第1章 流体流动
流体流动的内部规律
【本节重点】
&&&&流体流动形态的判定；层流与湍流的比较
【本节难点】
&&&&边界层与层流内层对流动的影响
１流体的流动型态
（１）雷诺实验
&&&&左下图为雷诺实验装置示意图。水箱装有溢流装置，以维持水位恒定，箱中有一水平玻璃直管，其出口处有一阀门用以调节流量。水箱上方装有带颜色的小瓶，有色液体经细管注入玻璃管内。
&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&从实验中观察到，当水的流速从小到大时，有色液体变化右上图所示。实验表明，流体在管道中流动存在两种截然不同的流型。
（2）两种流型――层流和湍流
&&&&层流(或滞流)：如右上图（a）所示，流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质
&&&&&&&&&&&&&&&&点无径向脉动，质点之间互不混合；
&&&&湍流(或紊流)：如右上图（c）所示，流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉
&&&&&&&&&&&&&&&&动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
（3）流型判据――雷诺准数
&&&&流体的流动类型可用雷诺数Re判断。
&&&&&&&&&&&&&&& &&&&或&&&&&
&&&&式中：d――管内径，m；
&&&&&&&&&u――管内流体平均流速，m/s；
&&&&&&&&&ρ――管内流体密度，kg/m3；
&&&&&&&&&μ――管内流体黏度，Pa.s；
&&&&&&&&&G――质量流速，kg/m2.s
&&雷诺准数Re是一个无因次的数群。大量的实验结果表明，流体在直管内流动时：
&&当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；
&&当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；
&&当2000& Re &4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流。
（4）雷诺准数的物理意义
&&准数通常反映两个相同物理量的比值。雷诺准数Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的比值关系，标志流体流动的湍动程度。由此可见，惯性力加剧流体的湍动，内摩擦力也愈大。
（1）边界层的形成
&&&&当一个流速均匀的流体与一个固体壁面相接触时，由于壁面对流体的阻碍，与壁面相接触的流体速度降为零。由于流体的粘性作用，紧连着这层流体的另一流体层速度也有所下降。随着流体的向前流动，流速受影响的区域逐渐扩大，在垂直于流体流动方向上产生了速度梯度。
流速降为主体流速的99％以内的区域称为边界层，边界层外缘于垂直壁面间的距离称为边界层厚度。
&&&&流体在平板上流动时的边界层如下图所示，由于边界层的形成，把沿壁面的流动分为两个区域：边界层区和主流区。
&&边界层内：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。
& 边界层外：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。
&&边界层流型也分为层流边界层与湍流边界层。在平板的前段，边界层内的流型为层流，称为层流边界层。离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流，称为湍流边界层。
&&&&流体在圆管内流动时的边界层如下图所示。流体进入圆管后在入口处形成边界层，随着流体向前流动，边界层厚度逐渐增加，直至一段距离（进口段）后，边界层在管中心汇合，占据整个管截面，其厚度不变，等于圆管的半径，管内各截面速度分布曲线形状也保持不变，此为完全发展了的流动。
&&&&当流体处于湍流流动时，由于流体具有粘性和壁面的约束作用，紧靠壁面处仍有一薄层流体作层流流动，称其为层流内层（或层流底层），如图1-25所示。层流内层的厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，即Re越大，层流内层越薄。在湍流主体中，径向的传递过程引速度的脉动而大大强化，而在层流内层中，径向的传递着能依靠分子运动，因此层流内层成为传递过程主要阻力。层流内层虽然很薄，但却对传热和传质过程都有较大的影响。
（2）边界层的分离
&&&&流体流过平板或在园管内流动时，流动边界层是紧贴在壁面上。如果流体流过曲面，如球体或圆柱体，则边界层的情况有显著不同，即存在流体边界层与固体表面的脱离，并在脱离处产生漩涡，流体质点碰撞加剧，造成大量的能量损失。如下图所示：
&&A→C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压
&&&&&&&&力逐渐减小（顺压梯度）；
&&C→S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压
&&&&&&&&力逐渐增加（逆压梯度）；
&&S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应
&&&&&&&力的作用下，速度降为0。
&&SS’以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，
&&&&&&&&&&&形成涡流，出现边界层分离。
&&由此可知，边界层分离的必要条件：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&①流体具有粘性；
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&②流动过程中存在逆压梯度。
&&&&&边界层分离对流体流动的影响：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&①产生大量旋涡；
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&②造成较大的能量损失。
３流体在圆管内的速度分布
&&&&流体在圆管内的速度分布是指流体流动时管截面上质点的速度随半径的变化关系。无论是层流或是湍流，管壁处质点速度均为零，越靠近管中心流速越大，到管中心处速度为最大。但两种流型的速度分布却不相同。
（1）层流时的速度分布
&&&&实验和理论分析都已证明，层流时的速度分布为抛物线形状，如下图所示。 流体在圆形
直管内作定态层流流动。在圆管内，以管轴为中心，取半径为r、长度为L的流体柱作为研究对象。利用管壁处的边界条件，积分可得速度分布方程：
&&&管中心处质点流速最大，即：
管中距轴线距离为r处质点流速为：
根据流量相等的原则，确定出管截面上的平均速度为：
即流体在圆管内作层流流动时的平均速度为管中心最大速度的一半。（2）湍流时的速度分布
&&&&湍流时流体质点的运动状况较层流要复杂得多，截面上某一固定点的流体质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向上的运动，使速度的大小与方向都随时变化。湍流的基本特征是出现了径向脉动速度，使得动量传递较之层流大得多。
&&&&湍流时的速度分布目前尚不能利用理论推导获得，而是通过实验测定，结果如右图所示，其分布方程通常表示成以下形式：
&&式中指数n与Re有关，取值如下：&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&当n=1/7时，推导可得流体的平均速度约为管中心最大速度的0.82倍，即：
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大连工业大学 化工与材料学院 化工原理教研室1.4 流动流体现象分析_图文_百度文库
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1.4 流动流体现象分析
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