化學(xué)工程基礎(chǔ)

1、2022-6-2811.3 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象1.3.1 流體的粘度流體的粘度 1.3.2 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 1.3.3 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布1.3.4 流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層2022-6-2821.3 管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象一、一、 牛頓粘性定律牛頓粘性定律 1.3.1 流體的粘度流體的粘度 dyudAF.或dyud.Fuududy式中：F內(nèi)摩擦力，N； 剪應(yīng)力，Pa； 法向速度梯度，1/s； 比例系數(shù)，稱為流體的粘度(動(dòng)力粘度)，Pas 。 dyud.2022-6-283牛頓型流體：牛頓型流體：剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓

2、 粘性定律的流體；非牛頓型流體：非牛頓型流體：不符合牛頓粘性定律的流體。 二、二、流體的粘度流體的粘度 （動(dòng)力粘度（動(dòng)力粘度） 1. 1.粘度的物理意義粘度的物理意義 流體流動(dòng)時(shí)在與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生單位速度梯度所需的剪應(yīng)力。2022-6-284),(Tpf液體 :)(TfT 氣體 : 一般)(TfT 超高壓),(Tpfp 粘度的物理本質(zhì)粘度的物理本質(zhì)：分子間的引力和分子的運(yùn)動(dòng)與碰撞。2. 粘度的單位粘度的單位SI制：Pas 或 kg/(ms)物理制：cP(厘泊）換算關(guān)系1cP10-3 Pas2022-6-2853.3.運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 粘度與密度的之比。m2/s例題：汽缸內(nèi)壁的直徑D=

3、12cm, 活塞直徑d=11.96cm, 活塞的厚度了l=14cm, 潤(rùn)滑油的粘度1P，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速率1m/s, 試求作用在活塞上的粘滯力是多少？2022-6-2861.3.2 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 一、雷諾實(shí)驗(yàn)一、雷諾實(shí)驗(yàn)2022-6-287 層流層流（或滯流滯流）：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(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合； 湍流湍流（或紊流紊流） ：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、二、流型判據(jù)流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù) udRe無(wú)因次數(shù)群2022-6-2881. 判斷流型判斷流型Re2

4、000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000 Re 4000 時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)。2.物理意義物理意義 Re反映了流體流動(dòng)中慣性力與粘性力的對(duì)比關(guān)系，標(biāo)志著流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度。 2022-6-2891.3.3 流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布 速度分布：流體在圓管內(nèi)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。 一、層流時(shí)的速度分布一、層流時(shí)的速度分布 2022-6-2810由壓力差產(chǎn)生的推力 221)(rpp流體層間內(nèi)摩擦力 drudrldrudAF.)2(drudrlrpp.221)2()(r

5、lppdrud2)(21.)(4)(2221.rRlppu管壁處rR時(shí)，0，可得速度分布方程 .u2022-6-2811管中心流速為最大，即r0時(shí)， umax .u221max4)(Rlppu2max.1Rruu管截面上的平均速度 :max.uRrdruAVuRS21220即層流流動(dòng)時(shí)的平均速度為管中心最大速度的1/2。 即流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)，其速度呈拋物線分布。2022-6-2812二、湍流時(shí)的速度分布二、湍流時(shí)的速度分布 剪應(yīng)力 ：dyude.)(e為湍流粘度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。 nRruu1max.湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：2022-6-2813101102 . 3Re71,10

6、2 . 3Re101 . 161,101 . 1Re10466554nnnn與Re有關(guān)，取值如下： 1/7次方定律71n當(dāng) 時(shí)，流體的平均速度 :max.uAVuS8202022-6-28141.3.4 流體流動(dòng)邊界層流體流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展一、邊界層的形成與發(fā)展 流動(dòng)邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域， 即流速降為主體流速的99以內(nèi)的區(qū)域。 邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。2022-6-2815流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層： 2022-6-2816 邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應(yīng)力

7、不可忽略。 主流區(qū)（邊界層外）主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體 。2022-6-2817邊界層流型：層流邊界層和湍流邊界層。層流邊界層：在平板的前段，邊界層內(nèi)的流型為層流。湍流邊界層：離平板前沿一段距離后，邊界層內(nèi)的流型轉(zhuǎn)為湍流。 2022-6-2818流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層 2022-6-2819 充分發(fā)展的邊界層厚度為圓管的半徑； 進(jìn)口段內(nèi)有邊界層內(nèi)外之分 。 也分為層流邊界層與湍流邊界層。進(jìn)口段長(zhǎng)度：層流：湍流：Re05. 00dx50400dx2022-6-2820湍流流動(dòng)時(shí)：2022-6-2821 湍流主體湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化； 過(guò)渡層過(guò)渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)； 層流內(nèi)層層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)。層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力層流內(nèi)層為傳遞過(guò)程的主要阻力Re越大，湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層厚度越薄。2022-6-28222. 邊界層的分離ABS 2022-6-2823A C：流道截面積逐漸減小，流速逐漸增加，壓力逐漸減小（順壓梯度）；C S：流道截面積逐漸增加，流速逐漸減小，壓力逐漸增加（逆壓梯度）；S點(diǎn)：物體表面的流體質(zhì)點(diǎn)在逆壓梯度和粘性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS