化工原理第一章第三節(jié)

化工原理第一章第三節(jié)第一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

一、牛頓粘性定律與流體的粘度

牛頓粘性定律流體的內(nèi)摩擦力：運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的作用力。又稱(chēng)為粘滯力或粘性摩擦力?！黧w阻力產(chǎn)生的依據(jù)2023/6/17第二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力，以τ表示。適用于u與y成直線關(guān)系

2023/6/17第三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日——牛頓粘性定律式中：

速度梯度比例系數(shù)，它的值隨流體的不同而不同，流體的粘性愈大，其值愈大，稱(chēng)為粘性系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度。

2023/6/17第四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、流體的粘度

1)物理意義

促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)2)粘度與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系

a)液體的粘度隨溫度升高而減小，壓強(qiáng)變化時(shí)，液體的粘度基本不變。2023/6/17第五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

b)氣體的粘度隨溫度升高而增大，隨壓強(qiáng)增加而增加的很少。3）粘度的單位在SI制中：在物理單位制中，2023/6/17第六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日SI單位制和物理單位制粘度單位的換算關(guān)系為：4)混合物的粘度對(duì)常壓氣體混合物：對(duì)于分子不締合的液體混合物：2023/6/17第七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日5）運(yùn)動(dòng)粘度單位：

SI制：m2/s；物理單位制：cm2/s，用St表示。2023/6/17第八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù)1、雷諾實(shí)驗(yàn)

滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?023/6/17第九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/6/17第十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、雷諾數(shù)Re雷諾數(shù)的因次：Re是一個(gè)沒(méi)有單位，沒(méi)有因次的純數(shù)。在計(jì)算Re時(shí)，一定要注意各個(gè)物理量的單位必須統(tǒng)一。雷諾準(zhǔn)數(shù)可以判斷流型

2023/6/17第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日流體在圓形直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：流體的流動(dòng)類(lèi)型屬于滯流；流體的流動(dòng)類(lèi)型屬于湍流；可能是滯流，也可能是湍流，與外界條件有關(guān)?！^(guò)渡區(qū)例：20oC的水在內(nèi)徑為50mm的管內(nèi)流動(dòng)，流速為2m/s，試分別用SI制和物理制計(jì)算Re數(shù)的數(shù)值。解：1）用SI制計(jì)算：從附錄五查得20oC時(shí)，

ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa.s，2023/6/17第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日管徑d=0.05m，流速u(mài)=2m/s，2）用物理單位制計(jì)算：2023/6/17第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、滯流與湍流的比較

1、流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式層流流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸做有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)。湍流流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)在沿流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還做隨機(jī)的脈動(dòng)。2023/6/17第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日管道截面上任一點(diǎn)的時(shí)均速度為：湍流流動(dòng)是一個(gè)時(shí)均流動(dòng)上疊加了一個(gè)隨機(jī)的脈動(dòng)量。例如，湍流流動(dòng)中空間某一點(diǎn)的瞬時(shí)速度可表示為：湍流的特征是出現(xiàn)速度的脈動(dòng)。

2023/6/17第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、流體在圓管內(nèi)的速度分布速度分布：流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)截面上各點(diǎn)速度隨該點(diǎn)與管中心的距離的變化關(guān)系。

1）圓管內(nèi)滯流流動(dòng)的速度分布作用于流體單元左端的總壓力為：2023/6/17第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日作用于流體單元右端的總壓力為：作用于流體單元四周的剪應(yīng)力為：2023/6/17第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日代入上式得：——滯流流動(dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式

2023/6/17第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2）圓管內(nèi)湍流流動(dòng)的速度分布

4×10-4<Re<1.0×105時(shí)，n=6；1×105<Re<3.2×106時(shí)，n=7；

Re>3.2×106時(shí)，n=10。——湍流流動(dòng)時(shí)圓管內(nèi)速度分布式

2023/6/17第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、滯流和湍流的平均速度通過(guò)管截面的平均速度就是體積流量與管截面積之比

1）層流時(shí)的平均速度

流體的體積流量為：滯流時(shí)，管截面上速度分布為：2023/6/17第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日積分此式可得層流時(shí)平均速度等于管中心處最大速度的一半。2023/6/17第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2）湍流時(shí)的平均速度積分上式得：2023/6/17第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日——1/7方律通常遇到的情況下，湍流時(shí)的平均速度大約等于管中心處最大速度的0.82倍。2023/6/17第二十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日4、滯流和湍流中的剪應(yīng)力滯流流動(dòng)的剪應(yīng)力：剪應(yīng)力：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的動(dòng)量，即動(dòng)量通量。湍流流動(dòng)的剪應(yīng)力：ε：稱(chēng)為渦流粘度，反映湍流流動(dòng)的脈動(dòng)特征，隨流動(dòng)狀況及離壁的距離而變化。2023/6/17第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)A管內(nèi)滯流與湍流的比較滯流湍流本質(zhì)區(qū)別分層流動(dòng)

質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)

速度分布平均速度剪應(yīng)力2023/6/17第二十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日四、邊界層的概念

流速降為未受影響流速的99%以?xún)?nèi)的區(qū)域。

邊界層：1、邊界層的形成邊界層區(qū)主流區(qū)2023/6/17第二十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2、邊界層的發(fā)展1）流體在平板上的流動(dòng)2023/6/17第二十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2）流體在圓形直管進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng)

流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，邊界層匯合處與管入口的距離稱(chēng)作進(jìn)口段長(zhǎng)度，或穩(wěn)定段長(zhǎng)度。一般滯流時(shí)通常取穩(wěn)定段長(zhǎng)度x0=(50-100)d，湍流時(shí)穩(wěn)定段長(zhǎng)度約于(40-50)d。2023/6/17第二十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、邊界層的分離A點(diǎn)流速為零壓強(qiáng)最大駐點(diǎn)加速減壓B點(diǎn)(u→max，p→min)減速加壓C點(diǎn)(u=0，p→max)邊界層分離2023/6/17第二十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2023/6/17第三十頁(yè)，共三十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日由此可見(jiàn)：流道擴(kuò)大時(shí)必造成逆壓強(qiáng)梯度逆壓強(qiáng)梯度