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1、單擊此處編輯母版文本樣式,,1.4.2,流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù),,一、雷諾實(shí)驗(yàn)：,,,1883,年由雷諾（,Reynolds,）,首先提出（雷諾實(shí)驗(yàn)）。,,,,,,,,,,,二、雷諾準(zhǔn)數(shù)：,,,單位：,,,①,Re,準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群。組成此數(shù)群的各物理量，必須用一致的單位表示。無(wú)論采用何種單位制，只要數(shù)群中各物理量的單位一致，所計(jì)算出,Re,值必相等。,,②,凡是幾個(gè)有內(nèi)在聯(lián)系的物理量按無(wú)因次條件組合起來(lái)的數(shù)群，稱為準(zhǔn)數(shù),或無(wú)因次數(shù)群。這種組合并非任意拼湊，一般都是在大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)影響某一現(xiàn)象或過(guò)程的各種因素有了一定認(rèn)識(shí)之后，再用物理分析或數(shù)學(xué)推演或二者相結(jié)合的方法定出來(lái)。它既反映了所包
2、含的各物理量的內(nèi)在關(guān)系，又說(shuō)明某一現(xiàn)象或過(guò)程的一些本質(zhì)。如流體的流動(dòng)類型，可以用,Re,值來(lái)判斷。,③實(shí)驗(yàn)證明，流體在直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：,,,Re≤2000,層流（,滯流）,,,2000,＜,Re,＜,4000,過(guò)渡流,,,Re≥4000,湍流,,,三、滯流與湍流,,其區(qū)別不僅在于,Re,值不同，有本質(zhì)區(qū)別：,,①流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式：,,層流：質(zhì)點(diǎn)沿管軸作有規(guī)則的平行運(yùn)動(dòng)，互不碰撞，互不混合。,,湍流：質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則的雜亂運(yùn)動(dòng)，相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的漩渦，質(zhì),,的脈動(dòng)是湍流運(yùn)動(dòng)的最基本特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管截面上任一點(diǎn)的,,速度和壓強(qiáng)始終圍繞某一個(gè)“平均值”上下波動(dòng)。,,時(shí)均速度,,②流體在圓管內(nèi)
3、的速度分布,,,,,,,③流體在直管內(nèi)的流動(dòng)阻力,,層流：流動(dòng)阻力來(lái)自流體本身所具有的粘性而引起的內(nèi)摩擦。,,牛頓型流體：,,湍流：除內(nèi)摩擦外，質(zhì)點(diǎn)碰撞而產(chǎn)生的附加阻力較由粘性所產(chǎn)生的阻力,,大,,,——,渦流粘度，不是流體的物理性質(zhì)，與流體流動(dòng)狀況有關(guān)。,1.4.3,邊界層的概念,,,邊界層的形成,,當(dāng)流體流經(jīng)固體,,壁面時(shí)，由于流體具,,有粘性，在垂直于流,,體流動(dòng)方向上便產(chǎn)生,,了速度梯度，在壁面附近存在著較大速度梯度的流體層，稱流動(dòng)邊界層，簡(jiǎn)稱,邊界層,。,,邊界層區(qū)： 顯著，即使 很小，摩擦應(yīng)力 仍相當(dāng)大，不可忽視。,,主流區(qū)： 摩擦應(yīng)力 可忽略不計(jì)，視
4、為理想流體。,,應(yīng)用邊界層的概念研究實(shí)際流體的流動(dòng)，將使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，從而可用理論方法來(lái)解決比較復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題，對(duì)傳熱、傳質(zhì)過(guò)程的研究有重要意義。,二、邊界層的發(fā)展,,①流體在平板上的流動(dòng),,②流體在圓形直管的進(jìn)口段內(nèi)的流動(dòng),,,,,,,,三、邊界層的分離：,,1.4.4,流動(dòng)阻力,,,流動(dòng)阻力產(chǎn)生原因與影響因素：,,①流體具有粘性，流動(dòng)時(shí)存在著內(nèi)摩擦，是流動(dòng)阻力產(chǎn)生的根源。,,②固定的管壁或其它形狀固體壁面，促使流動(dòng)的流體內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)為流動(dòng)阻力產(chǎn)生提供了條件。,,流動(dòng)阻力的大小與流體本身的物理性質(zhì),,流動(dòng)狀況,,壁面的形狀等因素有關(guān),,柏氏方程中的,,能量式：,是指,1kg,流體流動(dòng)時(shí)所
5、損失的機(jī)械能，單位,,壓頭式：,是指,1N,流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能，單位,壓差式：,,是指,1,m,3,流體流動(dòng)時(shí)所損失的機(jī)械能，以 表示,,單位,,的單位可簡(jiǎn)化為壓強(qiáng)單位，常稱 為流動(dòng)阻力而引起的壓強(qiáng)降，,,也可用 、 等流體柱的高度來(lái)表示。,,注意： 與 是截然不同的概念：,,,,,,,,只有當(dāng)流體在一段無(wú)外功加入，直徑又相同的水平管內(nèi)流動(dòng)時(shí)：,,得,1.4.5,流體在直管中的流動(dòng)阻力,,一、計(jì)算圓形直管阻力的通式：,,1—1’,與,2—2’,截面間列柏氏方程：,,∴水平直管，,,∴,,取一段,L,長(zhǎng)直管內(nèi)的流體進(jìn)行受力分析：,,,,,,,,,
6、∴,,,,從實(shí)驗(yàn)得知，流體只有在流動(dòng)情況下才產(chǎn)生阻力，在流體物理性質(zhì)、管徑與管長(zhǎng)相同情況下，流速增大，能量損失也隨之增加，可見(jiàn)流動(dòng)阻力與流速有關(guān)。由于動(dòng)能 與,W,f,的單位相同，因此常把能量損失,W,f,表示為動(dòng)能 的若干倍數(shù)的關(guān)系：,,,,令,,（范寧公式）,,或,,,,,——,摩擦系數(shù),二、管壁粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,,管道，按材質(zhì)及加工情況 光滑管 玻璃管 黃銅管 塑料管等,,粗糙管 鋼管 鑄鐵管等。,,絕對(duì)粗糙度：（指壁面凹出部分的平均高度）,,管壁粗造度 取值時(shí)要考慮①流體對(duì)管壁的腐蝕性。,,②流體中固體雜質(zhì)是否會(huì),,粘附在壁面上。,
7、,相對(duì)粗糙度 ③使用情況。,,層流： 與管壁粗糙度無(wú)關(guān),,湍流：壁面粗糙度對(duì) 的影響成為重要因素，,Re,值愈大，滯流內(nèi)層愈薄，這種影響愈顯暑。,三、層流時(shí)的摩擦系數(shù),。,,,影響層流時(shí) 值的因素只是雷諾準(zhǔn)數(shù),Re,，,而與管壁的粗糙度無(wú)關(guān)。,,水平管時(shí)推動(dòng)力：,,,設(shè)距管中心,r,處的流速為,u,r,（,r+dr,）,處的相鄰流體層的速度為,,（,u,r,+du,r,）,則流體速度沿半經(jīng)方向的變化率（即速度梯度）為 ；兩,,相鄰流體層所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦應(yīng)力為,由牛頓粘性定律得：,,,（負(fù)號(hào)表示,u,沿半徑,r,增加的方向而減小，作用在流體柱上的阻力為：,,,,流體作
8、等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)力與阻力大小必相等，方向必相反，故,,,積分上式邊界條件：,,,,上式為層流時(shí)的速度分布表達(dá)式，表示在同一壓強(qiáng)降 的關(guān)系為拋物線方程。,,工程中常以管截面的平均流速來(lái)計(jì)算的流動(dòng)阻力所引起的壓強(qiáng)降，故須把上式變換成 與,u,r,,（,平均流速）的關(guān)系才便于應(yīng)用。,,厚度為,dr,的環(huán)形截面積 ，由于,dr,很小，近似地取流體在,dr,層內(nèi)的流速為,u,r,，,則此截面的體積流量為,,當(dāng),,∴,,管截面的平均流速,,u,r,代表式代入：,,,再以 代入得：,,上式為流體在圓管內(nèi)作層流流動(dòng)時(shí)的直管阻力計(jì)算式,,,稱哈根,--,
9、泊漫葉公式,,可見(jiàn) （阻力與流速的一次方成正比）,,上式與 比較,,得,,,當(dāng),r=0,時(shí)，管中心處流速為：,,四、湍流時(shí)的摩擦系數(shù),,,,,,通過(guò)因次分析方法，并通過(guò)大量實(shí)踐確定摩擦系數(shù) 的計(jì)算式，這些計(jì)算式通常稱為經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或半理論公式。,,湍流時(shí)，在不同的,Re,值范圍內(nèi)，對(duì)不同的管材， 的表達(dá)式不相同。如用光滑管于,Re,=3×10,3,--3×10,5,范圍內(nèi)，作實(shí)驗(yàn)得出的關(guān)系式：,,稱柏拉修斯公式，其形式最為簡(jiǎn)單,,在工程計(jì)算中，一般將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理，以 為參數(shù)，描繪,Re,與 關(guān)系。,可以看出有四個(gè)不同的區(qū)域：,
10、,①層流區(qū),與管壁粗糙度無(wú)關(guān)，和,Re,準(zhǔn)數(shù)成直線關(guān)系。,,②過(guò)渡區(qū),在此區(qū)域內(nèi)層流或湍流的 曲線都可應(yīng)用。為安全起見(jiàn)，對(duì)于流動(dòng)阻力計(jì)算一般將湍流時(shí)曲線延伸來(lái)查取 值。,,③湍流區(qū),及虛線下的區(qū)域。,,④完全湍流區(qū)，,圖中虛線以上的區(qū)域。,,五、流體在非圓形直管內(nèi)的流動(dòng)阻力,,水力半徑,r,H,：,流體在流道里的流通截面,A,與潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度 之比。,,,,對(duì)于直徑為,d,的圓形管子,,有,即：圓形管的直徑為其水力半徑的,4,倍。把這個(gè)概念推廣到非圓管，也采用,4,倍的水力半徑來(lái)代替非圓形管的“直徑”，稱為當(dāng)量直徑，以,de,表示,,即 ①對(duì)矩形：,,,,②環(huán)形管道 內(nèi)徑為 的管子里,,套直徑為 的圓管子。,,對(duì)滯流時(shí)摩擦系數(shù) 進(jìn)行修正（說(shuō)明原因）,,,,圓管,c,=64,正方形邊長(zhǎng)為,57,環(huán)形截面積,c,=96,,,應(yīng)予指出：不能用,de,來(lái)計(jì)算流體通過(guò)的截面積，流速和流量。,,根據(jù)所用材料 粗糙度,e,及相對(duì)粗糙度 查得 用公式計(jì)算,h,f,,,由流速,
化工原理流體流動(dòng)3
