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1、第4节流体在管内流动过程本讲稿第一页，共十五页*本节内容提要本节内容提要 简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，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。以滞流和湍流两种为流动阻力的计算奠定理论基础。以滞流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论，基本流型的本质区别为主线展开讨论，*本节重点本节重点 （1）两种流型的判据及本质区别；）两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特的意义及特点。点。（2）流动边界层概念流动边界层概念第四节 流体在管内流动时的摩擦阻力本讲稿第二页，共十五页一、流体阻力的表现与形成原因 1.流体阻力的表现流体阻力的表现 在一液面维持恒定的敞
2、口容器下部开孔接一水平等径管路，在水平管路中相隔一定的距离开孔竖直连接两根玻璃管，当开启水平管路出口阀门并逐渐增大水平管路中的流量时，容器液面与两玻璃管中的液面会出现高度差，且流量愈大则两玻璃管中的液柱高的差越大。由此可见，流体在流动过程中，其净压头逐渐减少，也即每千克流体所携带的静压能在流动过程中有所损失。本讲稿第三页，共十五页能量的转换能量的转换 h2h1h3本讲稿第四页，共十五页一、流体阻力的表现与形成原因流体阻力的形成原因流体阻力的形成原因流体在流动时流体质点间存在相互牵制作用，即流体在流动时流体质点间存在相互牵制作用，即内摩擦。内摩擦。由由于内摩擦作用的结果，导致流体在流动时为抵御质
3、点间的相互于内摩擦作用的结果，导致流体在流动时为抵御质点间的相互牵制作用而损耗能量。牵制作用而损耗能量。流体在流动过程中与管壁的摩擦。流体在流动过程中与管壁的摩擦。由于流体在流动过程中往往会因流动方向或流道截面由于流体在流动过程中往往会因流动方向或流道截面 的改变而的改变而产生涡流，由于涡流的自旋及与流体的逆流运动过程均需消耗大产生涡流，由于涡流的自旋及与流体的逆流运动过程均需消耗大量的机械能。量的机械能。本讲稿第五页，共十五页二、流体的流动类型1.雷诺实验雷诺实验 流体流动型态示意图流体流动型态示意图 雷诺实验装置雷诺实验装置本讲稿第六页，共十五页二、流体的流动型态2.2.两种流型两种流型层
4、流和湍流层流和湍流 层流（滞流）：层流（滞流）：流体质点沿着轴线方向作直线运动，不具流体质点沿着轴线方向作直线运动，不具有径向的速度，即与周围的流体间无宏观的碰撞和混合。有径向的速度，即与周围的流体间无宏观的碰撞和混合。湍流（紊流）：湍流（紊流）：流体质点在管内作不规则的杂乱运动，流体质点在管内作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。流体质点除沿轴线方向作并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。流体质点除沿轴线方向作主体流动外，还存在径向运动。主体流动外，还存在径向运动。湍流状态与层流状态相比，分子扩散的速率要高湍流状态与层流状态相比，分子扩散的速率要高105106倍倍 本讲稿第七页，共十
5、五页层流与湍流的本质区别是（）A 湍流流速层流流速 B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流 C 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动层D 层流的雷诺数湍流的雷诺数 本讲稿第八页，共十五页雷诺准数雷诺准数的定义的定义3 3.流型判别的依据流型判别的依据雷诺准数雷诺准数 流体的流动状况是由多方面因素决定的流速流体的流动状况是由多方面因素决定的流速u能引起流动状能引起流动状况改变况改变,而且管径而且管径d、流体的粘度、流体的粘度和密度和密度也。通过进一步也。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为的分析研究，可以把这些影响因素组合成为雷诺准数雷诺准数的的因次因次Re准数是一个准数是一个无因次数群
6、无因次数群无因次数群无因次数群。组成此数群的各物理量。组成此数群的各物理量,必须用一致的单位表示。因此必须用一致的单位表示。因此,无论采用何种单位制无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的单位一致只要数群中各物理量的单位一致,所算出的所算出的Re值必相等值必相等。本讲稿第九页，共十五页 *在生产操作条件下，在生产操作条件下，常将常将ReRe20002000的情况按湍流考虑的情况按湍流考虑。*Re Re的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都的大小不仅是作为层流与湍流的判据，而且在很多地方都要用到它。不过使用时要注意单位统一。另外，要注意要用到它。不过使用时要注意单位统一。另外，要注意
7、d d，有，有时是直径，有时是时是直径，有时是当量长度当量长度。流型的判定流型的判定对直管内的流动而言：对直管内的流动而言：Re2000 层流层流区区 2000 Re 4000 过渡区过渡区 Re 4000 湍流区湍流区 注意事项注意事项本讲稿第十页，共十五页三 圆管中的速度分布1.层流时的速度分布层流时的速度分布 层流时，流体层间层流时，流体层间的剪应力服从牛顿粘的剪应力服从牛顿粘性定律，平均速度与性定律，平均速度与管中心最大速度之比管中心最大速度之比 层流时的速度分布层流时的速度分布本讲稿第十一页，共十五页三 圆管中的速度分布2.湍流时的速度分布湍流时的速度分布 湍流时的速度分布湍流时的速
8、度分布基本特征基本特征:出现了径向脉动速度，使得动量出现了径向脉动速度，使得动量 传递较之层流大传递较之层流大得多得多 u um m0.820.82u umaxmax本讲稿第十二页，共十五页第四节管流过程本讲稿第十三页，共十五页第四节管流过程（二）流动边界层概念1.定义：显著存在速度梯度的区域称为流动边界层。2.流体在平板上流动边界层的形成和发展如下图：层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层边界层界限边界层界限u0u0u0 xy图图本讲稿第十四页，共十五页第四节管流过程3.边界分离：当处于稳定均匀流动的流体因流动方向或流道尺寸突然改变时，原来紧贴壁面前进的边界层会离开壁面，形成一个以零速度为标志的间段面，间断面的一侧为主流区，另一侧为真空区，这种现象称为边界层分离。本讲稿第十五页，共十五页