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1、化工原理第一章第三节第1页，本讲稿共31页 一、牛顿粘性定律与流体的粘度一、牛顿粘性定律与流体的粘度 1.牛顿粘性定律牛顿粘性定律 流体的内摩擦力：流体的内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的作 用力。又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体阻力产生的依据流体阻力产生的依据2023/2/4第2页，本讲稿共31页剪应力：单位面积上的内摩擦力，以表示。适用于u与y成直线关系 2023/2/4第3页，本讲稿共31页牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：速度梯度 比例系数，它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度。2023/2/4第4页，本讲稿共31页2、流体的粘度、流体
2、的粘度 1)物理意义物理意义 促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来 2)粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系 a)液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。2023/2/4第5页，本讲稿共31页 b)气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少。3）粘度的单位）粘度的单位 在SI制中：在物理单位制中，2023/2/4第6页，本讲稿共31页SI单位制和物理单位制粘度单位的换算关系为：4)混合物的粘度混合物的粘度对常压气体混合物：对于分子不缔合的液体混合物：2023/2/4第7页，本讲稿共31页 5）运动粘度）运动粘
3、度单位：SI制：m2/s；物理单位制：cm2/s，用St表示。2023/2/4第8页，本讲稿共31页二、流动类型与雷诺准数二、流动类型与雷诺准数1、雷诺实验、雷诺实验 滞流或层流湍流或紊流2023/2/4第9页，本讲稿共31页2023/2/4第10页，本讲稿共31页2、雷诺数、雷诺数Re雷诺数的因次：Re是一个没有单位，没有因次的纯数。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。雷诺准数可以判断流型 2023/2/4第11页，本讲稿共31页流体在圆形直管内流动时：流体的流动类型属于滞流；流体的流动类型属于湍流；可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关。过渡区例：例：20C的水在内径为50
4、mm的管内流动，流速为2m/s，试分别用SI制和物理制计算Re数的数值。解解：1）用SI制计算：从附录五查得20C时，=998.2kg/m3，=1.005mPa.s，2023/2/4第12页，本讲稿共31页管径d=0.05m，流速u=2m/s，2）用物理单位制计算：2023/2/4第13页，本讲稿共31页三、滞流与湍流的比较三、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，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。湍流流动时，流体质点在沿流动方向 运动的同时，还做随 机的脉动。2023/2/4第14页，本讲稿共31页管道截面上任一点的时均速度为：湍流流动是一个时均流动
5、上叠加了一个随机的脉动量。例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：湍流的特征是出现速度的脉动。2023/2/4第15页，本讲稿共31页2、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：流体在管内流动时截面上各点速度随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 作用于流体单元左端的总压力为：2023/2/4第16页，本讲稿共31页作用于流体单元右端的总压力为：作用于流体单元四周的剪应力为：2023/2/4第17页，本讲稿共31页代入上式得：滞流流动时圆管内速度分布式 2023/2/4第18页，本讲稿共31页 2）圆管内湍流流动的速度分布
6、）圆管内湍流流动的速度分布 410-4Re1.0105时，n=6；1105Re3.2106时，n=10。湍流流动时圆管内速度分布式 2023/2/4第19页，本讲稿共31页3、滞流和湍流的平均速度、滞流和湍流的平均速度 通过管截面的平均速度就是体积流量与管截面积之比 1）层流时的平均速度）层流时的平均速度 流体的体积流量为：滞流时，管截面上速度分布为：2023/2/4第20页，本讲稿共31页积分此式可得 层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半。2023/2/4第21页，本讲稿共31页2）湍流时的平均速度）湍流时的平均速度积分上式得：2023/2/4第22页，本讲稿共31页1/7方律 通常遇到
7、的情况下，湍流时的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。2023/2/4第23页，本讲稿共31页4、滞流和湍流中的剪应力、滞流和湍流中的剪应力滞流流动的剪应力：剪应力：单位时间通过单位面积的动量，即动量通量。湍流流动的剪应力：称为涡流粘度，反映湍流流动的脉动特征，随流动状况及离壁的距离而变化。2023/2/4第24页，本讲稿共31页圆管内滞流与湍流的比较滞流湍流本质区别 分层流动 质点的脉动 速度分布 平均速度 剪应力 2023/2/4第25页，本讲稿共31页四、边界层的概念四、边界层的概念 流速降为未受影响流速的99%以内的区域。边界层：1、边界层的形成、边界层的形成边界层区主流区2
8、023/2/4第26页，本讲稿共31页2、边界层的发展、边界层的发展1）流体在平板上的流动）流体在平板上的流动 2023/2/4第27页，本讲稿共31页 2）流体在圆形直管进口段内的流动）流体在圆形直管进口段内的流动 流体在圆管内流动时，边界层汇合处与管入口的距离称作进口段长度，或稳定段长度。一般滞流时通常取稳定段长度x0=(50-100)d，湍流时稳定段长度约于(40-50)d。2023/2/4第28页，本讲稿共31页3、边界层的分离、边界层的分离A点流速为零压强最大驻点加速减压B点(umax，pmin)减速加压C点(u=0，pmax)边界层分离2023/2/4第29页，本讲稿共31页2023/2/4第30页，本讲稿共31页由此可见：流道扩大时必造成逆压强梯度 逆压强梯度容易造成边界层的分离边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗 流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为形体阻力。粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和，这两者之和又称为局部阻力。2023/2/4第31页，本讲稿共31页