第4节流体流动现象2012.ppt

①流体自A点 B点(流经圆柱前半部分）： 流道逐渐缩小，u增大，动能增大，压强减小，压强梯度为负（或称顺压强梯度），边界层中流体处于加速减压状态，边界层的发展与平板无异； ②流过B点以后： 流道逐渐扩大，边界层内流体处在减速加压状态，此时剪应力消耗动力，且在逆压强梯度（压强增大）的阻碍双重作用下，壁面附近流体流速迅速下降，最终在C点降为0.离壁面稍远的流体质点依次经较长的途径至C’点速度降为0.把流体中速度为0的各点连成一线，如图中c-c’所示，该线与边界层上沿之间的区域即为脱离了物体的边界层。这一现象称为边界层的分离或脱体。 结 论 ① 流道扩大时必然造成逆压强梯度（压强增大） ； ② 逆压强梯度易造成边界层的分离； ③ 边界层分离造成大量漩涡，大大增加了机械能消耗。 * 本节内容提要 第四节 流体流动现象 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。以层流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论: （1）牛顿黏性定律的表达式、适用条件；黏度的物理意义及不同单位之间的换算。 （2） 两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特点。 本节的目的是了解流体流动的内部结构，以便为阻力损失计算打下基础。 1、流体黏性和内摩擦力 一、 黏度 各层速度不同,速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等、方向相反的力，即流体的内摩擦力。 流体在流动时的内摩擦,是流动阻力产生的依据,流体流动时必须克服内摩擦力而作功,从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。 图1-3 流体在圆管内分层流动示意图 2、 牛顿粘性定律 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 （1）表达式 图１－4平板间液体速度分布图 实验证明,对于一定的液体,内摩擦力F与两流体层的速度差Δu成正比；与两层之间的垂直距离Δy成反比,与两层间的接触面积S（F与S平行）成正比，即: （1-20） 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示，于是上式可写成:　 当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系。则式(1-21)应改写成：　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　 牛顿黏性定律 （1-21） （1-22） （2）黏度的物理意义： 物理意义： 黏度也是流体的物性之一，其值由实验测定。 由牛顿黏性定律得： 剪应力 速度梯度 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。 物理本质： 液体 : T ↑ → ? ↓ 气体 : 一般 T ↑ → ? ↑ 超高压 p ↑ → ? ↑ 分子间的引力和分子的运动与碰撞。 （3）黏度的单位： SI制：Pa·s 或 kg/(m·s) 物理制：cP(厘泊） 换算关系 1cP＝10-3 Pa·s 1St=100 cSt(厘沲) =10 m2/s （4）运动粘度γ　 ② 单位 SI中的运动黏度单位为m２/s；在物理制中的单位为cm2/s,称为斯托克斯,简称为沲,以St表示。 课本附录三和四中列出了部分流体的黏度，可供计算查阅（P359-360） ① 定义 运动粘度γ为黏度μ与密度ρ的比值　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　 牛顿型流体：剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 粘性定律的流体； 非牛顿型流体：不符合牛顿粘性定律的流体。 3、牛顿型流体与非牛顿型流体 （1）雷诺实验 1、雷诺实验和雷诺准数 (Reynolds number) 为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,1883年著名的雷诺实验揭示了流动的两种截然不同的型态（如图1-17）所示： 二、 流动类型与雷诺准数 （2）结论： 这个简单实验揭示了一个极为重要的事实——流体流动存在着两种截然不同的流型。 ①前一种流型中：流体质点做直线运动，即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂（此指宏观运动，不是指分子扩散）。着色线流保持线形。这种流型称为层流或滞留。 ②后一种流型中，流体总体上沿管道向前运动，同时还在各个方向做随机的脉动，这种混乱运动使着色线抖动、弯曲，以致断裂冲散。这种流型称为湍流或紊流。 2、流型判别的依据——雷诺准数 (Reynolds number) （1）影响流体流动类型的因素： ①流体的流速u ； ②管径d； ③流体密度ρ； ④流体的粘度μ。 上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型 的准则。 （1-23） 这个数群称为雷诺准数或雷诺数(R