化工原理管内流体流动现象PPT讲稿.ppt

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1、化工原理管内流体流动现象化工原理管内流体流动现象第1页，共32页，编辑于2022年，星期五 1.3 管内流体流动现象管内流体流动现象1.3.1 流体的粘度流体的粘度 1.3.2 流体的流动型态流体的流动型态 1.3.3 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布1.3.4 流体流动边界层流体流动边界层第2页，共32页，编辑于2022年，星期五1.3.1 流体的粘度流体的粘度一、一、牛顿粘性定律牛顿粘性定律 或或式中：式中：F内摩擦力，内摩擦力，N；剪应力，剪应力，Pa；法向速度梯度，法向速度梯度，1/s；比例系数，称为流体的粘度，比例系数，称为流体的粘度，Pas。Fuududy第3页，共32

2、页，编辑于2022年，星期五牛牛顿顿型型流流体体：剪剪应应力力与与速速度度梯梯度度的的关关系系符符合合牛牛顿顿 粘性定律的流体；粘性定律的流体；非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。第4页，共32页，编辑于2022年，星期五二、二、流体的粘度流体的粘度（动力粘度）（动力粘度）1.1.粘度的物理意义粘度的物理意义 流流体体流流动动时时在在与与流流动动方方向向垂垂直直的的方方向向上上产产生生单单位位速度梯度速度梯度所需的剪应力。所需的剪应力。粘度的物理本质粘度的物理本质：分子间动量传递。分子间动量传递。分子间作用力和分子碰撞。分子间作用力和分子碰撞。第5页

3、，共32页，编辑于2022年，星期五液体液体:T 气体气体:一般一般T 超高压超高压p 第6页，共32页，编辑于2022年，星期五2.粘度的单位粘度的单位SI制：制：Pas 或或 kg/(ms)物理制：物理制：cP(厘泊）厘泊）换算关系换算关系1cP10-3 Pas第7页，共32页，编辑于2022年，星期五3.3.运动粘度运动粘度 粘度粘度与密度与密度的之比。的之比。m2/s第8页，共32页，编辑于2022年，星期五一、雷诺实验一、雷诺实验1.3.2 1.3.2 流体的流动型态流体的流动型态流体的流动型态流体的流动型态第9页，共32页，编辑于2022年，星期五 层层流流（或或滞滞流流）：流流体

4、体质质点点仅仅沿沿着着与与管管轴轴平平行行的的方方向向作作直直线线运运动动，质质点点无无径径向向脉脉动动，质质点点之之间间互互不不混合；混合；湍湍流流（或或紊紊流流）：流流体体质质点点除除了了沿沿管管轴轴方方向向向向前前流流动动外外，还还有有径径向向脉脉动动，各各质质点点的的速速度度在在大大小小和和方方向向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。上都随时变化，质点互相碰撞和混合。第10页，共32页，编辑于2022年，星期五二、流型判据雷诺准数 无因次数群无因次数群（1）第11页，共32页，编辑于2022年，星期五1.判断流型判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；时，流动为层流，此区称为

5、层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000 Re 4000 时时，流流动动可可能能是是层层流流，也也可可能能是是湍湍流流，该区称为不稳定的该区称为不稳定的过渡区过渡区。第12页，共32页，编辑于2022年，星期五2.物理意义 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。第13页，共32页，编辑于2022年，星期五一、层流时的速度分布一、层流时的速度分布 1.3.3 1.3.3 流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布流体在圆管内的速度分布 速度分布：流体在管内流动时,管截面上质点的速度随半径

6、的变化关系。第14页，共32页，编辑于2022年，星期五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 第15页，共32页，编辑于2022年，星期五匀速运动物体受的合力为零：匀速运动物体受的合力为零：第16页，共32页，编辑于2022年，星期五管壁处管壁处rR时，时，u 0，可得速度分布方程，可得速度分布方程（2）第17页，共32页，编辑于2022年，星期五1.管中心流速为最大，即管中心流速为最大，即r0时，时，u umax 2.流流体体在在圆圆形形直直管管内内层层流流流流动动时时，其其速速度度呈呈抛抛物物面面分布分布。第18页，共32页，编辑于2022年，星期五管截面

7、上的平均速度管截面上的平均速度:层流流动平均速度为管中心最大速度的1/2。第19页，共32页，编辑于2022年，星期五（3）哈根泊谡叶方程第20页，共32页，编辑于2022年，星期五二、湍流时的速度分布二、湍流时的速度分布 剪应力剪应力：e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。为湍流粘度，与流体的流动状况有关。湍湍流流速速度度分分布布的的经验式：经验式：第21页，共32页，编辑于2022年，星期五一、边界层的形成与发展一、边界层的形成与发展 流流动动边边界界层层：存存在在着着较较大大速速度度梯梯度度的的流流体体层层区区域域，即即流流速降为主体流速的速降为主体流速的99以内的区域。以内的区域。边界层

8、厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。1.3.4 1.3.4 流体流动边界层流体流动边界层流体流动边界层流体流动边界层第22页，共32页，编辑于2022年，星期五流体在平板上流动时的边界层：流体在平板上流动时的边界层：第23页，共32页，编辑于2022年，星期五 边边界界层层区区（边边界界层层内内）：沿沿板板面面法法向向的的速速度度梯梯度度很很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。主主流流区区（边边界界层层外外）：速速度度梯梯度度很很小小，剪剪应应力力可可以以忽略，可视为理想流体忽略，可视为理想流体。第24页，共32

9、页，编辑于2022年，星期五边界层流型：层流边界层和湍流边界层。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。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。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。第25页，共32页，编辑于2022年，星期五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 第26页，共32页，编辑于2022年，星期五 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；进口段内有边界层内外之分进口段内有边界层内外之分。也分为层流边界层与湍流边界

10、层。也分为层流边界层与湍流边界层。进口段长度：进口段长度：层流：层流：湍流：湍流：第27页，共32页，编辑于2022年，星期五湍流流动时：湍流流动时：第28页，共32页，编辑于2022年，星期五湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；递因速度的脉动而大大强化；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。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Re越大，

11、湍动程度越高，层流内层厚度越薄。越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。第29页，共32页，编辑于2022年，星期五ABS 二、边界层的分离二、边界层的分离第30页，共32页，编辑于2022年，星期五A C：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，压压力力逐逐渐渐减小（顺压梯度）；减小（顺压梯度）；C S：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，压压力力逐逐渐增加（逆压梯度）；渐增加（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力的的作作用用下，速度降为下，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，形形成成涡流，出现边界层分离。涡流，出现边界层分离。第31页，共32页，编辑于2022年，星期五边界层分离的后果：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。第32页，共32页，编辑于2022年，星期五