流體流動現(xiàn)象

1、1.3 流體流動現(xiàn)象流體流動現(xiàn)象1.3.1 粘度粘度一、牛頓粘性定律一、牛頓粘性定律dyduAFdyduAF粘性粘性流體流動時流體層產(chǎn)生的相互作用的剪切力（粘性力）。流體流動時流體層產(chǎn)生的相互作用的剪切力（粘性力）。實驗研究發(fā)現(xiàn)，流體層間的剪切力與接觸面積、速度梯度成正比關(guān)系實驗研究發(fā)現(xiàn)，流體層間的剪切力與接觸面積、速度梯度成正比關(guān)系稱為牛頓粘性定律稱為牛頓粘性定律其中其中 稱為粘度，是用來表示流體粘性大小的物理量。稱為粘度，是用來表示流體粘性大小的物理量。 smkgSPyuSIa.制單位：（泊）物理制單位：Pscmgscmdyn1.112cPPsPa1000101cPP1001粘度粘度的物理

2、意義：的物理意義：單位速度梯度的剪切力。單位速度梯度的剪切力。討論：討論：（1）流體由于粘性產(chǎn)生的剪應(yīng)力與速度梯度成正比。）流體由于粘性產(chǎn)生的剪應(yīng)力與速度梯度成正比。（2）粘度是流體的物性常數(shù)。其數(shù)值因流體的不同而不同。）粘度是流體的物性常數(shù)。其數(shù)值因流體的不同而不同。（3）粘度）粘度 = f（物性，溫度）（物性，溫度）： 流體流體 t , 氣氣 , 液液。 壓力對流體粘度的影響小。壓力對流體粘度的影響小。 理想流體一般假定理想流體一般假定 =0。（4）牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別。）牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別。:運動粘度SI單位：單位：m2/s 物理單位：物理單位：cm2/s ，稱為斯

3、沲克，簡稱沲，稱為斯沲克，簡稱沲mu流體的動量流體的動量剪應(yīng)力可以表示為單位時間通過單位面積動量通量。剪應(yīng)力可以表示為單位時間通過單位面積動量通量。dyuddydu)(流體流動時內(nèi)部剪應(yīng)力是速度不等的兩相鄰流體層間的作用流體流動時內(nèi)部剪應(yīng)力是速度不等的兩相鄰流體層間的作用的力，其產(chǎn)生的原因是流體層之間的動量傳遞。的力，其產(chǎn)生的原因是流體層之間的動量傳遞。為單位體積的動量,Vmuu為動量梯度,)(dyudAdmudAdmduAmaAF)(因此，動量通量因此，動量通量=系數(shù)系數(shù)動量梯度動量梯度一、雷諾實驗一、雷諾實驗0003)/()/)(/)(skgmsmkgmkgsmmduReduReRe為無因

4、次準數(shù)，稱為為無因次準數(shù)，稱為雷諾準數(shù)（雷諾準數(shù)（Reynolds Number）影響流體流動型態(tài)的因素包括影響流體流動型態(tài)的因素包括： 流體自身物性流體自身物性和和，流體流速，流體流速u和管徑和管徑d。粘性力慣性力duuduRe2Re越大，表示慣性越大，湍動程度越劇烈；越大，表示慣性越大，湍動程度越劇烈；Re越小，表示粘性力占主導地位，湍動程度小。越小，表示粘性力占主導地位，湍動程度小。過渡流動不是一種流型，而是一種不穩(wěn)定的流動狀態(tài)，此區(qū)域過渡流動不是一種流型，而是一種不穩(wěn)定的流動狀態(tài)，此區(qū)域內(nèi)流體可能是層流也可能是湍流，與外界條件有關(guān)。內(nèi)流體可能是層流也可能是湍流，與外界條件有關(guān)。雷諾準數(shù)

5、的物理意義：雷諾準數(shù)的物理意義：流型判據(jù)：流型判據(jù)：Re2000 層流型態(tài)：層流型態(tài)：流體質(zhì)點做直線運動流體質(zhì)點做直線運動 2000 Re4000 過渡狀態(tài)過渡狀態(tài)（或為層流或為湍流）（或為層流或為湍流） Re 4000 湍流型態(tài)：湍流型態(tài)：流體質(zhì)點雜亂無章無規(guī)則運動流體質(zhì)點雜亂無章無規(guī)則運動流體在管內(nèi)流動的受力分析：流體在管內(nèi)流動的受力分析：222,121prPprPrl23阻力，作用于側(cè)表面阻力，作用于側(cè)表面2rL 上的剪切力為上的剪切力為2重力，垂直于管軸，故在管軸上投影為重力，垂直于管軸，故在管軸上投影為01壓力（取流速方向為正）壓力（取流速方向為正）長度長度L、半徑、半徑r水平直管流

6、體段：水平直管流體段：212pplr故有圓管內(nèi)流體剪切力分布與管半徑成正比關(guān)系，對層流和湍流都適用。圓管內(nèi)流體剪切力分布與管半徑成正比關(guān)系，對層流和湍流都適用。在圓心處由于半徑為在圓心處由于半徑為0，剪切力為，剪切力為0，靠近管壁處的剪應(yīng)力最大。，靠近管壁處的剪應(yīng)力最大。一、一、層流速度分布層流速度分布212:pplr有上式表示管內(nèi)層流流動時速度分布上式表示管內(nèi)層流流動時速度分布u 隨隨r 呈呈拋物線分布拋物線分布，空間，空間速度分布為一旋轉(zhuǎn)拋物面。速度分布為一旋轉(zhuǎn)拋物面。管壁處：管壁處： r = R, u= 0，管中心處：管中心處：r = 0, u 達到最大值達到最大值umax，可得可得)(

7、422rRlpur2max1RruurdrduAF由牛頓粘性定律由牛頓粘性定律 n為指數(shù)，一般為為指數(shù)，一般為610。數(shù)值與雷諾數(shù)有關(guān)，。數(shù)值與雷諾數(shù)有關(guān)，Re越大越大n值也越大。值也越大。當當Re=105左右時，左右時，n=7. 此時稱為此時稱為1/7方率。（尼古拉則公式）方率。（尼古拉則公式）層流與湍流速度分布層流與湍流速度分布212pplr有：nRruu1maxuuuuudtTT即脈動速度時均速度瞬時速度和脈動速度時均速度,/01湍流的剪應(yīng)力湍流的剪應(yīng)力: 由分子運動和質(zhì)點脈動所引起。由分子運動和質(zhì)點脈動所引起。dydue.,Re,難于測定的位置而變不同于粘度及所處隨它表征脈動的強弱渦流

8、粘度e選取半徑選取半徑r，厚度，厚度dr 環(huán)形流體速度環(huán)形流體速度u，體積流量，體積流量dqv 為為)1 (122maxRruu、層流時：udrRrdrrudqv22max4Rlpu22328dlpRlpu此式稱為哈根泊謖葉（此式稱為哈根泊謖葉（Hagen-Poiseyulle)公式。公式。26422)(32udldudlupmax21uAquv層流時平均速度為最大速度的層流時平均速度為最大速度的1/2同時，由前式可得同時，由前式可得即湍流時平均速度大約等于管中心處最大速度的即湍流時平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。倍。Re 越大，則越大，則n值越大，求出之值越大，求出之u/ u便

9、越大。便越大。nu/6789100.7910.8170.8370.8520.865max_817. 0uu 四、層流與湍流的區(qū)別四、層流與湍流的區(qū)別（1）流體在管內(nèi)流速分布的不同）流體在管內(nèi)流速分布的不同（2）管中心最大流速與平均流速的不同）管中心最大流速與平均流速的不同（3）流體質(zhì)點的運動方向：徑向，軸向；微團運動）流體質(zhì)點的運動方向：徑向，軸向；微團運動（4）層流底層的厚度）層流底層的厚度（5）流體粘度表示式：）流體粘度表示式： （6）是否存在流速、壓力的脈動）是否存在流速、壓力的脈動-本質(zhì)區(qū)別本質(zhì)區(qū)別dydudydue 實際流體與固體壁面相對運動時，流體內(nèi)部存在剪應(yīng)力作用，實際流體與固體

10、壁面相對運動時，流體內(nèi)部存在剪應(yīng)力作用，由于速度梯度集中在壁面附近，剪應(yīng)力也集中在壁面附近。而遠離由于速度梯度集中在壁面附近，剪應(yīng)力也集中在壁面附近。而遠離壁面處的速度變化很小，作用于流體層間的剪應(yīng)力也小到可以忽略，壁面處的速度變化很小，作用于流體層間的剪應(yīng)力也小到可以忽略，這部分流體便可以當作理想流體。這部分流體便可以當作理想流體。 也就是說，也就是說，分析實際流體與固體壁面的相對運動時，應(yīng)以壁面分析實際流體與固體壁面的相對運動時，應(yīng)以壁面附近的流體為主要對象附近的流體為主要對象。故普蘭德提出了邊界層的概念。故普蘭德提出了邊界層的概念。壁面附近速度變化較大、流動阻力集中在此區(qū)域壁面附近速度變

11、化較大、流動阻力集中在此區(qū)域邊界層。邊界層。離壁面較遠、速度基本不變的區(qū)域，流動阻力可忽略離壁面較遠、速度基本不變的區(qū)域，流動阻力可忽略主流區(qū)。主流區(qū)。5 . 0Re64. 4xx邊界層的形成有個過程，邊界層在離開平板前緣的一段距離內(nèi)仍邊界層的形成有個過程，邊界層在離開平板前緣的一段距離內(nèi)仍處于不斷發(fā)展中。處于不斷發(fā)展中。（1）層流邊界層）層流邊界層湍流邊界層湍流邊界層完全發(fā)展的湍流邊界層。完全發(fā)展的湍流邊界層。（2）湍流邊界層的組成：）湍流邊界層的組成：層流底層、過渡層或緩沖層層流底層、過渡層或緩沖層（3）邊界層的范圍：速度從邊界層的范圍：速度從 0 99u 主體主體。（4）平板邊界層形成的

12、穩(wěn)定段距離）平板邊界層形成的穩(wěn)定段距離x、層流邊界層厚度、層流邊界層厚度表示為：表示為：510)205(Rexux對管內(nèi)流動而言，完全發(fā)展了的湍流，管內(nèi)流速形狀穩(wěn)定。對管內(nèi)流動而言，完全發(fā)展了的湍流，管內(nèi)流速形狀穩(wěn)定。邊界層一個重要特點是在某些情況下會脫離壁面，稱為邊界層分離。邊界層一個重要特點是在某些情況下會脫離壁面，稱為邊界層分離。AB：流通截面變小，流速：流通截面變小，流速，pBD：流通截面擴大，流速：流通截面擴大，流速 ，p C點：由于阻力損失，流速降為點：由于阻力損失，流速降為0（若為理想流體，（若為理想流體，D點流速降為點流速降為0）；）；CD：截面繼續(xù)擴大，：截面繼續(xù)擴大，p ，近壁面處流體在反向壓力（逆壓強梯度），近壁面處流體在反向壓力（逆壓強梯度）作用下被迫倒流，產(chǎn)生大量旋渦，此即邊界層分離。作用下