第03章 流體流動(dòng)

第三章流體流動(dòng)

第三章流體流動(dòng)本章主要內(nèi)容第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力第三節(jié)邊界層理論第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失（圓管）

第五節(jié)管路計(jì)算（不講）第六節(jié)

流體測(cè)量一、管道系統(tǒng)的質(zhì)量衡算方程二、管道系統(tǒng)的能量衡算方程本節(jié)的主要內(nèi)容第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程若截面A1、A2上流體的密度分布均勻，且流速取各截面的平均流速，則一維流動(dòng)

對(duì)于穩(wěn)態(tài)過程對(duì)于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)，不可壓縮流體管內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)性方程第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.1)(3.1.2)(3.1.3)一、管道系統(tǒng)的質(zhì)量衡算方程對(duì)于圓形管道流體在均勻直管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，平均速度恒定不變第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.4)【例題3.1.1】直徑為800mm的流化床反應(yīng)器，底部裝有布水板，板上開有直徑為10mm的小孔640個(gè)。反應(yīng)器內(nèi)水的流速為0.5m/s，求水通過分布板小孔的流速。解：設(shè)反應(yīng)器和小孔中的流速分別為u1、u2，截面積分別為A1、A2，根據(jù)不可壓縮流體的連續(xù)性方程，有

u1

A1＝u2

A2m/s第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程（輸出系統(tǒng)的物質(zhì)的總能量）－（輸入系統(tǒng)的物質(zhì)的總能量）＝（從外界吸收的熱量）－（對(duì)外界所作的功）穩(wěn)態(tài)流動(dòng)

系統(tǒng)與外界交換能量流體攜帶能量第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程二、管道系統(tǒng)的能量衡算方程1．流體攜帶的能量單位質(zhì)量流體SI單位為kJ/kg

（一）總能量衡算方程①內(nèi)能：e，物質(zhì)內(nèi)部所具有的能量，是溫度的函數(shù)③位能：流體質(zhì)點(diǎn)受重力場(chǎng)的作用具有的能量，取決于它相對(duì)基準(zhǔn)水平面的高度④靜壓能：流動(dòng)著的流體內(nèi)部任何位置上也具有一定的靜壓力。流體進(jìn)入系統(tǒng)需要對(duì)抗壓力做功，這部分功成為流體的靜壓能輸入系統(tǒng)。②動(dòng)能：流體流動(dòng)時(shí)具有的能量gz，kJ/kg

kJ/kg靜壓能位能動(dòng)能內(nèi)能＋EEEEE++=第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程若質(zhì)量為m、體積為V的流體進(jìn)入某靜壓強(qiáng)為p、面積為A的截面，則輸入系統(tǒng)的功為這種功是在流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，故稱為流動(dòng)功。第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程單位質(zhì)量流體的靜壓能——流體的比體積，或稱流體的質(zhì)量體積，單位為m3/kg單位質(zhì)量流體的總能量為(3.1.6)2．與外界交換的能量單位質(zhì)量流體對(duì)輸送機(jī)械的作功，We，為正值；若We為負(fù)值，則表示輸送機(jī)械對(duì)系統(tǒng)內(nèi)流體作功單位質(zhì)量流體在通過系統(tǒng)的過程中交換熱量為Qe，吸熱時(shí)為正值，放熱時(shí)為負(fù)值第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程單位質(zhì)量流體穩(wěn)定流動(dòng)過程的總能量衡算式?第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.10)由于工程上常采用平均速度，為了應(yīng)用方便，引入動(dòng)能校正系數(shù)α，使α的值與速度分布有關(guān)，可利用速度分布曲線計(jì)算得到。經(jīng)證明，圓管層流時(shí)，α＝2，湍流時(shí)，α＝1.05。工程上的流體流動(dòng)多數(shù)為湍流，因此α值通常近似取1。引入動(dòng)能校正系數(shù)α后，第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.10)【例題3.1.2】常溫下的水穩(wěn)態(tài)流過一絕熱的水平直管道，實(shí)驗(yàn)測(cè)得水通過管道時(shí)產(chǎn)生的壓力降為（p1-p2)=40kPa，其中p1與p2分別為進(jìn)、出口處的壓力。求由于壓力降引起的水溫升高值。解：依題意，對(duì)于不可壓縮流體第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程機(jī)械能機(jī)械能內(nèi)能和熱——相互轉(zhuǎn)換熱內(nèi)能動(dòng)能位能靜壓能——熱力學(xué)第一定律消耗用機(jī)械能表示方程(3.1.10)第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程以機(jī)械能和機(jī)械能損失表示能量衡算方程流體在管內(nèi)流動(dòng)過程中機(jī)械能的損失表現(xiàn)為沿程流體壓力的降低，損失的這部分機(jī)械能不能轉(zhuǎn)換為其他形式的機(jī)械能（動(dòng)能、位能和功

)而是轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，使流體的溫度略有升高。因此，從流體輸送的角度，這部分機(jī)械能“損失”了通過適當(dāng)?shù)淖儞Q流體的輸送過程僅是各種機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換與消耗的過程第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體從截面1-1流到截面2-2時(shí)因體積膨脹而做的機(jī)械功單位質(zhì)量流體從截面1-1流到截面2-2所獲得的熱量流體克服流動(dòng)阻力做功，因消耗機(jī)械能而轉(zhuǎn)化成的熱。流體通過環(huán)境直接獲得的熱阻力損失（二）機(jī)械能衡算方程第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.12)(3.1.13)不可壓縮流體和可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程單位質(zhì)量流體的機(jī)械能衡算方程變換第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.15)(3.1.11)(3.1.14)在流體輸送過程中，流體的流態(tài)幾乎都為湍流，令α＝1——拓展的伯努利方程適用條件是連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮、處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流體機(jī)械能衡算方程的其他形式對(duì)于不可壓縮流體，比體積或密度ρ為常數(shù)，第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.18)(3.1.16)(3.1.17)選擇輸送機(jī)械——是單位質(zhì)量流體對(duì)泵或其他輸送機(jī)械所作的有效功，是選擇輸送機(jī)械的重要依據(jù)。，功率確定出口斷面與進(jìn)口斷面的機(jī)械能總量之差——判斷流體的流動(dòng)方向——流動(dòng)過程中存在能量損失，如果無外功加入，系統(tǒng)的總機(jī)械能沿流動(dòng)方向?qū)⒅饾u減?。唤鉀Q什么問題？第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.18)伯努利（Bernoulli）方程動(dòng)能、位能和靜壓能對(duì)于理想流體的流動(dòng)，由于不存在因黏性引起的摩擦阻力，故；若無外功加入，理想流體在管路中作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)而又無外功加入時(shí)，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的總機(jī)械能相等，也就是說，各種機(jī)械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，但總量不變。常數(shù)第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.19)當(dāng)體系無外功，且處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，無流動(dòng)則無阻力，即在均質(zhì)、連續(xù)的液體中，水平面必然是等壓面，即時(shí)，流體靜力學(xué)基本方程式。第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.21)以1m3流體為基準(zhǔn)時(shí)各項(xiàng)單位為Pa不同衡算基準(zhǔn)時(shí)機(jī)械能衡算方程的型式以1kg流體為基準(zhǔn)時(shí)各項(xiàng)單位為kJ/kg第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.18)(3.1.22)以1N流體為基準(zhǔn)時(shí)各項(xiàng)單位為m動(dòng)壓頭位壓頭靜壓頭(3.1.23)第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程應(yīng)用要點(diǎn)合理確定衡算系統(tǒng)（不可壓縮的連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)）；合理選取計(jì)算截面（便于計(jì)算）；注意單位的一致性。應(yīng)用管道中流體的流量；管道中流體的壓力；管道中流體的流向；管道中流體流動(dòng)需要的功率；管路計(jì)算流體流速或流量的測(cè)量阻力損失第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.17)E2E3解：先假設(shè)沒有藥劑被吸入管道，此時(shí)在截面1-1和截面2-2之間列伯努利方程：【例題3.1.3】采用水射器將管道下方水槽中的藥劑加入管道中,已知文丘里管截面1-1處內(nèi)徑為50mm，壓力為0.02MPa（表壓），喉管（截面2-2）內(nèi)徑為15mm。當(dāng)管中水的流量為7m3/h時(shí)，可否將藥劑加入管道中？（忽略流動(dòng)中的損失）m/sm/s第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程壓力以絕對(duì)壓力表示，則Pa可以解出Pa取水槽液面3-3為位能基準(zhǔn)面，假設(shè)支管內(nèi)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，則2-2和3-3截面的總能量分別為J/kgJ/kg所以藥劑將自水槽流向管道第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程（1）用圓管道輸送水，流量增加1倍，若流速不變或管徑不變，則管徑或流速如何變化？（2）當(dāng)布水孔板的開孔率為30％時(shí)，流過布水孔的流速增加多少？（3）拓展的伯努利方程表明管路中各種機(jī)械能變化和外界能量之間的關(guān)系，試簡(jiǎn)述這種關(guān)系，并說明該方程的適用條件。（4）在管流系統(tǒng)中，機(jī)械能的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)槭裁葱问降哪芰?？其宏觀的表現(xiàn)形式是什么？（5）對(duì)于實(shí)際流體，流動(dòng)過程中若無外功加入，則流體將向哪個(gè)方向流動(dòng)？（6）如何確定流體輸送管路系統(tǒng)所需要的輸送機(jī)械的功率？本節(jié)思考題一、流體的流動(dòng)狀態(tài)二、流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力層流（滯流）：不同徑向位置的流體微團(tuán)各以確定的速度沿軸向分層運(yùn)動(dòng)，層間流體互不摻混。

——流速較小時(shí)湍流（湍流）：各層流體相互摻混，流體流經(jīng)空間固定點(diǎn)的速度隨時(shí)間不規(guī)則地變化，流體微團(tuán)以較高的頻率發(fā)生各個(gè)方向的脈動(dòng)?！?dāng)流體流速增大到某個(gè)值之后（二）判別（一）流體流動(dòng)的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力一、流體的流動(dòng)狀態(tài)第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力2000雷諾數(shù)的特征速度與特征尺度對(duì)于圓管內(nèi)的流動(dòng)：Re<2000

時(shí)，流動(dòng)總是層流型態(tài)，稱為層流區(qū)；Re>4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流型態(tài)，稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000時(shí)，有時(shí)層流，有時(shí)湍流，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為過渡區(qū)；取決于外界干擾條件。流動(dòng)形式（1）實(shí)際流體具有黏性容器中被攪動(dòng)的水最終會(huì)停止運(yùn)動(dòng)空氣中擺動(dòng)的物體，如果不持續(xù)對(duì)其施加外力，則物體最終也會(huì)停止擺動(dòng)。黏性：在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì)第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力二、流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力流體具有“黏滯性”流體具有“內(nèi)摩擦”的作用流動(dòng)的流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力是流體內(nèi)部相鄰兩流體層的相互作用力，稱為剪切力；單位面積上所受到的剪力稱為剪切應(yīng)力。壁面摩擦力——流動(dòng)阻力第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力黏性流體黏性流體（2）黏性流體的內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)緊貼板表面的流體與板表面之間不發(fā)生相對(duì)位移，稱為無滑移u=0u=0u=0u=UFu=Uu=0內(nèi)摩擦力t=0第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力

u=Uu=0速度分布流體內(nèi)部：內(nèi)摩擦力（剪切力）固體壁面：壁面摩擦力（剪切力)Y第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力欲維持上板的運(yùn)動(dòng)，必須有一個(gè)恒定的力F作用于其上。如果流體呈層流運(yùn)動(dòng)，則作用于單位面積上的力正比于在距離y內(nèi)流體速度的減少值，此比例系數(shù)μ稱為流體的黏度。(一)牛頓黏性定律流體速度的減少值流體的黏度(3.2.2)動(dòng)力黏性系數(shù)，或稱動(dòng)力黏度，黏度剪切應(yīng)力，或稱內(nèi)摩擦力，N/m2垂直于流動(dòng)方向的速度梯度，s-1。負(fù)號(hào)表示剪切應(yīng)力的方向與速度梯度的方向相反牛頓黏性定律指出：相鄰流體層之間的剪切應(yīng)力，即流體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力與該處垂直于流動(dòng)方向的速度梯度成正比。微分形式：第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力(3.2.3)反映了流體流動(dòng)時(shí)的角變形速率由于很小，因此所以，角變形速率為因此，牛頓黏性定律又揭示了剪切應(yīng)力與角變形速率成正比。第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力單位法向速度梯度下，由于流體黏性所引起的內(nèi)摩擦力或剪切應(yīng)力的大小運(yùn)動(dòng)黏度m2/s黏度是流體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力(二)動(dòng)力黏性系數(shù)(3.2.5)黏度隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變化而變化（1）流體種類：一般地，相同條件下，液體的黏度大于氣體的黏度。（2）壓強(qiáng)：氣體的黏度隨壓強(qiáng)的升高而增加，低密度氣體和液體的黏度隨壓強(qiáng)的變化較小。對(duì)常見的流體，如水、氣體等,黏度隨壓強(qiáng)的變化不大，一般可忽略不計(jì)。黏度的影響因素（3）溫度：是影響?zhàn)ざ鹊闹饕蛩亍?/p>

第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力水及空氣在常壓下的黏度當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的黏度減小，氣體的黏度增加第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力流體黏性具有較大差別，有一大類流體遵循牛頓定律——牛頓流體所有氣體和大多數(shù)低相對(duì)分子質(zhì)量的液體均屬于此類流體，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等泥漿、中等含固量的懸浮液(賓漢流體）第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力(三)流體類別第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力層流流動(dòng)基本特征是分層流動(dòng)，表現(xiàn)為各層之間相互影響和作用較小，剪應(yīng)力主要是由分子運(yùn)動(dòng)引起的。湍流流動(dòng)存在流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)脈動(dòng)，流體之間相互影響較大，剪應(yīng)力除了由分子運(yùn)動(dòng)引起外，還由質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)引起。

質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)引起的剪切應(yīng)力以平均速度表示的垂直于流動(dòng)方向的速度梯度質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)引起的動(dòng)力黏性系數(shù)——渦流黏度總的剪切應(yīng)力為

(四)流態(tài)對(duì)剪切力的影響(3.2.8)(3.2.9)渦流黏度不是物性，受流體宏觀運(yùn)動(dòng)的影響第二節(jié)流體流動(dòng)的內(nèi)摩擦力（1）簡(jiǎn)述層流和湍流的流態(tài)特征。（2）什么是“內(nèi)摩擦力”？簡(jiǎn)述不同流態(tài)流體中“內(nèi)摩擦力”的產(chǎn)生機(jī)理。（3）流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力的根本原因是什么？（4）什么情況下可用牛頓黏性定律計(jì)算剪切應(yīng)力？牛頓型流體有哪些？（5）簡(jiǎn)述溫度和壓力對(duì)液體和氣體黏度的影響。本節(jié)思考題第三節(jié)邊界層理論本節(jié)主要內(nèi)容一、邊界層理論的概念二、邊界層的形成過程三、邊界層的分離

u=Uu=0速度分布實(shí)際流體的流動(dòng)具有兩個(gè)基本特征：(1)在固體壁面上，流體與固體壁面的相對(duì)速度為零，這一特征稱為流動(dòng)的無滑移（黏附）特征(2)當(dāng)流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體之間存在剪切力（摩擦力）流體流過壁面時(shí)，在壁面附近形成速度分布邊界層理論是分析阻力機(jī)理、進(jìn)行阻力計(jì)算的基礎(chǔ)。邊界層理論是分析熱量、質(zhì)量傳遞機(jī)理和強(qiáng)化措施的基礎(chǔ)。流體流過壁面時(shí)，在壁面處存在摩擦力第三節(jié)邊界層理論yF流體流動(dòng)時(shí)存在內(nèi)摩擦力與速度梯度有關(guān)流動(dòng)阻力形體阻力傳熱、傳質(zhì)速率傳熱、傳質(zhì)阻力流場(chǎng)的速度分布邊界層理論摩擦阻力流體流動(dòng)狀態(tài)流場(chǎng)速度分布傳熱、傳質(zhì)機(jī)理第三節(jié)邊界層理論存在速度梯度的區(qū)域即為邊界層。存在速度梯度u01904年，普蘭德（Prandtl）提出了“邊界層”概念，認(rèn)為即使對(duì)于空氣、水這樣黏性很低的流體，黏性也不能忽略，但其影響僅限于壁面附近的薄層，即邊界層，離開表面較遠(yuǎn)的區(qū)域，則可視為理想流體。邊界層理想流體受阻減速無滑移u0yx第三節(jié)邊界層理論一、邊界層的概念（3）在邊界層內(nèi)，黏性力可以達(dá)到很高的數(shù)值，它所起的作用與慣性力同等重要，在邊界層內(nèi)不能全部忽略黏性；普蘭德邊界層理論要點(diǎn)：（1）當(dāng)實(shí)際流體沿固體壁面流動(dòng)時(shí)，緊貼壁面處存在非常薄的一層區(qū)域——邊界層；（2）在邊界層內(nèi)，流體的流速很小，但速度梯度很大；u0u0yx第三節(jié)邊界層理論（4）在邊界層外的整個(gè)流動(dòng)區(qū)域，可將黏性力全部忽略，近似看成是理想流體的流動(dòng)。（5）流動(dòng)分為兩個(gè)區(qū)域流動(dòng)的阻力發(fā)生在邊界層內(nèi)（一）繞平板流動(dòng)的邊界層1.繞平板流動(dòng)的邊界層的形成δ分界面u=0.99u0u=0.99u0邊界層的厚度δxx隨著x增大，邊界層不斷增厚第三節(jié)邊界層理論二、邊界層的形成過程黏性底層層流邊界層湍流邊界層過渡區(qū)速度梯度大黏性力大臨界距離速度梯度減小，黏性力下降，擾動(dòng)迅速發(fā)展層流底層湍流中心緩沖層邊界層的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)于流動(dòng)阻力和傳熱、傳質(zhì)阻力具有重要影響厚度突然增加第三節(jié)邊界層理論1.繞平板流動(dòng)的邊界層的形成臨界距離，與壁面粗糙度、平板前緣的形狀、流體性質(zhì)和流速有關(guān)，壁面越粗糙，前緣越鈍，越短臨界雷諾數(shù)對(duì)于平板，臨界雷諾數(shù)的范圍為3×105～2×106，通常情況下取5×105

邊界層流態(tài)的判別：第三節(jié)邊界層理論2.邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)邊界層厚度：流體速度達(dá)到來流速度99％時(shí)的流體層厚度對(duì)于層流邊界層：為以坐標(biāo)x為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)，稱為當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)。對(duì)于湍流邊界層：第三節(jié)邊界層理論3.邊界層厚度(3.3.1)(3.3.2)在邊界層內(nèi)，黏性力和慣性力的數(shù)量級(jí)相當(dāng)：邊界層內(nèi)速度梯度很大，因此黏性剪切力是很大的；邊界層內(nèi)流體速度減慢，其慣性力與層外相比小得多流動(dòng)邊界層內(nèi)特別是層流底層內(nèi)，集中了絕大部分的傳遞阻力。因此，盡管邊界層厚度很小，但對(duì)于研究流體的流動(dòng)阻力、傳熱速率和傳質(zhì)速率有著非常重要的意義。通常，邊界層的厚度約在的量級(jí)10－3m第三節(jié)邊界層理論3.邊界層厚度工程上減少傳熱、傳質(zhì)阻力的方法適當(dāng)?shù)脑龃罅黧w的運(yùn)動(dòng)速度，使其呈湍流狀態(tài)，以此降低邊界層中層流部分的厚度，從而強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)，破壞邊界層的形成，在流道內(nèi)壁做矩形槽，或在管外壁放置翅片，以此破壞邊界層的形成，減少傳熱和傳質(zhì)阻力。第三節(jié)邊界層理論環(huán)狀邊界層核心區(qū)流動(dòng)全部被固體邊界所約束第三節(jié)邊界層理論（二）圓管內(nèi)流動(dòng)的邊界層1.圓直管內(nèi)邊界層的形成二、邊界層的形成過程充分發(fā)展段環(huán)狀邊界層當(dāng)u0較小時(shí)，進(jìn)口段形成的邊界層匯交時(shí)，邊界層是層流，以后的充分發(fā)展段則保持層流流動(dòng)，速度分布呈拋物線形1.圓直管內(nèi)邊界層的形成拋物線形速度分布層流流動(dòng)第三節(jié)邊界層理論當(dāng)u0較大，匯交時(shí)邊界層流動(dòng)若已經(jīng)發(fā)展為湍流，則其下游的流動(dòng)也為湍流。速度分布不是拋物線形狀。在管內(nèi)的湍流邊界層和充分發(fā)展的湍流流動(dòng)中，徑向上也存在著三層流體，即層流底層、緩沖層和湍流中心。

環(huán)狀邊界層核心區(qū)充分發(fā)展段進(jìn)口段湍流流動(dòng)流層間影響較大緩沖層層流底層湍流中心第三節(jié)邊界層理論判別流動(dòng)形態(tài)的雷諾數(shù)定義為充分發(fā)展段邊界層的厚度等于管的半徑，并且不再改變。湍流時(shí)圓管內(nèi)層流底層的厚度，當(dāng)當(dāng)Re<2000時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)維持層流。2.邊界層厚度第三節(jié)邊界層理論(3.3.3)進(jìn)口段長(zhǎng)度用le來表示。無量綱的進(jìn)口段長(zhǎng)度是雷諾數(shù)的函數(shù)3.進(jìn)口段長(zhǎng)度進(jìn)口段附近的摩擦系數(shù)最大，其后沿流動(dòng)方向平緩減少，并趨于流動(dòng)充分發(fā)展后的不變值。因此，實(shí)際工程中區(qū)分進(jìn)口段是非常重要的。（2）湍流，目前尚無適當(dāng)?shù)挠?jì)算公式，一些實(shí)驗(yàn)研究表明，

管內(nèi)湍流邊界層的進(jìn)口段長(zhǎng)度大致為50倍管徑。（1）層流，由理論分析可得第三節(jié)邊界層理論邊界層與固體壁面相脫離

——邊界層分離流動(dòng)中產(chǎn)生大量旋渦第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離繞過鈍體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)鈍體尾部上的邊界層邊界層與固體壁面相脫離內(nèi)部充滿旋渦導(dǎo)致流體能量大量損失，是黏性流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量損失的重要原因之一第三節(jié)邊界層理論當(dāng)流體流過表面曲率較大的曲面時(shí)三、邊界層分離(一)現(xiàn)象流體流過表面曲率較大的曲面時(shí)，邊界層外流體的速度和壓強(qiáng)均沿流動(dòng)方向發(fā)生變化，邊界層內(nèi)的流動(dòng)會(huì)受到很大影響

流道斷面變化流速變化壓強(qiáng)變化？？u增大，壓強(qiáng)減小u減小，壓強(qiáng)增加第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離(二)過程分離點(diǎn)

逆壓區(qū)流體慣性力與壓強(qiáng)差克服流體的黏性力順壓區(qū)流體慣性力克服黏性力和逆壓強(qiáng)流體質(zhì)點(diǎn)的速度逐漸減小D點(diǎn)近壁面處流體質(zhì)點(diǎn)速度為零D點(diǎn)之后?第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離分離點(diǎn)

尾流壁面附近的流體發(fā)生倒流并產(chǎn)生旋渦——尾流區(qū)（1）壁面附近的流體速度方向相反，發(fā)生倒流（逆壓梯度）D點(diǎn)之后：（2）產(chǎn)生旋渦第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離分離點(diǎn)

黏性作用和存在逆壓梯度是流動(dòng)分離的兩個(gè)必要條件

順壓區(qū)逆壓區(qū)尾流流體的慣性力、黏性力、壓強(qiáng)差之間的關(guān)系第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離(三)條件層流邊界層和湍流邊界層都會(huì)發(fā)生分離在相同的逆壓梯度下，層流邊界層和湍流邊界層哪個(gè)更容易發(fā)生分離？（由于層流邊界層中近壁處速度隨y的增長(zhǎng)緩慢，逆壓梯度更容易阻滯靠近壁面的低速流體質(zhì)點(diǎn)）Re值影響分離點(diǎn)的位置湍流邊界層的分離點(diǎn)延遲產(chǎn)生第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離(四)流態(tài)的影響?zhàn)ば缘讓舆吔鐚臃蛛x形體阻力：物體前后壓強(qiáng)差引起的阻力形成湍流邊界層時(shí)，形體阻力大小?較小因?yàn)榉蛛x點(diǎn)靠后，尾流較小是產(chǎn)生形體阻力的主要原因。—形成尾流區(qū)—形體阻力增加第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離第三節(jié)邊界層理論(1)什么是流動(dòng)邊界層？邊界層理論的要點(diǎn)是什么？(2)簡(jiǎn)述湍流邊界層內(nèi)的流態(tài)，以及流速分布和阻力特征。(3)邊界層厚度是如何定義的？簡(jiǎn)述影響平壁邊界層厚度的因素，并比較下列幾組介質(zhì)沿平壁面流動(dòng)時(shí)，哪個(gè)邊界層厚度較大：

a.污水和污泥；b.水和油；c.流速大和流速小的同種流體(4)為什么管道進(jìn)口段附近的摩擦系數(shù)最大？(5)簡(jiǎn)述邊界層分離的條件和過程。流體沿平壁面的流動(dòng)和理想流體繞過圓柱體流動(dòng)時(shí)是否會(huì)發(fā)生邊界層分離？(6)當(dāng)逆壓梯度相同時(shí)，層流邊界層和湍流邊界層分離點(diǎn)的相對(duì)位置如何?請(qǐng)解釋其原因。本節(jié)思考題一、阻力損失的影響因素二、圓直管內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力損失三、管道內(nèi)的局部阻力損失本節(jié)的主要內(nèi)容第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(一)阻力損失起因：阻力損失的大小取決于流體的物性、流動(dòng)狀態(tài)和物體表面的粗糙度、幾何形狀等。（1）內(nèi)摩擦造成的摩擦阻力（2）物體前后壓強(qiáng)差造成的形體阻力摩擦阻力：(二)阻力損失的影響因素：形體阻力：湍流時(shí)，摩擦阻力較層流時(shí)大。但與層流時(shí)相比，分離點(diǎn)后移，尾流區(qū)較小，形體阻力將減小；層流時(shí)摩擦阻力小，但尾流區(qū)較湍流時(shí)大，形體阻力較大。（1）流態(tài)的影響：邊界層內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，邊界層的厚度物體前后壓強(qiáng)差，邊界層分離，尾流區(qū)域的大小第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失一、阻力損失的影響因素管道內(nèi)的流動(dòng)過程阻力流體流經(jīng)直管——沿程損失流體流經(jīng)彎管——局部阻力損失粗糙表面摩擦阻力大。但是，當(dāng)表面粗糙促使邊界層湍流化以后，造成分離點(diǎn)后移，形體阻力會(huì)大幅度下降，此時(shí)總阻力反而降低。（2）物體表面的粗糙度的影響尾流區(qū)的大小形體阻力第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(二)阻力損失的影響因素：（3）幾何形狀的影響(一)阻力損失通式不可壓縮流體在一水平圓直管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)

流體柱受力平衡靜壓力內(nèi)摩擦力根據(jù)機(jī)械能衡算方程直管中的壓力降是流動(dòng)阻力的體現(xiàn)第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失二、圓直管內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力損失(3.4.1)摩擦系數(shù)，是流體的物性和流動(dòng)狀態(tài)的函數(shù)，為無量綱量范寧公式第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(一)阻力損失通式(3.4.2)(二)圓管內(nèi)層流流動(dòng)速度分布和阻力損失1.層流流動(dòng)的速度分布流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度－微觀尺度上分析取一流體微元，半徑為r，長(zhǎng)度為dl

rr0流體微元受力分析層流流動(dòng)第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(3.4.5)(3.4.4)

時(shí)，

在管中心處，r＝0，流體流速最大拋物線形1.層流流動(dòng)的速度分布第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(3.4.6)(3.4.7)(3.4.8)對(duì)于水平直管無外力輸入不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，有積分2.層流流動(dòng)的阻力損失第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(3.4.8)(3.4.7)(3.4.6)流體在圓形直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí):阻力損失與流速成正比，摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)成反比。2.層流流動(dòng)的阻力損失第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(3.4.11)湍流流動(dòng)中存在流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)脈動(dòng)，流體之間相互影響較大，剪應(yīng)力除了由分子運(yùn)動(dòng)引起外，還由質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)引起。

總的剪切應(yīng)力為渦流黏度不是物性，受流體宏觀運(yùn)動(dòng)的影響質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)流體內(nèi)摩擦力受流體宏觀運(yùn)動(dòng)的影響湍流復(fù)雜質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)是決定流體內(nèi)摩擦力大小的主要因素(三)圓管內(nèi)湍流流動(dòng)速度分布和阻力損失第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失1.湍流流動(dòng)的速度分布

n值與Re的大小有關(guān)：當(dāng)4×104<Re<1.1×105時(shí)，n＝6

1.1×105<Re<3.2×106時(shí)，n＝7

Re>3.2×106時(shí)，n＝10湍流流動(dòng)中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈摻混，使截面上靠管中心部分各點(diǎn)速度彼此拉平，速度分布較為均勻，其速度分布曲線不再是拋物線形。經(jīng)驗(yàn)公式1.湍流流動(dòng)的速度分布第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(3.4.14)平均流速為在流體輸送中通常遇到的Re范圍內(nèi)，n值約為7，此時(shí)1/7次方定律通過圓管截面的體積流量為

1.湍流流動(dòng)的速度分布第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(3.4.15)(3.4.16)管道相對(duì)粗糙度管壁的絕對(duì)粗糙度均勻直管阻力損失經(jīng)驗(yàn)式凸出的平均高度第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(三)圓管內(nèi)湍流流動(dòng)速度分布和阻力損失2.湍流流動(dòng)的阻力損失(3.4.18)(3.4.2)層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)阻力平方區(qū)工程上按湍流處理（1）Re增大，λ減小（2）Re增大到一定值后，λ變化平緩（3）不同的ε/d對(duì)應(yīng)不同的曲線完全湍流區(qū)層流底層厚度在湍流流動(dòng)時(shí)，管壁的粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響其影響與Re數(shù)和相對(duì)粗糙度有關(guān)相當(dāng)于光滑管，與粗糙度無關(guān)與Re無關(guān)，阻力平方區(qū)第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失2.湍流流動(dòng)的阻力損失(3.4.19)阻力系數(shù)法當(dāng)量長(zhǎng)度法近似認(rèn)為局部阻力損失服從速度平方定律局部阻力系數(shù)（無量綱）近似認(rèn)為局部阻力損失可以相當(dāng)于某個(gè)長(zhǎng)度的直管的阻力損失管件的當(dāng)量長(zhǎng)度流體流經(jīng)管路中的各類管件（彎頭、三通、閥門）或管道突然縮小和擴(kuò)大（設(shè)備進(jìn)出口）等局部地方，流動(dòng)方向和速度驟然變化，由于管道急劇變化使流體邊界層分離，形成大量旋渦，導(dǎo)致機(jī)械能的消耗顯著增大。單位為kJ/kg第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失三、管道內(nèi)的局部阻力損失

第四節(jié)流體流動(dòng)的阻力損失(1)簡(jiǎn)述運(yùn)動(dòng)中的物體受到阻力的原因。流線形物體運(yùn)動(dòng)時(shí)是否存在形體阻力？(2)簡(jiǎn)述流態(tài)對(duì)流動(dòng)阻力的影響。(3)分析物體表面的粗糙度對(duì)流動(dòng)阻力的影響，舉應(yīng)用實(shí)例說明。(4)不可壓縮流體在水平直管中穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，試分析以下情況下，管內(nèi)壓力差如何變化：a.管徑增加一倍；b.流量增加一倍；c.管長(zhǎng)增加一倍。(5)試比較圓管中層流和湍流流動(dòng)的速度分布特征。(6)試分析圓管湍流流動(dòng)的雷諾數(shù)和管道相對(duì)粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響。本節(jié)思考題以伯努利方程為基礎(chǔ)的幾種測(cè)量裝置：變壓頭流量計(jì)：測(cè)速管、孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)。

工作原理：將流體動(dòng)壓頭的變化以靜壓頭變化的形式表現(xiàn)出來，通過測(cè)定壓差而得到流量。亦叫做差壓式流量計(jì)。（應(yīng)用廣）變截面流量計(jì)：轉(zhuǎn)子流量計(jì)

特點(diǎn)：壓力差幾乎保持不變，流量變化時(shí)流道的截面面積發(fā)生變化。第六節(jié)流體測(cè)量第六節(jié)流體測(cè)量一、測(cè)速管測(cè)速管的構(gòu)造兩根同心套管前端管口敞開兩管環(huán)隙前端封閉壁面四周開若干個(gè)小孔內(nèi)管與環(huán)隙分別與壓差計(jì)的兩端相連壓差計(jì)流速流體的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能駐點(diǎn)內(nèi)管傳遞出的壓力:速度仍為套管環(huán)隙間的壓力是管道內(nèi)流體壓力R為內(nèi)管傳遞出的壓力和管道內(nèi)流體的壓力之差壓差計(jì)中液體的密度第六節(jié)流體測(cè)量一、測(cè)速管測(cè)速管的測(cè)量準(zhǔn)確度與制造精度有關(guān)通常，C＝0.98~1.00。為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，C值應(yīng)在儀表標(biāo)定時(shí)確定。用測(cè)速管測(cè)出的流速是管道截面上某一點(diǎn)的速度第六節(jié)流體測(cè)量一、測(cè)速管使用測(cè)速管應(yīng)注意幾個(gè)問題：

（1）被測(cè)流體不應(yīng)含有雜質(zhì)，因?yàn)闇y(cè)速