1、1,第一章 流體流動,1.4 流體流動的基本方程 1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程,1.4.2 總能量衡算方程,2,三、對伯努利方程的討論,式1-38表明，理想流體在管路中作定態(tài)流動而又無外功加入時，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的總機(jī)械能相等，換言之，各種機(jī)械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，但其總量不變。,1.,(1-38a),能量轉(zhuǎn)換06,3,三、對伯努利方程的討論,2.有效功率：輸送機(jī)械在單位時間內(nèi)所作的有效功稱為有效功率，用下式計(jì)算,(1-39),4,三、對伯努利方程的討論,3.伯努利方程的其他形式： 將的各項(xiàng)均除以重力加速度g,令,式1-38變?yōu)?或,(1-40),(1-40a),5,(1-4

2、0a),位頭,速度頭 動壓頭,壓力頭,壓頭損失,總壓頭,外加壓頭,三、對伯努利方程的討論,6,4.若流動中既無外加壓頭又無壓頭損失，則任一截面上的總壓頭為常數(shù),三、對伯努利方程的討論,7,5. 如果流體靜止，,流體靜止僅是流體運(yùn)動的特例。,三、對伯努利方程的討論,8,第一章 流體流動,1.4 流體流動的基本方程 1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程 1.4.2 總能量衡算方程,1.4.3 機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用,9,在應(yīng)用機(jī)械能衡算方程與質(zhì)量衡算方程解題時，要注意下述幾個問題： 1.衡算范圍的劃定 2. 控制面的選取 3. 基準(zhǔn)面的確定 4. 單位一致性,機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用,10,第一章 流體流

3、動,1.5 動量傳遞現(xiàn)象 1.5.1 層流分子動量傳遞,本節(jié)目的：分析阻力產(chǎn)生的根源,11,層流分子動量傳遞,對于牛頓型不可壓縮流體的層流流動，牛頓定律可以寫成,(1-43),考察式1-43各項(xiàng)物理量的因次：,12,單位時間通過單位面積的動量，稱為動量通量(momentum flux),單位體積具有的動量，稱為動量濃度,層流分子動量傳遞,13,為動量濃度梯度,稱為動量擴(kuò)散系數(shù)（momentum diffusivity）,層流分子動量傳遞,14,用文字表述為： 分子動量通量=動量擴(kuò)散系數(shù)動量濃度梯度,(1-43),據(jù)此可將式1-43,層流分子動量傳遞,15,第一章 流體流動,1.5 動量傳遞現(xiàn)象

4、 1.5.1 層流分子動量傳遞,1.5.2 湍流特性與渦流傳遞,16,一、湍流的特點(diǎn)與表征,1、質(zhì)點(diǎn)的脈動 2、湍流的流動阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流 3、由于質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動與混合，使得在與流動垂直的方向上流體的速度分布較層流均勻。,湍流的特點(diǎn),17,圖1-14 圓管中流體的速度分布,一、湍流的特點(diǎn)與表征,18,1.時均量與脈動量,圖1-15 湍流中的速度脈動,一、湍流的特點(diǎn)與表征,19,除流速之外，湍流中的其它物理量，如溫度、壓力、密度等等也都是脈動的，亦可采用同樣的方法來表征。,一、湍流的特點(diǎn)與表征,從上圖可知,以x方向?yàn)槔?脈動速度(fluctuation velocity),瞬時速度(instan

5、taneous velocity),時均速度(time mean velocity),20,一、湍流的特點(diǎn)與表征,21,2湍流強(qiáng)度,湍流強(qiáng)度是表征湍流特性的一個重要參數(shù)，其值因湍流狀況不同而異。例如，流體在圓管中流動時，I值范圍為0.010.1，而對于尾流、自由射流這樣的高湍動情況下，I值有時可高達(dá)0.4 。,湍流強(qiáng)度的定義：,一、湍流的特點(diǎn)與表征,22,二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞,湍流時的動量傳遞不再服從牛頓黏性定律。但仍可以牛頓黏性定律的形式表達(dá),(1-48),渦流動量通量渦流動量擴(kuò)散系數(shù) X 時均濃度梯度,湍流應(yīng)力 （雷諾應(yīng)力）,23,湍流流動中的總動量通量可表示為,（1-49）,：渦流運(yùn)動

6、黏度(eddy viscosity)或渦流動量擴(kuò)散系數(shù)(eddy diffusivity)，m2/s。 渦流運(yùn)動黏度不是流體物理性質(zhì)的函數(shù)，而是隨湍流強(qiáng)度、位置等因素改變。,二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞,24,第一章 流體流動,1.5 動量傳遞現(xiàn)象 1.5.1 層流分子動量傳遞 1.5.2 湍流特性與渦流傳遞,1.5.3 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象,25,一、邊界層的形成與發(fā)展,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運(yùn)動,速度變化很小 可視為理想流體,必須考慮粘性力的影響，由于流體的粘性作用，存在速度梯度,26,圖1-17 平板壁面上的邊界層,一、邊界層的形成與發(fā)展,

7、27,層流邊界層 過渡區(qū) 湍流邊界層,一、邊界層的形成與發(fā)展,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,邊界層,28,湍流邊界層,層流內(nèi)層或?qū)恿鞯讓?緩沖層,湍流主體或湍流核心,速度梯度 大 居中 小,一、邊界層的形成與發(fā)展,29,一、邊界層的形成與發(fā)展,由層流邊界層開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x。,臨界距離,依照雷諾數(shù)定義,臨界雷諾數(shù),臨界距離所對應(yīng)的,30,對于光滑的平板壁面，臨界雷諾數(shù)的范圍為,一、邊界層的形成與發(fā)展,31,管內(nèi)流動邊界層,圖1-18 圓管內(nèi)的流動邊界層,一、邊界層的形成與發(fā)展,32,可將管內(nèi)的流動分為兩個區(qū)域：一是邊界層匯合以前的流動

8、，稱之為進(jìn)口段流動；另一是邊界層匯合以后的流動，稱之為充分發(fā)展了的流動。,對于層流，進(jìn)口段長度可采用下式計(jì)算,(1-53),一、邊界層的形成與發(fā)展,進(jìn)口段長度,33,二、邊界層分離與形體阻力,邊界層的一個重要特點(diǎn)是，在某些情況下，會出現(xiàn)邊界層與固體壁面相脫離的現(xiàn)象。 此時邊界層內(nèi)的流體會倒流并產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致流體的能量損失。此種現(xiàn)象稱為邊界層分離，它是黏性流體流動時能量損失的重要原因之一。 產(chǎn)生邊界層分離的必要條件是：流體具有黏性和流動過程中存在逆壓梯度。,34,圖1-19 邊界層分離示意圖,二、邊界層分離與形體阻力,分離點(diǎn),35,第一章 流體流動,1.5 動量傳遞現(xiàn)象 1.5.1 層流分子動量

9、傳遞 1.5.2 湍流特性與渦流傳遞 1.5.3 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象,1.5.4 動量傳遞小結(jié),36,動量傳遞小結(jié),由于流體的粘性，當(dāng)流體運(yùn)動時內(nèi)部存在著剪切應(yīng)力。該剪切應(yīng)力是流體分子在流體層之間作隨機(jī)運(yùn)動從而進(jìn)行動量交換所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦的宏觀表現(xiàn)，分子的這種摩擦與碰撞將消耗流體的機(jī)械能。在湍流情況下，除了分子隨機(jī)運(yùn)動要消耗能量外，流體質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動與宏觀混合，還要產(chǎn)生比前者大得多的湍流應(yīng)力，消耗更多的流體的機(jī)械能。這二者便是摩擦阻力產(chǎn)生的主要根源。,37,另一方面，當(dāng)產(chǎn)生邊界層分離時，由于逆壓作用的結(jié)果，流體將發(fā)生倒流形成尾渦，在尾渦區(qū)，流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈碰撞與混合而消耗能量。這種由于局部產(chǎn)生倒流和尾渦以及壓力分布不均所造成的能量損失