化工原理第一章第三節(jié)

化工原理第一章第三節(jié)第一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日

一、牛頓粘性定律與流體的粘度

牛頓粘性定律流體的內(nèi)摩擦力：運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的作用力。又稱為粘滯力或粘性摩擦力?！黧w阻力產(chǎn)生的依據(jù)2023/6/17第二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日剪應(yīng)力：單位面積上的內(nèi)摩擦力，以τ表示。適用于u與y成直線關(guān)系

2023/6/17第三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日——牛頓粘性定律式中：

速度梯度比例系數(shù)，它的值隨流體的不同而不同，流體的粘性愈大，其值愈大，稱為粘性系數(shù)或動力粘度，簡稱粘度。

2023/6/17第四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2、流體的粘度

1)物理意義

促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運動時才顯現(xiàn)出來2)粘度與溫度、壓強的關(guān)系

a)液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強變化時，液體的粘度基本不變。2023/6/17第五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日

b)氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓強增加而增加的很少。3）粘度的單位在SI制中：在物理單位制中，2023/6/17第六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日SI單位制和物理單位制粘度單位的換算關(guān)系為：4)混合物的粘度對常壓氣體混合物：對于分子不締合的液體混合物：2023/6/17第七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日5）運動粘度單位：

SI制：m2/s；物理單位制：cm2/s，用St表示。2023/6/17第八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日二、流動類型與雷諾準數(shù)1、雷諾實驗

滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?023/6/17第九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17第十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2、雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)的因次：Re是一個沒有單位，沒有因次的純數(shù)。在計算Re時，一定要注意各個物理量的單位必須統(tǒng)一。雷諾準數(shù)可以判斷流型

2023/6/17第十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日流體在圓形直管內(nèi)流動時：流體的流動類型屬于滯流；流體的流動類型屬于湍流；可能是滯流，也可能是湍流，與外界條件有關(guān)?！^渡區(qū)例：20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動，流速為2m/s，試分別用SI制和物理制計算Re數(shù)的數(shù)值。解：1）用SI制計算：從附錄五查得20oC時，

ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，2023/6/17第十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日管徑d=0.05m，流速u=2m/s，2）用物理單位制計算：2023/6/17第十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日三、滯流與湍流的比較

1、流體內(nèi)部質(zhì)點的運動方式層流流動時，流體質(zhì)點沿管軸做有規(guī)則的平行運動。湍流流動時，流體質(zhì)點在沿流動方向運動的同時，還做隨機的脈動。2023/6/17第十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日管道截面上任一點的時均速度為：湍流流動是一個時均流動上疊加了一個隨機的脈動量。例如，湍流流動中空間某一點的瞬時速度可表示為：湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動。

2023/6/17第十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2、流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在管內(nèi)流動時截面上各點速度隨該點與管中心的距離的變化關(guān)系。

1）圓管內(nèi)滯流流動的速度分布作用于流體單元左端的總壓力為：2023/6/17第十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日作用于流體單元右端的總壓力為：作用于流體單元四周的剪應(yīng)力為：2023/6/17第十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日代入上式得：——滯流流動時圓管內(nèi)速度分布式

2023/6/17第十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2）圓管內(nèi)湍流流動的速度分布

4×10-4<Re<1.0×105時，n=6；1×105<Re<3.2×106時，n=7；

Re>3.2×106時，n=10。——湍流流動時圓管內(nèi)速度分布式

2023/6/17第十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日3、滯流和湍流的平均速度通過管截面的平均速度就是體積流量與管截面積之比

1）層流時的平均速度

流體的體積流量為：滯流時，管截面上速度分布為：2023/6/17第二十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日積分此式可得層流時平均速度等于管中心處最大速度的一半。2023/6/17第二十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2）湍流時的平均速度積分上式得：2023/6/17第二十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日——1/7方律通常遇到的情況下，湍流時的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。2023/6/17第二十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日4、滯流和湍流中的剪應(yīng)力滯流流動的剪應(yīng)力：剪應(yīng)力：單位時間通過單位面積的動量，即動量通量。湍流流動的剪應(yīng)力：ε：稱為渦流粘度，反映湍流流動的脈動特征，隨流動狀況及離壁的距離而變化。2023/6/17第二十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日圓管內(nèi)滯流與湍流的比較滯流湍流本質(zhì)區(qū)別分層流動

質(zhì)點的脈動

速度分布平均速度剪應(yīng)力2023/6/17第二十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日四、邊界層的概念

流速降為未受影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域。

邊界層：1、邊界層的形成邊界層區(qū)主流區(qū)2023/6/17第二十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2、邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動2023/6/17第二十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2）流體在圓形直管進口段內(nèi)的流動

流體在圓管內(nèi)流動時，邊界層匯合處與管入口的距離稱作進口段長度，或穩(wěn)定段長度。一般滯流時通常取穩(wěn)定段長度x0=(50-100)d，湍流時穩(wěn)定段長度約于(40-50)d。2023/6/17第二十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日3、邊界層的分離A點流速為零壓強最大駐點加速減壓B點(u→max，p→min)減速加壓C點(u=0，p→max)邊界層分離2023/6/17第二十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日2023/6/17第三十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日由此可見：流道擴大時必造成逆壓強梯度逆壓強梯度