流體力學(xué)與應(yīng)用－4

1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.1流體的流動(dòng)型態(tài)1.4.2流體在圓管內(nèi)的速度分布1.4.3流體流動(dòng)邊界層1.4.1流體的流動(dòng)型態(tài)

一、雷諾實(shí)驗(yàn)1.4

流體流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)層流（或滯流）：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（或紊流）：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、流型判據(jù)——雷諾準(zhǔn)數(shù)

無(wú)因次數(shù)群式中：d－管子的內(nèi)徑，其單位為m，因次L；

u－流體流動(dòng)的平均速度，其單位為m/s，因次L/θ；

ρ－流體的密度，其單位為kg/m3，因次M/L3；

μ－流體的粘度，其單位為Pa.s或kg/m.s，因次M/(Lθ)。判斷流型Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000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

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。

慣性力∝ρu2

粘性力∝μu/d1.4.2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

由壓力差產(chǎn)生的推力

流體層間內(nèi)摩擦力

管壁處r＝R時(shí)，＝0，可得速度分布方程

管中心流速為最大，即r＝0時(shí)，＝umax

管截面上的平均速度: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。二、湍流時(shí)的速度分布

剪應(yīng)力：e為湍流黏度，與流體的流動(dòng)狀況有關(guān)。

湍流速度分布的經(jīng)驗(yàn)式：n與Re有關(guān)，取值如下：

1/7次方定律當(dāng)時(shí)，流體的平均速度:1.4.3流體流動(dòng)邊界層一、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。流體在平板上流動(dòng)時(shí)的邊界層：

邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮黏度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。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。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。

流體在圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的邊界層

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：湍流流動(dòng)時(shí)：湍流主體：速度脈動(dòng)較大，以湍流黏度為主，徑向傳遞因速度的脈動(dòng)而大大強(qiáng)化；過(guò)渡層：分子黏度與湍流黏度相當(dāng)；層流內(nèi)層：速度脈動(dòng)較小，以分子黏度為主，徑向傳遞只能依賴分子運(yùn)動(dòng)?！獙恿鲀?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)層越薄。二、邊界層的分離ABS

A→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)在逆壓梯度和黏性剪應(yīng)力的作用下，速度降為0。SS’以下：邊界層脫離固體壁面，而后倒流