是湍流，與外界條件有關(guān)?！^(guò)渡區(qū)例：20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動(dòng)，流速為2m/s，試分別用SI制和物理制計(jì)算Re數(shù)的數(shù)值。解：1）用SI制計(jì)算：從附錄7（P331）查得20oC時(shí)，

ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，用雷諾準(zhǔn)數(shù)判斷流型：2023/1/13管徑d=0.05m，流速u(mài)=2m/s，2）用物理單位制計(jì)算：2023/1/13三、滯流與湍流的比較1.流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式層流流動(dòng)時(shí)：流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸做有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)。湍流流動(dòng)時(shí)：流體質(zhì)點(diǎn)在沿流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還做隨機(jī)的脈動(dòng)。2023/1/13管道截面上任一點(diǎn)的時(shí)均速度為：湍流流動(dòng)是一個(gè)時(shí)均流動(dòng)上疊加了一個(gè)隨機(jī)的脈動(dòng)量。例如，湍流流動(dòng)中空間某一點(diǎn)的瞬時(shí)速度可表示為：湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動(dòng)。

2023/1/132.流體在圓管內(nèi)的速度分布

2023/1/13速度分布：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)截面上各點(diǎn)速度隨該點(diǎn)與管中心的距離的變化關(guān)系。

1）圓管內(nèi)層流流動(dòng)的速度分布作用于流體單元左端的總壓力為：Rdrlrτrp1p2微元體受力分析：2023/1/13作用于流體單元右端的總壓力為：作用于流體單元四周的黏滯力為：整理得：2023/1/13代入上式得：——圓管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)的速度分布式

2023/1/132）圓管內(nèi)湍流流動(dòng)的速度分布

1×104<Re<1.1×105時(shí)，n=6；1.1×105<Re<3.2×106時(shí)，n=7；

Re>3.2×106時(shí)，n=10?！牧髁鲃?dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式

2023/1/133.層流和湍流的平均速度通過(guò)管截面的平均速度：體積流量與管截面積之比

1）層流時(shí)的平均速度

流體通過(guò)微圓環(huán)體積流量為：滯流時(shí)，管截面上速度分布為：Rdrlr2023/1/13積分此式可得：層流時(shí)平均速度等于管中心處最大速度的一半。2023/1/132）湍流時(shí)的平均速度積分上式得：2023/1/13——1/7方律通常情況下，湍流時(shí)的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。2023/1/13圓管內(nèi)滯流與湍流的比較滯流湍流本質(zhì)區(qū)別分層流動(dòng)

質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)

速度分布平均速度2023/1/13四、邊界層的概念最早提出的邊界層概念是速度邊界層。此后的溫度邊界層和濃度邊界層都是在速度邊界層基礎(chǔ)上建立的。1904年P(guān)randtl在一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)上宣讀了一份關(guān)于具有很小μ的流體流動(dòng)的論文，在論文中他首先提出了邊界層的概念。他指出：“任何一種實(shí)際流體流過(guò)物體壁面時(shí)都可分為二種流動(dòng)情況，即近物體表面處的邊界層流動(dòng)和邊界層外的廣大區(qū)域內(nèi)的低粘度流動(dòng)?！盠udwigPrandtl(1875～1953)2023/1/13usxyu(x,y)δ(x)主流區(qū)邊界層區(qū)1.邊界層的形成邊界層：在壁面附近存在較大速度梯度的流體層。通常規(guī)定流速降為來(lái)流流速的99%以?xún)?nèi)的區(qū)域。

2023/1/132.邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動(dòng)2023/1/13對(duì)于層流邊界層：對(duì)于湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)為滯流；邊界層內(nèi)的流動(dòng)為湍流；邊界層厚度定義：

2023/1/132）流體在圓形直管進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng)

流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，邊界層匯合處與管入口的距離稱(chēng)作進(jìn)口段長(zhǎng)度，或穩(wěn)定段長(zhǎng)度。

一般滯流時(shí)通常取穩(wěn)定段長(zhǎng)度x0=(50～100)d，湍流時(shí)穩(wěn)定段長(zhǎng)度約于(40～50)d。

2023/1/132023/1/133.邊界層的分離2023/1/13當(dāng)流體流過(guò)曲面時(shí)，所形成的邊界層在一定條件下，會(huì)與固體表面脫離，并在脫離處產(chǎn)生漩渦。導(dǎo)致流體流動(dòng)阻力的增大2023/1/13ABSA→C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減小，（順壓梯度）；C→S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加，（逆壓梯度）S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS’以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流回來(lái)，形成渦流，出現(xiàn)邊界層分離。2023/1/132023/1/13邊界層分離的后果：產(chǎn)生大量旋渦造成較大的能量損失邊界層分離的必要條件：流體具有粘性流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度2023/1/13總結(jié)：流道擴(kuò)大時(shí)必造成逆壓強(qiáng)梯度逆壓強(qiáng)梯度容易造成邊界層的分離邊界層分離造成大量漩渦，大大增加機(jī)械能消耗流體沿著壁面流過(guò)時(shí)的阻力