傳輸原理-動(dòng)量傳遞-Chap4-6

1、傳輸原理-動(dòng)量傳遞-Chap4-6第一頁(yè)，共92頁(yè)。一、 雷諾實(shí)驗(yàn)很慢層流較大過(guò)渡態(tài)大紊流（湍流）4.1 流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類1883年雷諾實(shí)驗(yàn)： 流速不同時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可能有兩種完全 不同的形式。第二頁(yè)，共92頁(yè)。流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上分層流動(dòng)，各層之間互不干擾和摻混，流線呈平衡狀態(tài)的流動(dòng)。流體速度很慢；流體的粘性力較大。產(chǎn)生條件：4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類二、層流動(dòng)狀態(tài)第三頁(yè)，共92頁(yè)。流體流動(dòng)時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)在不同方向上做復(fù)雜的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，互相干擾的向前運(yùn)動(dòng)。（微團(tuán)在其它方向存在脈動(dòng)，但大方向是一致的。） 在“宏觀”上，漩渦湍流； 在“微觀”上，分子運(yùn)動(dòng)湍流； 在湍流中“緊貼管壁”的流體為層

2、流態(tài)，稱為“層流底 層”，或“附面層”，“邊界層”。注意4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類三、湍流第四頁(yè)，共92頁(yè)。vxvy 湍流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑xy(a)湍流脈動(dòng)的特征:4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類三、湍流tvxvxvx(b)瞬時(shí)速度=平均速度+脈動(dòng)速度第五頁(yè)，共92頁(yè)。層流和湍流的視頻4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類三、湍流第六頁(yè)，共92頁(yè)。一、 雷諾實(shí)驗(yàn)很慢層流較大過(guò)渡態(tài)大紊流（湍流）4.1 流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類1883年雷諾實(shí)驗(yàn)： 流速不同時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可能有兩種完全 不同的形式。第七頁(yè)，共92頁(yè)。層流過(guò)渡態(tài)紊 流 從雷諾數(shù)的表達(dá)式可以看出，增加速度、提高流體密度、降低流體粘度、增大管子的直徑，

3、均可使層流向紊流轉(zhuǎn)變。4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類四、雷諾數(shù)第八頁(yè)，共92頁(yè)。非圓截面諾數(shù)的計(jì)算濕周L濕總流的有效截面積上，液體與固體相接觸的截面周長(zhǎng)。水力半徑Rh總流的有效截面積與濕周的比值。對(duì)非圓截面：圓管（r）液體呈充滿狀態(tài)4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類四、雷諾數(shù)第九頁(yè)，共92頁(yè)。非圓截面諾數(shù)的計(jì)算4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類四、雷諾數(shù)圓環(huán)充滿DoDi第十頁(yè)，共92頁(yè)。4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類五、阻力分類摩擦（沿程）阻力損失 通常指在等徑直管包括流體之間和流體與固體壁面之間因流動(dòng)摩擦而產(chǎn)生的損失。局部阻力損失 通常指在過(guò)流截面突變、急彎處、閥口或閥門(mén)處產(chǎn)生的損失。實(shí)際流體第十一頁(yè)，共9

4、2頁(yè)。4.1 層流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類五、阻力分類兩種損失的計(jì)算通式：；k阻力系數(shù)第十二頁(yè)，共92頁(yè)。第四章 層流流動(dòng)及湍流流動(dòng)4.1 流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)4.5 沿程阻力損失4.6 局部阻力損失第十三頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng) 求解實(shí)際流體的流動(dòng)問(wèn)題應(yīng)用連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)于不可壓縮及粘性為常量的情況下方程組封閉。否則，需補(bǔ)充狀態(tài)方程、溫度場(chǎng)方程等。我們首先分析定解條件。1 初值問(wèn)題：非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題需給出初始時(shí)刻值：層流流動(dòng)的求解第十四頁(yè)，共92頁(yè)。2 邊值問(wèn)題（邊界值）： 固體壁面無(wú)

5、滲透、無(wú)滑移邊界條件: 貼近固體壁面處一層流體的速度與固體壁面保持相對(duì)靜止：層流流動(dòng)的求解：固體壁面的切線速度。在與固體邊壁垂直方向上，流體不能穿透而進(jìn)入固體之內(nèi)，即：4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)第十五頁(yè)，共92頁(yè)。層流流動(dòng)的求解 對(duì)稱邊值條件。對(duì)稱面：物理量在對(duì)稱面上的變化率為零。如：管道流中坐標(biāo)選在管道中心線上時(shí)：2 邊值問(wèn)題（邊界值）：4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)第十六頁(yè)，共92頁(yè)。層流流動(dòng)的求解出入口邊值條件。入口： （給定）出口：已知或單方向無(wú)影響。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)第十七頁(yè)，共92頁(yè)。流動(dòng)問(wèn)題求解方法4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)數(shù)值法：近似數(shù)值逼近

6、解析法：積分變換求精確解初值條件邊值條件控制方程相似法：近似解析求解第十八頁(yè)，共92頁(yè)。 粘性不可壓縮流體流過(guò)間距為的兩靜止無(wú)限大平行平板。流動(dòng)狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)層流，無(wú)重力，有壓力差驅(qū)動(dòng)。 討論問(wèn)題：決定流體的速度分布和壓力分布本問(wèn)題是N-S方程的精確解的經(jīng)典問(wèn)題之一4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第十九頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)穩(wěn)態(tài)層流有壓力差驅(qū)動(dòng) 無(wú)重力。不可壓縮流體第二十頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng) 流速vx僅為的函數(shù)，與無(wú)關(guān)，即沿軸任何一橫截面上，速度分布都相

7、同。 完全發(fā)展的流動(dòng):第二十一頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第二十二頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)邊界條件 ：即： 第二十三頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第二十四頁(yè)，共92頁(yè)。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)由（b）得： 壓力僅為的函數(shù)，與無(wú)關(guān)，即沿軸的任何橫截面上的壓力分布是均勻的，但不同截面上具有不同的壓力。 第二十五頁(yè)，共92頁(yè)。將（）式經(jīng)移項(xiàng)后可得 4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)

8、or將偏微分改為常微分第二十六頁(yè)，共92頁(yè)。 上式左邊為的函數(shù)，右邊為的函數(shù)，因此兩邊相等的條件為兩邊均為常數(shù)。即 4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng) 第二十七頁(yè)，共92頁(yè)。應(yīng)用邊界條件：4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第二十八頁(yè)，共92頁(yè)。 速度分布為拋物線規(guī)律，這是層流的重要特性。所以 軸上速度為最大值，即= 0，vx = vx max4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第二十九頁(yè)，共92頁(yè)。討論：3.最大速度與平均速度的關(guān)系如何？2.平均速度如何求？1.已經(jīng)求得速度分布，如何求流量？4.由我們已經(jīng)學(xué)

9、到得流體力學(xué)知識(shí)，如何測(cè)量管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)橫界面上最大速度？5.實(shí)際問(wèn)題中測(cè)得管內(nèi)最大速度后有何實(shí)際意義？6. 由于流體有黏性，就有損失，管內(nèi)流動(dòng)損失表現(xiàn)為哪個(gè)流動(dòng)參量的下降？4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第三十頁(yè)，共92頁(yè)。結(jié)論1. 速度分布為拋物線2. 最大速度為平均速度的3/2倍 無(wú)限大兩平行平板間不可壓縮、無(wú)重力、有壓差驅(qū)動(dòng)的定常層流：4. 流動(dòng)損失為壓力差流量可由最大速度之2/3與過(guò)水?dāng)嗝婷娣e之積得出。4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板間的流體流動(dòng)第三十一頁(yè)，共92頁(yè)。應(yīng)用邊界條件：4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)一、兩固定平行平板

10、間的流體流動(dòng)第三十二頁(yè)，共92頁(yè)。 兩無(wú)限大平板，其一靜止，其二以 速度勻速運(yùn)動(dòng)，流體為不可壓層流流動(dòng)( =常數(shù))求穩(wěn)定后的速度場(chǎng)分布。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)p1 p2第三十三頁(yè)，共92頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)p1 p2第三十四頁(yè)，共92頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)p1 p2第三十五頁(yè)，共92頁(yè)。二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)0g（1）（2）（2）（1）（3）（4）000000000第三十六頁(yè)，共92頁(yè)。y

11、二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)（3）（4）Form (3) p1 p2第三十七頁(yè)，共92頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)討論：(1)p1 p2第三十八頁(yè)，共92頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)討論：(1)(1)(1)xyp1 p2壓力損失第三十九頁(yè)，共92頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)討論：(2)hxyp1 p2第四十頁(yè)，共92頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)舉例第四十一頁(yè)，共9

12、2頁(yè)。y二、有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板間的流體流動(dòng)4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)討論：第四十二頁(yè)，共92頁(yè)。第四章 層流流動(dòng)及湍流流動(dòng)4.1 流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)4.5 沿程阻力損失4.6 局部阻力損失第四十三頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)圓管中心對(duì)稱穩(wěn)態(tài)層流柱坐標(biāo) 二維問(wèn)題 穩(wěn)定態(tài)一種不可壓縮流體在圓管內(nèi)做充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，求解管道內(nèi)的流體速度分布及沿程阻力。第四十四頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)r向向z向連續(xù)性方程：穩(wěn)態(tài)：第四十五頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層

13、流流動(dòng)第四十六頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)r向向連續(xù)性方程：z向第四十七頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)圓管中心對(duì)稱穩(wěn)態(tài)層流柱坐標(biāo) 二維問(wèn)題 穩(wěn)定態(tài)一種不可壓縮流體在圓管內(nèi)做充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，求解管道內(nèi)的流體速度分布及沿程阻力。圓管中心對(duì)稱 二維問(wèn)題：p1 p2第四十八頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)連續(xù)方程：動(dòng)量方程：r方向：z方向：邊值條件：第四十九頁(yè)，共92頁(yè)。無(wú)限長(zhǎng)管道完全發(fā)展4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)第五十頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)第五十一頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)由（1） 壓力僅為z的函數(shù)，與 r

14、 無(wú)關(guān)，即沿z軸的任何橫截面上的壓力分布是均勻的，但不同截面上具有不同的壓力。 （1）（2）第五十二頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)由（2）由上式 積分一次得：即： （1）（2） （1）（2）第五十三頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)再積分而at r=0第五十四頁(yè)，共92頁(yè)。4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)最大流速不考慮重力作用平均流速p1 p2第五十五頁(yè)，共92頁(yè)。討論4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)理想流體實(shí)際流體第五十六頁(yè)，共92頁(yè)。沿程阻力摩擦阻力損失應(yīng)由壓降來(lái)補(bǔ)償摩擦阻力系數(shù)討論4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)第五十七頁(yè)，共92頁(yè)。第四章 層流流動(dòng)及湍流流動(dòng)4.1 流

15、動(dòng)狀態(tài)及阻力分類4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)4.5 沿程阻力損失4.6 局部阻力損失第五十八頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)流體在做湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中不斷混摻，因此，諸如：速度、壓力等物理量都不斷隨時(shí)間而變化，發(fā)生不規(guī)則的脈動(dòng)現(xiàn)象。A紊流tuxOtuxO（時(shí)均）恒定流（時(shí)均）非恒定流一、湍流脈動(dòng)的特征第五十九頁(yè)，共92頁(yè)。以速度為例，我們按圖所示，可做如下處理：式中： 為某時(shí)刻實(shí)際速度 為時(shí)均速度 為瞬態(tài)脈動(dòng)速度4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)一、平均速度tuxO第六十頁(yè)，共92頁(yè)。紊流的粘性底層粘性底層紊流

16、4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)二、水力光滑管和水力粗糙管第六十一頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng): 表面凸起高度(絕對(duì)粗糙度)d管壁三、水力光滑管和水力粗糙管第六十二頁(yè)，共92頁(yè)。粘性底層厚度(層流底層）：過(guò)渡粗糙壁面4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)三、水力光滑管和水力粗糙管當(dāng)Re較小時(shí)，水力光滑壁面當(dāng)Re較大時(shí)，水力粗糙壁面注意：同一根管子（d,不變）有時(shí)可能是水力光滑管，有時(shí)可能是水力粗糙管。因此，水力光滑管和水力粗糙管僅是相對(duì)概念。第六十三頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng): 表面凸起高度(絕對(duì)粗糙度)d管壁三、水力光滑管和水力粗糙管第六十四頁(yè)，共92頁(yè)。拋物線型盾頭

17、拋物線型4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)四、管內(nèi)湍流的速度分布r0rrr0普朗特方程：（對(duì)數(shù)規(guī)律）指數(shù)規(guī)律：層流湍流第六十五頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)1. 管內(nèi)層流摩阻第六十六頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)2. 管內(nèi)湍流摩阻 : 表面凸起高度(絕對(duì)粗糙度)d管壁第六十七頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)公式：適用于層流，也可拓廣到紊流紊流時(shí)取如何確定？管內(nèi)湍流摩阻第六十八頁(yè)，共92頁(yè)。第四章 層流流動(dòng)及湍流流動(dòng)4.1 流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)4.5 沿程阻力損失4.6

18、 局部阻力損失第六十九頁(yè)，共92頁(yè)。 由于流體的粘性，流體之間以及流體與固體壁面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)必然產(chǎn)生摩擦阻力，從而消耗流體的機(jī)械能，造成流動(dòng)中的能量損失。 它是沿流動(dòng)路程上由于各流體層之間的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力，因此也叫做摩擦阻力。 沿程阻力損失計(jì)算公式為： 4.5 沿程阻力損失適用于層流和紊流紊流時(shí)取第七十頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)hf尼古拉茲實(shí)驗(yàn)相對(duì)粗糙度 或相對(duì)光滑度第七十一頁(yè)，共92頁(yè)。4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)尼古拉茲用六根人工粗糙管做了摩擦阻力損失實(shí)驗(yàn)Lg（100）lgRe層流區(qū),水力光滑壁面, 稱為紊流光滑區(qū)水力粗糙壁面,稱為紊流粗糙區(qū)過(guò)渡粗糙壁面,

19、稱為紊流過(guò)渡粗糙區(qū)層流紊流過(guò)渡區(qū)第七十二頁(yè)，共92頁(yè)。區(qū)層流紊流過(guò)渡區(qū)：會(huì)隨Re的變化而急劇的變化。 研究的很少， 按工程通式計(jì)算。區(qū)層流區(qū)：對(duì)無(wú)影響。4.5 沿程阻力損失研究在多種條件下，值的大小。IIIIIIVIV第七十三頁(yè)，共92頁(yè)。區(qū)水力光滑管區(qū)：4.5 沿程阻力損失IIIIIIVIV第七十四頁(yè)，共92頁(yè)。4.5 沿程阻力損失區(qū)水力光滑管水力粗糙管 過(guò)渡區(qū)：區(qū)水力粗糙管區(qū)：IIIIIIVIV第七十五頁(yè)，共92頁(yè)。4.5 沿程阻力損失適合于整個(gè)紊流的粗略計(jì)算公式：IIIIIIVIV第七十六頁(yè)，共92頁(yè)。注意:對(duì)非圓管, D為當(dāng)量直徑 具體計(jì)算時(shí), 先 判定屬于哪個(gè)區(qū)(結(jié)合Re, 來(lái)判斷)

20、在工程計(jì)算上,往往依經(jīng)驗(yàn)選取 磚砌管道 =0.05 金屬光滑管道 = 0.025 金屬氧化管道 =0.0350.04 金屬生銹管道 =0.0454.5 沿程阻力損失第七十七頁(yè)，共92頁(yè)。例：一根鍍鋅鋼管，長(zhǎng) , 內(nèi)徑 ，用于運(yùn)輸重油（粘度 ），測(cè)得其流量 , 問(wèn)沿程損失？ 查手冊(cè)： ， 重油密度為 4.5 沿程阻力損失第七十八頁(yè)，共92頁(yè)。區(qū)水力光滑管區(qū)：4.5 沿程阻力損失IIIIIIVIV第七十九頁(yè)，共92頁(yè)。例：一根鍍鋅鋼管，長(zhǎng) , 內(nèi)徑 ，用于運(yùn)輸中油（粘度 ），測(cè)得其流量 , 問(wèn)沿程損失？ 查手冊(cè)： ， 重油密度為 4.5 沿程阻力損失III區(qū)-水力光滑區(qū)應(yīng)采用Blasius 公式第八十頁(yè)，共92頁(yè)。第四章 層流流動(dòng)及湍流流動(dòng)4.1 流動(dòng)狀態(tài)及阻力分類4.3 流體在平行平板間的層流流動(dòng)4.2 流體在圓管中的層流流動(dòng)4.4 流體在圓管中的湍流流動(dòng)4.5 沿程阻力損失4.6 局部阻力損失第八十一頁(yè)，共92頁(yè)。4.6 局部阻力損失 在邊壁尺寸急劇變化的流動(dòng)區(qū)域，由于