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1、化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象一、一、流动型态流动型态（一）（一） 雷诺实验与流动型态雷诺实验与流动型态 （二）雷诺数（二）雷诺数雷诺数的因次雷诺数的因次 ：无因次无因次层流层流湍流湍流(laminar flow)(turbulent flow)（滞流）（滞流）（紊流）（紊流）1化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象在计算在计算Re时，一定要注意各物理量的时，一定要注意各物理量的单位必须统一。单位必须统一。1. 雷诺准数可以判断流型雷诺准数可以判断流型流体在圆形直管内流动时：流体在圆形直管内流动时： 滞流滞
2、流（层流）（层流）湍流湍流 可可能能是是滞滞流流，也也可可能能是是湍湍流流，与外界条件有关。与外界条件有关。若用若用SI制计算出的制计算出的Re数为数为2125，则用，则用CGS制计制计算时，其算时，其Re数为数为 。过渡区过渡区2化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象2. 雷诺准数的物理意义雷诺准数的物理意义Re反映了流体流动中反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。标志着流体流动的湍动程度。二、滞流与湍流的比较二、滞流与湍流的比较 1. 流体内部质点的运动方式流体内部质点的运动方式层流流动时，流体质
3、点沿管轴做有规则的层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。平行运动。湍流流动时，湍流流动时，流体质点在沿流动方向运动的同时，流体质点在沿流动方向运动的同时，还做还做随机的脉动随机的脉动。 3化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象 管道截面上任一点的时均速度为：管道截面上任一点的时均速度为：湍流流动是一个湍流流动是一个时均量叠加了一个随机的脉动量时均量叠加了一个随机的脉动量 。湍流流动中某一点的瞬时速度为：湍流流动中某一点的瞬时速度为： 4化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象 湍流的特征是出现湍流的特征是出现
4、速度的脉动（速度的脉动（fluctuation）。）。 滞流和湍流的本质区别是滞流和湍流的本质区别是滞流无径向脉动，而湍流滞流无径向脉动，而湍流有径向脉动。有径向脉动。 2. 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布 速速度度分分布布：流流体体在在管管内内流流动动时时截截面面上上各各点点速速度度随随该点与管中心的距离的变化关系。该点与管中心的距离的变化关系。 1）圆管内滞流流动的速度分布）圆管内滞流流动的速度分布5化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象由压力差产生的推力由压力差产生的推力 流体层间内摩擦力流体层间内摩擦力 6化化工工原原理理2 2 0
5、 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象积分得：积分得：7化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9滞流流动时圆管内速度分布式滞流流动时圆管内速度分布式 1.3 流体流动现象流体流动现象流体在圆形直管内流体在圆形直管内层流流动层流流动时，其速度呈时，其速度呈抛物线分布抛物线分布。8化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象管截面上的平均速度管截面上的平均速度:即即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 2）圆管内湍流流动的速度分布圆管内湍流流动的速度分布剪应力：剪应力： ：称为称为湍流粘度湍流粘度
6、，表征脉动的强弱，表征脉动的强弱取决于管内的雷诺数及管壁的距离，取决于管内的雷诺数及管壁的距离，非流体物性非流体物性9化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象湍流流动时圆管内速度分布式湍流流动时圆管内速度分布式 10化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 91.3 流体流动现象流体流动现象n与与Re有关，取值如下：有关，取值如下： 1/7次方定律 4104Re1.1105时，时，n=6； 1.1105Re3.2106时，时，n=10 。当当 n=7 时，时，11化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9圆管内滞流与湍流的比较圆管内滞流与湍流的比较滞
7、流滞流湍流湍流本质区别本质区别 分层流动分层流动 质点的脉动质点的脉动 速度分布速度分布 平均速度平均速度 剪应力剪应力 1.3 流体流动现象流体流动现象12化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9三、边界层与边界层分离三、边界层与边界层分离（一）边界层的形成与发展（一）边界层的形成与发展 1.3 流体流动现象流体流动现象 流动边界层：流动边界层：存在着存在着较大速度梯度较大速度梯度的流体层区域，的流体层区域， 即流速降为主体流速的即流速降为主体流速的99以内的区域。以内的区域。13化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 边界层厚度：边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。边界
8、层外缘与壁面间的垂直距离。 边界层区边界层区（边界层内）（边界层内）：沿板面法向的速度梯度沿板面法向的速度梯度 很大，需考虑粘度的影响，很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略剪应力不可忽略。 主流区主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可 以忽略，以忽略，可视为理想流体可视为理想流体 。1.3 流体流动现象流体流动现象14化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9边界层类型：边界层类型：层流边界层层流边界层和和湍流边界层湍流边界层。 层流边界层：在平板的前段，边界层内流型为层流。层流边界层：在平板的前段，边界层内流型为层流。 湍流边界层：离平板前沿一段
9、距离后，边界层内湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内 流型转为湍流。流型转为湍流。 1.3 流体流动现象流体流动现象湍流流动时：湍流流动时：15化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 湍流主体：湍流主体：速度脉动较大，速度脉动较大，以湍流粘度为主以湍流粘度为主，径向，径向 传递因速度的脉动而大大强化；传递因速度的脉动而大大强化； 过渡层：过渡层：分子粘度与湍流粘度相当分子粘度与湍流粘度相当； 层流内层：层流内层：速度脉动较小，速度脉动较小，以分子粘度为主以分子粘度为主，径向，径向传递只能依赖分子运动。传递只能依赖分子运动。层流内层为传递过程的主要阻力层流内层为传递过程的主要阻力R
10、e越大越大，湍动程度越高，层流内层厚度，湍动程度越高，层流内层厚度 越薄越薄1.3 流体流动现象流体流动现象16化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9流体在圆管内流动时的边界层流体在圆管内流动时的边界层 1.3 流体流动现象流体流动现象17化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9 充分发展的边界层厚度为圆管的半径；充分发展的边界层厚度为圆管的半径； 也分为层流边界层与湍流边界层。也分为层流边界层与湍流边界层。进口段（稳定段）长度：进口段（稳定段）长度：层流：层流：湍流：湍流：1.3 流体流动现象流体流动现象18化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9（二）（二） 边界层分离
11、（边界层分离（boundary layer separation)ABS 1.3 流体流动现象流体流动现象19化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9AC：流流道道截截面面积积逐逐渐渐减减小小，流流速速逐逐渐渐增增加加，压压力逐渐减小（顺压梯度）；力逐渐减小（顺压梯度）；CS：流流道道截截面面积积逐逐渐渐增增加加，流流速速逐逐渐渐减减小小，压压力力逐渐增加（逐渐增加（逆压梯度逆压梯度）；）；S点点：物物体体表表面面的的流流体体质质点点在在逆逆压压梯梯度度和和粘粘性性剪剪应应力的作用下，速度降为力的作用下，速度降为0。SS以以下下：边边界界层层脱脱离离固固体体壁壁面面，而而后后倒倒流流回回来来，形成涡流，出现边界层分离。形成涡流，出现边界层分离。1.3 流体流动现象流体流动现象20化化工工原原理理2 2 0 0 0 0 9 9边界层分离的后果：边界层分离的后果： 产生大量旋涡；产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。造成较大的能量损失。边界层分离的必要条件：边界层分离的必要条件： 流体具有粘性；流体具有粘性； 流动过程中存在逆压梯度。流动过程中存在逆压梯度。由于固体表面形状而造成由于固体表面形状而造成边界层分离边界层分离所引起的所引起的能量损耗称为能量损耗称为形体阻力形体阻力。 1.3 流体流动现象流体流动现象21
