《《医用物理学》教学课件：02第二章-流体的运动-3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《医用物理学》教学课件：02第二章-流体的运动-3（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、雷诺雷诺 (O. Reynolds 1842-1912) 英国力学家、英国力学家、物理学家、物理学家、工程师工程师雷诺实验第三节 黏性流体的运动规律雷诺实验演示 湍流湍流层流层流过渡流过渡流雷诺(O.Reynolds)最早对湍流现象进行系统研究。1883年他通过大量的实验，证实了流体在自然界存在两种迥然不同的流态：层流和湍流。什么是层流？什么是层流？ 什么是湍流？什么是湍流？它们各自遵循那些物理规律？它们各自遵循那些物理规律？如何如何定量的定量的区分这两种不同的流动？区分这两种不同的流动？ 第三节 黏性流体的运动规律2.3.1 黏性流体的运动1. 层流层流（laminar flow） 由于流体
2、黏滞性的存在在管道中流动的流体，出现了分层流动，各层流体彼此不相混合，只作相对滑动，这种流动称为层流。沿管轴流动的甘油流速最大，距管轴越远流速越小，在管壁上甘油附着，流速为零。当当流流层层之之间间因因流流速速不不同同而而相相对对运运动动时时, , 两两层层之之间间存存在在着着切切向向的相互作用力的相互作用力 黏滞力或内摩擦黏滞力或内摩擦力力实验表明：实验表明：内摩擦力的大小内摩擦力的大小牛顿黏滞定律牛顿黏滞定律（1）牛顿）牛顿黏滞定律黏滞定律 2. 牛顿牛顿黏滞定律黏滞定律 黏度黏度内摩擦力的内摩擦力的方向方向：与流体层平行：与流体层平行, ,是切向力是切向力x速率梯度速率梯度速率A物理意义物
3、理意义：描述速率随空描述速率随空间位置变化快慢间位置变化快慢的程度的程度x2. 牛顿牛顿黏滞定律黏滞定律 黏度黏度比较比较流体流体温度温度()流体流体温度温度()空气空气1002.71水水1000.3201.82370.6901.7101.8氢气氢气2511.30酒精酒精201.19200.8801.77黏度的大小决定于黏度的大小决定于流体的性质流体的性质, , 并受并受温度温度的影响的影响 液体液体的黏度随温度的升高而减小；的黏度随温度的升高而减小；气体气体的黏度随温度的升高而增大。的黏度随温度的升高而增大。 一一般般说说来来，液液体体的的内内摩摩擦擦力力小小于于固固体体之之间间的的摩摩擦擦
4、力力，古古人人开开凿凿运运河河，用用于于运运输输；用用机机油油润润滑滑机机械械，减减少少磨磨损损，延延长长使使用用寿寿命命，都都是是这这一一原原理理的的应应用用。气气体体的的黏黏滞滞性性则则更更小小，气气垫垫船船的的使用就是利用了气体的这一使用就是利用了气体的这一特性。特性。验证牛顿三定律实验所用的气垫导轨验证牛顿三定律实验所用的气垫导轨 遵遵从从牛牛顿顿黏黏滞滞定定律律（剪剪切切力力、内内摩摩擦擦力力与与形形变变的的关关系系）的的流流体体称称为为牛牛顿顿流流体体( (水水、酒酒精精、血血浆浆) )，不不遵遵从从牛牛顿顿黏黏滞滞定定律律的的流流体体称称为为非非牛牛顿顿流流体体( (血液、胶体溶
5、液和燃料水溶液血液、胶体溶液和燃料水溶液) )。（4）牛顿流体）牛顿流体与非牛顿流体与非牛顿流体 一一般般来来说说，只只含含有有相相同同物物质质的的均均匀匀流流体体多多为为牛牛顿顿流流体体；而而含含有有悬悬浮浮物物或或弥弥散散物物的的流流体体为为非非牛牛顿流体。顿流体。 非牛顿液体行为：http:/ 湍流和雷诺数湍流和雷诺数（1）湍流）湍流(turbulent flow） 当当流体流动的流体流动的速度超过一定数速度超过一定数值值时，流体时，流体将不再保持分层将不再保持分层流动，流动，各各流体层之间相互流体层之间相互混淆，而且混淆，而且可以可以出现出现涡旋。涡旋。层流和湍流的对比层流和湍流的对比
6、层流层流湍流湍流定常流动定常流动非定常流动非定常流动流层间无流体质元交换流层间无流体质元交换流层间有流体质元交换流层间有流体质元交换速度小，能量损耗小速度小，能量损耗小速度大，能量损耗大速度大，能量损耗大没有声音没有声音有声音有声音 流体在作湍流时，能量消耗比层流多，湍流发声的强度要远远大于层流，而且音调也有显著的差别，这在医学上具有实用价值。 利用湍流的这一特性，医生能用听诊器辨别出血流的非正常情况，从而诊断某些心血管疾患；通过听取支气管、肺泡呼吸音的正常与否，诊断肺部疾病。测量血压时，在听诊器中听到的声音，也是血液通过被压扁的血管时，产生湍流所发生的。湍流的医学应用湍流的医学应用1.雷雷诺
7、诺数数无无量量纲纲，它它是是鉴鉴别别黏黏性性流流体体流动状态的流动状态的唯一唯一参数。参数。烟缕由层流转变为湍流讨论讨论不同雷诺数的圆柱绕流流场不同雷诺数的圆柱绕流流场3. 流体流体的黏度愈的黏度愈小，密度小，密度愈愈大，愈大，愈容易发生容易发生湍流。湍流。讨论讨论雷诺数相等的流场具有相同的流动状态和雷诺数相等的流场具有相同的流动状态和性质。性质。 流流动动的的相相似似性性原原理理，在在流流体体力力学学工工程程的的模模拟拟实实验验中中有有着着重重要要的的应应用用。如如建建立立在在相相似似性性原原理理基基础础上上的的风风洞洞、水水洞洞试试验验( (几几何何相似的小尺度模型相似的小尺度模型) )。
8、流动相似性 低速封闭风洞低速封闭风洞 运动员在进行风洞实验运动员在进行风洞实验 飞机的风洞实验飞机的风洞实验 汽车的风洞实验汽车的风洞实验人体中时刻存在着各种生理流动，对生命和健康最重要的是血液循环与呼吸系统。健康人体的血管和气管等流动管道都具有良好的弹性，管壁可以吸收扰动能量，起着稳定流场的作用，因而生生理理流流动动的的临临界界雷雷诺诺数数( (由由层层流流转转变变为湍流时的雷诺数为湍流时的雷诺数) )要远远超过刚性管流的要远远超过刚性管流的临界雷诺数临界雷诺数。 生理流动只有当深呼吸或咳嗽时，才会发生湍流。此时，雷诺数峰值可高达不可思议的50000。在相同雷诺数条件下，层流的摩擦阻力和能量
9、损耗要远远低于湍流，而湍流中的物质交换和化学反应又比层流充分得多。难怪力学专家会发出惊叹：人体已经发展成为近乎最优化的系统。然而，一旦循环系统或呼吸系统管道弹性减弱，则吸收扰动能量的能力就要大打折扣。如果管道(循环系统的管道还应包括心脏瓣膜在内)发生狭窄阻塞，内壁粗糙时，就容易引发湍流，湍流旋涡还会对病变的管壁造成进一步的损伤。 2.3.2 黏性流体的运动规律1. 黏性黏性流体的伯努利方程流体的伯努利方程 黏性黏性流体流体修正修正： 理想流体：理想流体：12121 2在在截面均匀截面均匀的的水平管水平管中中稳稳定流动定流动的流体（的流体（应用应用连续性方连续性方程程）：）：2.3.2 黏性流体
10、的运动规律1. 黏性流体的伯努利方程黏性流体的伯努利方程 理想流体和黏性流体的对比理想流体和黏性流体的对比黏性流体黏性流体黏性黏性流体的流体的伯努利方程伯努利方程 2.泊肃叶定律泊肃叶定律1840年，法国生理学家年，法国生理学家泊肃叶泊肃叶通过大量实验证通过大量实验证明：在明：在水平均匀细长水平均匀细长玻璃玻璃圆管圆管中作中作层流层流的的不可压缩不可压缩的的黏性黏性流体流体，满足满足适用范围适用范围： 水平水平均匀细长圆管中均匀细长圆管中, , 不可压缩的黏滞流体作不可压缩的黏滞流体作层流。层流。讨论讨论 流阻的计算规律流阻的计算规律与与电学中的欧姆定律电学中的欧姆定律相似，且具有和电相似，且
11、具有和电阻相同的串并联公式。当多个等截面水平管串联或并联时，阻相同的串并联公式。当多个等截面水平管串联或并联时，其总流阻分别为：其总流阻分别为：串联串联流管流阻流管流阻并联并联流管流阻流管流阻 医学上常用这些公式对心血管系统的心排量、血压降、医学上常用这些公式对心血管系统的心排量、血压降、外周阻力之间的数量关系进行近似的分析。外周阻力之间的数量关系进行近似的分析。循环系统各类血管中的血压如何使如何使高血压高血压病人的血压降到正常水平？病人的血压降到正常水平？ 2.3.3 物体在黏性流体中的阻力2.斯托克斯阻力公式斯托克斯阻力公式终极速度终极速度3. 终极速度或沉降速度终极速度或沉降速度（ter
12、minalvelocityorsedimentaryvelocity） 应用：可以测量流体的应用：可以测量流体的黏度、小球黏度、小球的的半径。半径。思考题：思考题： 设计利用沉降速度测量液体黏度的实验，包括所需的实验器材，计算公式和实验步骤。结合对比：实验课液体黏滞系数的测定及基本电荷的测定密立根油滴实验离心机离心机4. 涡旋尾流，压差阻力涡旋尾流，压差阻力 具有较大流速的流体流经物体，因黏性作用，物体后部边界层的流体质元会减速并脱落，而若前方流体不能及时填充，就会导致已流至后方的外层流体回旋，使物体后部出现涡旋尾流。 随着流速进一步增大，一些涡旋被带走，又有新的涡旋产生，从而在物体后部形成涡
13、旋系列，也叫“卡门涡街”。纯粘性流体和粘弹性流体纯粘性流体：剪切应力消失后，作用期间发生的纯粘性流体：剪切应力消失后，作用期间发生的任何形变不能恢复任何形变不能恢复粘弹性流体：剪切应力消失后，作用期间发生粘弹性流体：剪切应力消失后，作用期间发生的的形变能够完全或部分恢复形变能够完全或部分恢复粘弹性流体的特殊物理现象：韦森堡（爬杆）效应挤出胀大和弹性回复效应无管虹吸湍流减阻一、基本概念一、基本概念小结小结二、二、基本定律基本定律2. 题目类型题目类型大大开口容器（理想、黏滞）；开口容器（理想、黏滞）；流速计流速计、流量计、流量计注意注意各章内容间的联系：密闭容器各章内容间的联系：密闭容器（考虑（考虑压强变化）；压强变化）；某些某些特殊类型的特殊类型的题题3. 克服思维定式克服思维定式三、三、解题思路及其注意点解题思路及其注意点例：例：求解虹吸问题选择研究对象选择研究对象解：解：be两点两点ce两点两点已知：已知：求：求：解：解：已知：已知：求：求：解：解：又有：解：解：(1)
