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化工原理一章4.ppt

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一、雷諾實驗(1883年,英國:Reynolds)第四節 管內流體流動現象(流體流動的內部結構 & 內部質點的流動規律)u較小u↑u↑1 層流(或滯流):流體質點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動,質點無徑向脈動,質點之間互不混合。 流體呈現一層一層的流動。(阻力表現為粘性力) 湍流(或紊流) :流體質點除了沿管軸方向向前流動外,還有徑向脈動。各質點的速度在大小和方向上都隨時變化,質點互相碰撞和混合,形成漩渦,從而構成質點的脈動。(阻力表現為粘性力+湍流阻力/附加阻力)二、流體的流動類型(兩種) ★質點的脈動是湍流運動的最根本特點,也是層流和湍流的本質區別。22.判據標準Re≤2000時,層流,此區稱為層流區;Re≥4000時,湍流,此區稱為湍流區;2000< Re <4000 時,流動可能是層流,也可能是湍流,該區稱為不穩定的過渡區。1.物理意義 Re反映了流體流動中慣性力與粘性力的對比關系,標志著流體流動的湍動程度。 三、流型判據——雷諾準數 無量綱(因次)數群 (單位一致,其值相同)工業上,Re>3000常按湍流考慮3★層流Re臨界值為2000→速度為層流臨界流速?!锿牧鱎e臨界值為4000→速度為湍流臨界流速。注:質量流速ρu 和 運動粘度μ/ρ非圓管:當量直徑de de=4×橫截面積/潤濕周邊長4四、 流體在圓管內的速度分布 速度分布:流體在圓管內流動時,管截面上質點的速度隨半徑的變化關系。 1、層流時的速度分布 注:水平等徑直管,流體勻速流動。5由壓力差產生的推力 流體層間內摩擦力(阻力) 管壁處r=R時, =0,可得速度分布方程 邊界條件?6管中心流速為最大,即r=0時, =umax ★管截面上的平均速度 :即層流流動時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層流流動時,其速度呈拋物線分布。發生在什么 位置?7★動能校正系數α 由于截面上各點的速度不相等,平均速度的平方不等于速度平方的平均值。但工程上希望用平均速度表達平均動能,故引入動能校正系數。 定義:可推導:α與速度分布有關,層流時α=2。82、湍流時的速度分布 剪應力 :e為湍流粘度,與流體的流動狀況有關。 湍流速度分布的經驗式:9n與Re有關,取值如下: 1/7次方定律當 時,流體的平均速度 :α=1 平均流速由關系曲線求得p4210五、 流體流動邊界層(1904,法國Prandtl)1、邊界層的形成與發展 流動邊界層:存在著較大速度梯度的流體層區域, 即流速降為主體流速的99%以內的區域。 邊界層厚度:邊界層外緣與壁面間的垂直距離。 邊界層區(邊界層內):法向上速度梯度很大,需考慮粘度的影響,剪應力不可忽略。 主流區(邊界層外):速度梯度很小,剪應力可以忽略,可視為理想流體 。11流體在平板上流動時的邊界層: 12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,邊界層內的流型轉為湍流。 13流體在圓管內流動時的邊界層 14 充分發展的邊界層厚度為圓管的半徑; 進口段內有邊界層內外之分 。 也分為層流邊界層與湍流邊界層。進口段長度:層流:湍流:15湍流流動時:16 湍流主體:速度脈動較大,以湍流粘度為主,徑向傳遞因速度的脈動而大大強化; 過渡層:分子粘度與湍流粘度相當; 層流內層:速度脈動較小,以分子粘度為主,徑向傳遞只能依賴分子運動?!獙恿鲀葘訛閭鬟f過程的主要阻力Re越大,湍動程度越高,層流內層厚度越薄。172、邊界層的分離ABS? 當流體流經管件、閥門等局部地方時,由于流動方向和流道截面的突然改變,無論是層流還是湍流,在一定條件下都將會產生邊界層與固體表面脫離的現象,這種現象叫邊界層分離。18A →C:流道截面積逐漸減小,流速逐漸增加,壓力逐漸減?。槈禾荻龋?;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:物體表面的流體質點在逆壓梯度和粘性剪應力的作用下,速度降為0。SS’以下:邊界層脫離固體壁面,而后倒流回來,形成渦流,出現邊界層分離。19邊界層分離的后果: 產生大量旋渦; 造成較大的能量損失。邊界層分離的必要條件: 流體具有粘性; 流動過程中存在逆壓梯度。形體阻力20
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