流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

優(yōu)選流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當前第1頁\共有56頁\編于星期五\3點1、雷諾實驗一、流動的型態(tài)當前第2頁\共有56頁\編于星期五\3點當前第3頁\共有56頁\編于星期五\3點現(xiàn)象：流體分層流動，層次分明彼此互不混雜本質(zhì)：層流流體層依靠分子的熱運動傳遞動量、熱量和質(zhì)量應用：牛頓粘性定律工程上遇到的層流流動不多,僅有粘度大的液體（如重油）輸送、毛細管以及多孔介質(zhì)中的流體流動（1）層流或滯流

（streamline,laminarorviscousflow）當前第4頁\共有56頁\編于星期五\3點現(xiàn)象：流體在總體上沿管道向前運動，同時還在各個方向作隨機的脈動本質(zhì)：湍流時流體通過分子的熱運動和質(zhì)點的隨機運動來傳遞動量、熱量和質(zhì)量應用：工程中遇到的大多數(shù)流動為湍流（2）湍流或紊流turbulentflow：當前第5頁\共有56頁\編于星期五\3點流型對流體中發(fā)生的動量、熱量和質(zhì)量的傳遞的效果有不同的影響實驗表明：管流流動的幾何尺寸（管徑d）、流動的平均速度及流體性質(zhì)（密度和粘度）對流型流型有影響2、流型flowpattern的判據(jù)

——雷諾數(shù)Re（Reynoldsnumber)當前第6頁\共有56頁\編于星期五\3點（1）雷諾數(shù)的定義：無因次的數(shù)群無量綱數(shù)群量綱分析當前第7頁\共有56頁\編于星期五\3點a、當Re＜2000：層流區(qū)b、當Re＞4000：湍流區(qū)c、當2000＜Re＜4000：過渡區(qū)transition

有時層流，有時湍流，與環(huán)境有關(guān)

無穩(wěn)定的過渡流存在（2）流型的判據(jù)當前第8頁\共有56頁\編于星期五\3點（3）雷諾數(shù)的意義準數(shù)或無量綱數(shù)群：幾個有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無量綱條件組合（非任意拼湊）起來的數(shù)群既反映所包含的各物理量之間的內(nèi)在關(guān)系，又能模型某一現(xiàn)象或過程的一些本質(zhì)當前第9頁\共有56頁\編于星期五\3點Re的變形：Re：表征慣性力與粘性力之比流體的速度大或粘性小，Re便大，湍動程度愈劇烈即：慣性力加劇湍動，粘性力抑制湍動當前第10頁\共有56頁\編于星期五\3點穩(wěn)定的平衡狀態(tài)任何一個系統(tǒng)如受到一個瞬時的擾動，使其偏離原有的平衡狀態(tài)，而在擾動消失后，該系統(tǒng)能自動恢復原有平衡狀態(tài)的不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)如果在擾動消失后該系統(tǒng)自動地進一步偏離原平衡狀態(tài)（4）穩(wěn)定性概念：對于瞬時擾動而言當前第11頁\共有56頁\編于星期五\3點層流是一種平衡狀態(tài)（當Re＜2000時）當Re超過2000時，是否出現(xiàn)湍流決定于外界的擾動當Re＞4000時，則微小的擾動就可以觸發(fā)流型的轉(zhuǎn)變Re＝2000不是判別流型的判據(jù)，而是層流穩(wěn)定性的判據(jù)實際上出現(xiàn)何種流型還與擾動的情況有關(guān)當前第12頁\共有56頁\編于星期五\3點（5）注意：a、三個區(qū)：層流區(qū)、過渡區(qū)、湍流區(qū)，兩種流型：層流、湍流b、穩(wěn)定性和定態(tài)性的區(qū)別：定態(tài)性：運動參數(shù)隨時間的變化情況穩(wěn)定性：系統(tǒng)對外界擾動的響應當前第13頁\共有56頁\編于星期五\3點c、非圓形管的當量直徑de

化工生產(chǎn)中流體流經(jīng)的通道并非都是圓形截面的當前第14頁\共有56頁\編于星期五\3點工程處理：

當量直徑equivalentdiameter

定義：當前第15頁\共有56頁\編于星期五\3點例題：對同心套管環(huán)隙中的流動，被流體潤濕的周邊長度包括環(huán)隙外周邊和內(nèi)周邊，則其當量直徑de為<問題>：正方形和長方形管道的當量直徑？當前第16頁\共有56頁\編于星期五\3點二、湍流的基本特征（1）質(zhì)點的高頻無規(guī)則脈動randomfluctuatingmotion（2）湍流的流動阻力遠遠大于層流（3）圓管中湍流的速度分布和層流有區(qū)別當前第17頁\共有56頁\編于星期五\3點1、時均速度與脈動速度當前第18頁\共有56頁\編于星期五\3點定義：瞬時流速在時間間隔T內(nèi)的平均值：特點：a、湍流時的定態(tài)流動：當時間間隔足夠長，時均速度與所取的時間間隔無關(guān)b、湍流的其他流動參數(shù)（如壓強p、T、ρ等）也可時均化流動參數(shù)的時均化：一種處理方法（1）時均速度meanvelocity當前第19頁\共有56頁\編于星期五\3點定義：因脈動而高于或低于時均速度的部分

實際的湍流流動：在一個時均流動上疊加了一個隨機的脈動量＝瞬時流速

…時均速度和脈動速度的關(guān)系

（2）脈動流速：當前第20頁\共有56頁\編于星期五\3點脈動速度特點一個可正可負的隨機量脈動速度的時均值為零湍流瞬時流速的測定：熱線風速儀、激光測速儀時均速度的測定：畢托管當前第21頁\共有56頁\編于星期五\3點（1）湍流強度intensityofturbulence：定義：用脈動速度的均方根值表示如x方向：數(shù)值：與旋渦的旋轉(zhuǎn)速度和所包含的機械能有關(guān)大小：對無障礙物的湍流流場，I＝0.5％～2％在障礙物后的高度湍流區(qū)，I＝5％～10％2、湍流的強度和尺度：當前第22頁\共有56頁\編于星期五\3點與旋渦大小有關(guān)，它是以相鄰兩點的脈動速度是否有相關(guān)性為基礎來度量的相關(guān)系數(shù)R定義：兩點脈動速度的相關(guān)程度大小介于0～1之間，與兩點相距有關(guān)，數(shù)值越大，兩脈動速度之間的相關(guān)性越顯著（2）湍流尺度scaleofturbulence：當前第23頁\共有56頁\編于星期五\3點湍流尺度定義：近似地等于旋渦的直徑或連續(xù)旋渦中心的距離與流體流經(jīng)系統(tǒng)的尺寸有關(guān)，最大旋渦的直徑受管徑影響。同一設備中的湍流，隨Re數(shù)的增加，湍流尺度降低當前第24頁\共有56頁\編于星期五\3點層流：只有軸向速度而無徑向速度牛頓型流體服從牛頓粘性定律其粘度μ反映了分子引力和分子運動造成的動量傳遞。粘度是流體的物理性質(zhì)。湍流：脈動速度加速了徑向的動量、熱量和質(zhì)量的傳遞動量的傳遞不再服從牛頓粘性定律湍流時動量的傳遞不僅起因于分子運動，且來源于流體質(zhì)點的橫向脈動速度3、湍流粘度當前第25頁\共有56頁\編于星期五\3點定義：

湍流粘度μ’的特點：與粘度μ完全不同，不再是流體的物性表述速度脈動的一個特征，它隨不同流場及離壁的距離而變化當前第26頁\共有56頁\編于星期五\3點三、邊界層

及邊界層分離當前第27頁\共有56頁\編于星期五\3點LudwigPrandtl（1875－1953）德國工程學教授1904年發(fā)表的重要論文提出邊界層理論FatherofModernFluidMechanicsorAerodynamicTheory

當前第28頁\共有56頁\編于星期五\3點這個理論解釋了之前許多富有爭議的問題，并隨后可用儀器分析更復雜的流動這個理論被評價為:流體力學最重要的貢獻邊界層理論不僅在流體力學中的地位非常高，而且在傳熱、傳質(zhì)過程中也非常重要當前第29頁\共有56頁\編于星期五\3點（1）邊界層的定義當前第30頁\共有56頁\編于星期五\3點a、主流區(qū)（外流區(qū)、流體主體）遠離壁面的大部分區(qū)域以慣性力為主速度梯度＝0（速度基本不變）其中的流體阻力可以忽略流場可分為兩個區(qū)域：當前第31頁\共有56頁\編于星期五\3點流速降為未受壁面影響流速（來流速度u0）的99％以內(nèi)的區(qū)域壁面附近很薄的一層流體需考慮流體粘性造成的粘性力作用速度梯度很大流動阻力主要集中的區(qū)域b、邊界層當前第32頁\共有56頁\編于星期五\3點（2）邊界層的組成層流邊界層streamlineboundarylayer在壁面的前一段邊界層內(nèi)的流型為層流湍流邊界層turbulentboundarylayer離平壁前緣若干距離邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流厚度較快地擴展當前第33頁\共有56頁\編于星期五\3點TurbulentBoundaryLayer當前第34頁\共有56頁\編于星期五\3點（3）邊界層的發(fā)展管流：入口段有邊界層內(nèi)外之分。在匯合時，若邊界層內(nèi)流動是滯流，則以后的管流為滯流當前第35頁\共有56頁\編于星期五\3點速度分布沿管長不斷變化，至匯合點處速度分布才發(fā)展為定態(tài)流動時管流的速度分布入口段中因未形成確定的速度分布，若進行傳熱、傳質(zhì)等傳遞過程，其規(guī)律與一般定態(tài)管流有所不同進口段長度entrylength流動達到充分發(fā)展的管長層流：l/d=0.05Re，湍流l=40~50d（4）人口段L0：當前第36頁\共有56頁\編于星期五\3點（1）層流內(nèi)層laminarsublayer近壁處速度脈動很小，湍流粘度μ’遠小于分子粘度μ可忽略湍流粘度的影響，流動仍保持層流特征即使在高度湍流條件下，近壁面處仍有一薄層保持著層流特征2、湍流時的層流內(nèi)層和過渡區(qū)當前第37頁\共有56頁\編于星期五\3點（2）過渡層（緩沖區(qū)）：在湍流區(qū)和層流內(nèi)層間此層中分子粘度和湍流粘度數(shù)值相當，對流動都有影響為簡化起見，常忽略過渡層當前第38頁\共有56頁\編于星期五\3點3、邊界層的分離現(xiàn)象當前第39頁\共有56頁\編于星期五\3點（2）結(jié)果：旋渦區(qū)：柱體的后部（液體回流）產(chǎn)生大量旋渦形體阻力（曳力）

a、流道擴大時必造成逆壓強梯度

b、逆壓強梯度容易造成邊界層的分離

c、邊界層分離造成大量旋渦，大大增加機械能消耗當前第40頁\共有56頁\編于星期五\3點當前第41頁\共有56頁\編于星期五\3點Variationofdragcoefficient

withReynoldsnumberforasphere

當前第42頁\共有56頁\編于星期五\3點IanThrope:

鯊魚皮泳衣材料：硅酮樹脂薄膜原理：流體力學的應用——壓塑肌肉的擺動作用：減少形體阻力、表面摩擦力當前第43頁\共有56頁\編于星期五\3點國際泳聯(lián)2009年3月14日宣布限制泳手穿著高科技泳衣

2008年打破的108項世界紀錄中79項是由穿著Speedo公司制造的LZRRacer泳衣(又稱“鯊魚皮”)的泳手刷新售價550美元僅能使用6次每人準備20件當前第44頁\共有56頁\編于星期五\3點當前第45頁\共有56頁\編于星期五\3點魚鱗形狀是阻力最小的表面（非平面）當前第46頁\共有56頁\編于星期五\3點當前第47頁\共有56頁\編于星期五\3點四、圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學描述1、流體的力平衡當前第48頁\共有56頁\編于星期五\3點2、剪應力分布shearstress

a、剪應力分布與流動截面的幾何形狀有關(guān)b、在圓形直管內(nèi)剪應力與半徑r成正比r=0處，剪應力＝0r=R處，剪應力最大當前第49頁\共有56頁\編于星期五\3點3、層流時的速度分布velocityprofile

當前第50頁\共有56頁\編于星期五\3點當前第51頁\共有56頁\編于星期五\3點4、層流時的平均速度和動能校正系數(shù)哈根-泊謖葉公式Hage-Poiseuillelaw即圓管內(nèi)作層流流動時的平均速度為管中心最大速度的一半=2.0當前第52頁\共有56頁\編于星期五\3點5、湍流時圓管內(nèi)沿流的速度分布湍流核心部分的動量傳遞比層流時大得多速度分布被拉平，與層流相比較為均勻。湍流時的速度分布：運動情況復雜只能借助于實驗數(shù)據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式