《流体流动形态》PPT课件

本节内容提要简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构,为流动阻力的计算奠定理论基础.本节重点（1）两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特点。（2）层流和湍流的速度分布。（3）流动边界层概念。第四节管内流体流动现象—管内流动阻力流体的流动型态一、两种流型——层流和湍流雷诺实验两种流动形态：层流(或滞流)：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。二、流型判据——雷诺准数udRe无因次数群*判断流型Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000Re4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。三、Re的物理意义Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。四、层流和湍流的比较内部质点运动方式不同。层流流体质点作直线运动，即流体分层运动；湍流流体在总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向作随机的脉动从输送流体的角度考虑：湍流增加了能量消耗，输送流体时不宜采用太高的流速；但从传质和传热的角度考虑，湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减小，有利于加大传质和传热的传递速率，所以在传质和传热过程中，往往在输送条件的允许下尽可能提高流体的流速。例有一内径为25mm的水管，如管中流速为1.0m/s，水温为20℃。求：（1）管道中水的流动类型；（2）管道内水保持层流状态的最大流速。解(1)20℃水μ=1cP=10-3Pa·s，ρ=998.2kg/m3故管中为湍流(2)保持层流需maxReud4000105.2100012.998101025.043eduRsmu/08.02.998025.0001.02000max流体在圆管内的速度分布速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上质点的速度随半径的变化关系。理想流体速度分布:柱塞流实际流体速度分布一、层流时的速度分布管中心流速为最大，即r＝0时，＝umax.u2max.1Rruur管截面上的平均速度:max21uAVuS2、层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。1、流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布，截面上各点速度是轴对称的。管壁处流体流速为零，即r＝R时，＝0.u二、流体在圆管中湍流时的速度分布nrRruu1max.湍流速度分布的经验式：一般流体输送情况下：max.uAVuS820湍流流动时：层流内层：靠近管壁处的流体薄层，速度及其径向脉动较小，保持层流流动（径向传递只能依赖分子运动），称为层流内层。Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。——层流内层为传递过程的主要阻力流动边界层的基本概念①板面附近流速变化较大（存在速度梯度）的区域，称为流动边界层（或简称边界层），流体阻力集中在此区域内。②边界层以外流速基本不变（等于u∞）的区域称为主流区，此区内速度梯度为零。一般以主流流速的99%处作为两个区域的分界线，上图所示的虚线与平板间的区域即为边界层区域。因此，边界层的内侧速度为零，而外侧速度为0.99u∞。流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。边界层流型：层流边界层和湍流边界层。层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。13流体在圆管内流动时的边界层14边界层的分离ABS边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能量损失。流体流动现象小结▲牛顿粘性定律是牛顿流体在作层流流动时的过程特征方程。它虽然是一个简单的实验定律，但在流体流动尤其是层流解析中具有重要作用。▲流体按其流动状态有层流与湍流两种流型，这是有本质区别的流动现象。在流体流动、传热及传质过程等工程计算中，往往必须先确定之。流型判断依据是Re的数值。▲层流速度分布的描述采用一般物理定律十过程特征定则的方法，得到完全解析的结果。湍流时，由于过程特征规律不确定，而使问题无法解析，只有采用实验测定的方法。