第03章 流體流動

第三章流體流動

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

第五節(jié)管路計算（不講）第六節(jié)

流體測量一、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

對于穩(wěn)態(tài)過程對于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)，不可壓縮流體管內(nèi)流動的連續(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)量衡算方程對于圓形管道流體在均勻直管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動時，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。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）－（對外界所作的功）穩(wěn)態(tài)流動

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)點受重力場的作用具有的能量，取決于它相對基準(zhǔn)水平面的高度④靜壓能：流動著的流體內(nèi)部任何位置上也具有一定的靜壓力。流體進(jìn)入系統(tǒng)需要對抗壓力做功，這部分功成為流體的靜壓能輸入系統(tǒng)。②動能：流體流動時具有的能量gz，kJ/kg

kJ/kg靜壓能位能動能內(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時產(chǎn)生的，故稱為流動功。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，吸熱時為正值，放熱時為負(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算得到。經(jīng)證明，圓管層流時，α＝2，湍流時，α＝1.05。工程上的流體流動多數(shù)為湍流，因此α值通常近似取1。引入動能校正系數(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，實驗測得水通過管道時產(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)流動為穩(wěn)態(tài)過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律：單位質(zhì)量流體從截面1-1流到截面2-2時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)流動的流體機(jī)械能衡算方程的其他形式對于不可壓縮流體，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——判斷流體的流動方向——流動過程中存在能量損失，如果無外功加入，系統(tǒng)的總機(jī)械能沿流動方向?qū)⒅饾u減??；解決什么問題？第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程(3.1.18)伯努利（Bernoulli）方程動能、位能和靜壓能對于理想流體的流動，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)流動而又無外功加入時，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，無流動則無阻力，即在均質(zhì)、連續(xù)的液體中，水平面必然是等壓面，即時，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)時各項單位為Pa不同衡算基準(zhǔn)時機(jī)械能衡算方程的型式以1kg流體為基準(zhǔn)時各項單位為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)時各項單位為m動壓頭位壓頭靜壓頭(3.1.23)第一節(jié)管道系統(tǒng)的衡算方程應(yīng)用要點合理確定衡算系統(tǒng)（不可壓縮的連續(xù)穩(wěn)定流動）；合理選取計算截面（便于計算）；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；管道中流體流動需要的功率；管路計算流體流速或流量的測量阻力損失第一節(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，可否將藥劑加入管道中？（忽略流動中的損失）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，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)槭裁葱问降哪芰浚科浜暧^的表現(xiàn)形式是什么？（5）對于實際流體，流動過程中若無外功加入，則流體將向哪個方向流動？（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、流體的流動狀態(tài)二、流體流動的內(nèi)摩擦力本節(jié)的主要內(nèi)容第二節(jié)流體流動的內(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動，層間流體互不摻混。

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

時，流動總是層流型態(tài)，稱為層流區(qū)；Re>4000時，一般出現(xiàn)湍流型態(tài)，稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000時，有時層流，有時湍流，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為過渡區(qū)；取決于外界干擾條件。流動形式（1）實際流體具有黏性容器中被攪動的水最終會停止運動空氣中擺動的物體，如果不持續(xù)對其施加外力，則物體最終也會停止擺動。黏性：在運動的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì)第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力二、流體流動的內(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——流動阻力第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力黏性流體黏性流體（2）黏性流體的內(nèi)摩擦實驗緊貼板表面的流體與板表面之間不發(fā)生相對位移，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)流體流動的內(nèi)摩擦力第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力欲維持上板的運動，必須有一個恒定的力F作用于其上。如果流體呈層流運動，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)動力黏性系數(shù)，或稱動力黏度，黏度剪切應(yīng)力，或稱內(nèi)摩擦力，N/m2垂直于流動方向的速度梯度，s-1。負(fù)號表示剪切應(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，即流體流動時的內(nèi)摩擦力與該處垂直于流動方向的速度梯度成正比。微分形式：第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力(3.2.3)反映了流體流動時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)力的大小運動黏度m2/s黏度是流體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力(二)動力黏性系數(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。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)流體流動的內(nèi)摩擦力水及空氣在常壓下的黏度當(dāng)溫度升高時，液體的黏度減小，氣體的黏度增加第二節(jié)流體流動的內(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)流體流動的內(nèi)摩擦力(三)流體類別第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力層流流動基本特征是分層流動，表現(xiàn)為各層之間相互影響和作用較小，剪應(yīng)力主要是由分子運動引起的。湍流流動存在流體質(zhì)點的隨機(jī)脈動，流體之間相互影響較大，剪應(yīng)力除了由分子運動引起外，還由質(zhì)點脈動引起。

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

(四)流態(tài)對剪切力的影響(3.2.8)(3.2.9)渦流黏度不是物性，受流體宏觀運動的影響第二節(jié)流體流動的內(nèi)摩擦力（1）簡述層流和湍流的流態(tài)特征。（2）什么是“內(nèi)摩擦力”？簡述不同流態(tài)流體中“內(nèi)摩擦力”的產(chǎn)生機(jī)理。（3）流體流動時產(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算剪切應(yīng)力？牛頓型流體有哪些？（5）簡述溫度和壓力對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速度分布實際流體的流動具有兩個基本特征：(1)在固體壁面上，流體與固體壁面的相對速度為零，這一特征稱為流動的無滑移（黏附）特征(2)當(dāng)流體之間發(fā)生相對運動時，流體之間存在剪切力（摩擦力）流體流過壁面時，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，在壁面處存在摩擦力第三節(jié)邊界層理論yF流體流動時存在內(nèi)摩擦力與速度梯度有關(guān)流動阻力形體阻力傳熱、傳質(zhì)速率傳熱、傳質(zhì)阻力流場的速度分布邊界層理論摩擦阻力流體流動狀態(tài)流場速度分布傳熱、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：（1）當(dāng)實際流體沿固體壁面流動時，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）在邊界層外的整個流動區(qū)域，可將黏性力全部忽略，近似看成是理想流體的流動。（5）流動分為兩個區(qū)域流動的阻力發(fā)生在邊界層內(nèi)（一）繞平板流動的邊界層1.繞平板流動的邊界層的形成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，擾動迅速發(fā)展層流底層湍流中心緩沖層邊界層的流動狀態(tài)對于流動阻力和傳熱、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)的流動狀態(tài)邊界層厚度：流體速度達(dá)到來流速度99％時的流體層厚度對于層流邊界層：為以坐標(biāo)x為特征長度的雷諾數(shù)，稱為當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)。對于湍流邊界層：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，但對于研究流體的流動阻力、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的運動速度，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，進(jìn)口段形成的邊界層匯交時，邊界層是層流，以后的充分發(fā)展段則保持層流流動，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第三節(jié)邊界層理論當(dāng)u0較大，匯交時邊界層流動若已經(jīng)發(fā)展為湍流，則其下游的流動也為湍流。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。湍流時圓管內(nèi)層流底層的厚度，當(dāng)當(dāng)Re<2000時，管內(nèi)流動維持層流。2.邊界層厚度第三節(jié)邊界層理論(3.3.3)進(jìn)口段長度用le來表示。無量綱的進(jìn)口段長度是雷諾數(shù)的函數(shù)3.進(jìn)口段長度進(jìn)口段附近的摩擦系數(shù)最大，其后沿流動方向平緩減少，并趨于流動充分發(fā)展后的不變值。因此，實際工程中區(qū)分進(jìn)口段是非常重要的。（2）湍流，目前尚無適當(dāng)?shù)挠嬎愎?，一些實驗研究表明?/p>

管內(nèi)湍流邊界層的進(jìn)口段長度大致為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，是黏性流體流動時產(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三、邊界層分離(一)現(xiàn)象流體流過表面曲率較大的曲面時，邊界層外流體的速度和壓強(qiáng)均沿流動方向發(fā)生變化，邊界層內(nèi)的流動會受到很大影響

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

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)點的速度逐漸減小D點近壁面處流體質(zhì)點速度為零D點之后?第三節(jié)邊界層理論三、邊界層分離分離點

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

黏性作用和存在逆壓梯度是流動分離的兩個必要條件

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的增長緩慢，逆壓梯度更容易阻滯靠近壁面的低速流體質(zhì)點）Re值影響分離點的位置湍流邊界層的分離點延遲產(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，形體阻力大小?較小因為分離點靠后，尾流較小是產(chǎn)生形體阻力的主要原因?！纬晌擦鲄^(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)什么是流動邊界層？邊界層理論的要點是什么？(2)簡述湍流邊界層內(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)沿平壁面流動時，哪個邊界層厚度較大：

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)簡述邊界層分離的條件和過程。流體沿平壁面的流動和理想流體繞過圓柱體流動時是否會發(fā)生邊界層分離？(6)當(dāng)逆壓梯度相同時，層流邊界層和湍流邊界層分離點的相對位置如何?請解釋其原因。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，摩擦阻力較層流時大。但與層流時相比，分離點后移，尾流區(qū)較小，形體阻力將減小；層流時摩擦阻力小，但尾流區(qū)較湍流時大，形體阻力較大。（1）流態(tài)的影響：邊界層內(nèi)的流動狀態(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)流體流動的阻力損失一、阻力損失的影響因素管道內(nèi)的流動過程阻力流體流經(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，造成分離點后移，形體阻力會大幅度下降，此時總阻力反而降低。（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

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阻力的體現(xiàn)第四節(jié)流體流動的阻力損失二、圓直管內(nèi)流動的沿程阻力損失(3.4.1)摩擦系數(shù)，是流體的物性和流動狀態(tài)的函數(shù)，為無量綱量范寧公式第四節(jié)流體流動的阻力損失(一)阻力損失通式(3.4.2)(二)圓管內(nèi)層流流動速度分布和阻力損失1.層流流動的速度分布流場中各點的速度－微觀尺度上分析取一流體微元，半徑為r，長度為dl

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

時，

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

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

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

1.1×105<Re<3.2×106時，n＝7

Re>3.2×106時，n＝10湍流流動中，由于流體質(zhì)點的強(qiáng)烈摻混，使截面上靠管中心部分各點速度彼此拉平，速度分布較為均勻，其速度分布曲線不再是拋物線形。經(jīng)驗公式1.湍流流動的速度分布第四節(jié)流體流動的阻力損失(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1/7次方定律通過圓管截面的體積流量為

1.湍流流動的速度分布第四節(jié)流體流動的阻力損失(3.4.15)(3.4.16)管道相對粗糙度管壁的絕對粗糙度均勻直管阻力損失經(jīng)驗式凸出的平均高度第四節(jié)流體流動的阻力損失(三)圓管內(nèi)湍流流動速度分布和阻力損失2.湍流流動的阻力損失(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對應(yīng)不同的曲線完全湍流區(qū)層流底層厚度在湍流流動時，管壁的粗糙度對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響其影響與Re數(shù)和相對粗糙度有關(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)流體流動的阻力損失2.湍流流動的阻力損失(3.4.19)阻力系數(shù)法當(dāng)量長度法近似認(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)于某個長度的直管的阻力損失管件的當(dāng)量長度流體流經(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)流體流動的阻力損失(1)簡述運動中的物體受到阻力的原因。流線形物體運動時是否存在形體阻力？(2)簡述流態(tài)對流動阻力的影響。(3)分析物體表面的粗糙度對流動阻力的影響，舉應(yīng)用實例說明。(4)不可壓縮流體在水平直管中穩(wěn)態(tài)流動，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.管長增加一倍。(5)試比較圓管中層流和湍流流動的速度分布特征。(6)試分析圓管湍流流動的雷諾數(shù)和管道相對粗糙度對摩擦系數(shù)的影響。本節(jié)思考題以伯努利方程為基礎(chǔ)的幾種測量裝置：變壓頭流量計：測速管、孔板流量計、文丘里流量計。

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

特點：壓力差幾乎保持不變，流量變化時流道的截面面積發(fā)生變化。第六節(jié)流體測量第六節(jié)流體測量一、測速管測速管的構(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小孔內(nèi)管與環(huán)隙分別與壓差計的兩端相連壓差計流速流體的動能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能駐點內(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中液體的密度第六節(jié)流體測量一、測速管測速管的測量準(zhǔn)確度與制造精度有關(guān)通常，C＝0.98~1.00。為了提高測量的準(zhǔn)確度，C值應(yīng)在儀表標(biāo)定時確定。用測速管測出的流速是管道截面上某一點的速度第六節(jié)流體測量一、測速管使用測速管應(yīng)注意幾個問題：

（1）被測流體不應(yīng)含有雜質(zhì)，因為測速