第一章流體流動(dòng)§3管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象.doc

第一章流體流動(dòng)3 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象本節(jié)重點(diǎn)：牛頓粘性定律、層流與湍流的比較。 一、流體的粘度（一）、牛頓粘性定律流體的典型特征是具有流動(dòng)性，但不同流體的流動(dòng)性能不同，這主要是因?yàn)榱黧w內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)存在不同的內(nèi)摩擦力。這種表明流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性稱為粘性。流體的粘性越大，其流動(dòng)性越小。流體的粘性是流體產(chǎn)生流動(dòng)阻力的根源。如圖1-23 所示，設(shè)有上、下兩塊面積很大且相距很近的平行平板，板間充滿某種靜止液體。若將下板固定，而對上板施加一個(gè)恒定的外力，上板就以恒定速度u沿x方向運(yùn)動(dòng)。若u較小，則兩板間的液體就會(huì)分成無數(shù)平行的薄層而向右運(yùn)動(dòng)，粘附在上板底面下的一薄層流體以速度u隨上板運(yùn)動(dòng)，其以下各層液體的速度依次降低，緊貼在下板表面的一層液體，因粘附在靜止的下板上, 其速度為零，兩平板間流速呈線性變化。對任意相鄰兩層流體來說，上層速度較大，下層速度較小，前者對后者起帶動(dòng)作用，而后者對前者起拖曳作用，流體層之間的這種相互作用，是由內(nèi)摩擦力引起的，而流體的粘性正是這種內(nèi)摩擦的表現(xiàn)。平行平板間的流體，流速分布為直線，而流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，速度分布呈拋物線形，如右圖所示。實(shí)驗(yàn)證明，對于一定的流體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差和兩層間的接觸面積S成正比，與兩層之間的垂直距離dy成反比，即 式中：F內(nèi)摩擦力，N；法向速度梯度，即在與流體流動(dòng)方向相垂直的y方向上流體速度的變化率，1/s；(英文讀音：mju:)比例系數(shù)，稱為流體的粘度或動(dòng)力粘度，Pas。一般，單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為剪應(yīng)力，以表示，單位為Pa，則式（1-26）變?yōu)?（1-49）式（1-49）稱為牛頓粘性定律，表明流體層間的內(nèi)摩擦力或剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比。剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓粘性定律的流體，稱為牛頓型流體，包括所有氣體和大多數(shù)液體；不符合牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體，如高分子溶液、膠體溶液及懸浮液等。本章討論的均為牛頓型流體。(二)粘度的物理意義和單位1、粘度的物理意義 流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。粘度是反映流體粘性大小的物理量。粘度也是流體的物性之一，其值由實(shí)驗(yàn)測定。液體的粘度，隨溫度的升高而降低，壓力對其影響可忽略不計(jì)。氣體的粘度，隨溫度的升高而增大，一般情況下也可忽略壓力的影響，但在極高或極低的壓力條件下需考慮其影響。2、粘度的單位 1）SI單位： 2）物理單位制在一些工程手冊中，粘度的單位常常用物理單位制下的cP（厘泊）表示，它們的換算關(guān)系為泊泊的單位太大，常用厘泊表示，1泊100厘泊，水在室溫下的粘度為1厘泊。1cP10-3 Pas 3、運(yùn)動(dòng)粘度 流體的粘性還可用粘度與密度的比值表示，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以符號（英文讀音：nju:）表示，即 （1-27）其單位為m2/s。顯然運(yùn)動(dòng)粘度也是流體的物理性質(zhì)。 二、流動(dòng)型態(tài)與雷諾數(shù)圖1-25 流體流動(dòng)型態(tài)示意圖（一）層流和湍流圖124雷諾實(shí)驗(yàn)裝置圖1-24為雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。水箱裝有溢流裝置，以維持水位恒定，箱中有一水平玻璃直管，其出口處有一閥門用以調(diào)節(jié)流量。水箱上方裝有帶顏色的小瓶，有色液體經(jīng)細(xì)管注入玻璃管內(nèi)。從實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)水的流速從小到大時(shí)，有色液體變化如圖1-25所示。實(shí)驗(yàn)表明，流體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種截然不同的流型。層流（或滯流） 如圖1-25（a）所示，流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；湍流（或紊流） 如圖1-25（c）所示，流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。（二）、流型判據(jù)雷諾數(shù)流體的流動(dòng)類型可以用雷諾數(shù)Re判斷。 （1-51） Re準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無量綱的數(shù)群。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流體在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，當(dāng)Re2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；（2）當(dāng)Re4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；其值愈大，流體的湍動(dòng)愈劇烈，內(nèi)摩擦力也愈大。（3） 當(dāng)2000 Re 4000 時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流，與外界干擾有關(guān)，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。不是一種流型。 三、流體在圓管內(nèi)的速度分布圖1-22 湍流時(shí)的速度分布圖1-26 層流時(shí)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布是指流體流動(dòng)時(shí)管截面上質(zhì)點(diǎn)的速度隨半徑的變化關(guān)系。無論是層流或是湍流，管壁處質(zhì)點(diǎn)速度均為零，越靠近管中心流速越大，到管中心處速度為最大。但兩種流型的速度分布卻不相同。實(shí)驗(yàn)和理論分析都已證明，層流時(shí)的速度分布為拋物線形狀，如圖1- 26所示。湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況較層流要復(fù)雜得多，截面上某一固定點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)在沿管軸向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還有徑向上的