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1、第6讲 1.4 流体流动现象,教学难点：边界层及边界层分离。,教学目的： 1、学会判别流体流动的类型。 2、了解流体在圆管内的速度分布。 3、了解边界层的概念。,教学内容：1 、流动类型与雷诺数。2、 流体在圆管内流动时的速度分布 3 、边界层的概念。,教学重点：Re的计算及流动形态的判别。,第6讲 1.4 流体流动现象教学难点：边界层及边界层分,1.4.1 流动类型与雷诺数,1、雷诺实验,2）、实验现象：,1）、装置：如图示。,1.4.1 流动类型与雷诺数1、雷诺实验 2）、实验现象：,1）实验证明 ：除流速u外、管径d、流体的粘度和密度对流动状况也有影响，流动形态由这几个因素同时决定。,2
2、、雷诺数,雷诺准数：, 特征：无因次，没有单位的纯数。其值不会因采用的单位制度不同而改变，但必须是统一单位。,2）雷诺准数单位：,1）实验证明 ：除流速u外、管径d、流体的粘,1）、流动类型的判别,Re2000 时，属层流； Re4000时， 属湍流； 2000 Re4000时， 可能是层流也可能是湍流，取决与外部条件。,2）、雷诺数的计算,例1-17 20oC的水在内径为50mm的管内流动，流速为2m/s，试计算雷诺数Re。,查附录六 20oC的水的密度 黏度,在实际工业生产计算中， Re2000时即按湍流计算。,属湍流。,3、层流与湍流,1）、流动类型的判别 Re2000 时，,层流特点：
3、管内流体质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。,3）、层流特点（laminar flow),层流特点：管内流体质点沿管轴作有规则的平行运动，,湍流的特点：流体质点除了沿管轴方向向前运动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点相互碰撞和混合。质点的脉动是湍流最基本的特点。,4）、湍流特点 ( viscous flow ),湍流的特点：流体质点除了沿管轴方向向前运动外，还有径,1.流体在圆管内层流时的速度分布,（1）速度分布方程如右图，当力平衡时有 p1A = p2A + A侧, p1 r2 = p2 r2 + 2 rlr,1.4.2 流体在圆管内的速度分布,
4、1.流体在圆管内层流时的速度分布p1p2lR（1）速度分布,代入边界条件：r =R 时，u = 0 r= 0 时，u = umax,其中：,代入边界条件：r =R 时，u = 0,（2）平均速度u,dV = urdA = 2 rurdr,（2）平均速度uRrr+drdV = urdA = 2 r,2.流体在圆管内的湍流时速度分布,(1)稳定流动时湍流分布的形状,其形状与Re的大小有关Re 湍流程度加剧 顶部越平坦,（2）湍流速度分布方程,Re n 4104Re1.1105时, n=61.1105Re3.2106时，n=7Re3.2106时， n=8,2.流体在圆管内的湍流时速度分布(1)稳定流
5、动时湍流分布的形,（3）流体在圆管内湍流流动时的速度分布关系图,（3）流体在圆管内湍流流动时的速度分布关系图,1.4.3 边界层的概念,1、边界层概念：普兰德（Prandtl)1904年提出：实际流体流经固体壁面时，由于粘性力的存在，必然会在紧靠壁面处，形成一层极薄的流体膜附着于其上，且在壁面上其流速为零，处于静止，而在其上方与流动方向相垂直的方向上存在很大的速度梯度，这一存在速度梯度区域称为流动边界层，简称边界层。,原因：流体具有粘性又能完全润湿壁面，则粘附在壁面上静止的流体层与其相邻的流体层间产生内摩擦，形成了速度梯度。,1.4.3 边界层的概念 1、边界层概念：普,2、边界层的形成与发展
6、,由于壁面摩擦力及粘滞力影响，流体进入后边界层由薄到厚，相互影响，直至发展为稳定的流动类型。,2、边界层的形成与发展 由于壁面摩擦力及粘滞力,3、 流体在圆形直管的进口段内的流动,滞流与湍流边界层,如图示：距管进口的距离x0称为稳定段长度或进口段长度。在稳定段以后，各截面速度分布曲线形状不随x而变，称为完全发展了的流动。一般取： x0=(50100)d,3、 流体在圆形直管的进口段内的流动滞流与湍流边界层,4、边界层的分离,概念：边界层内的流体在某种情况下（例：固体壁面为曲面或与流动方向不平行）与固体壁面分离并产生倒流，这个现象称为边界层分离。,形成 A点：u=0，压强最高，动能静压能及克服阻
7、力；,P点：BP，流道逐渐扩大，u不断减小，p不断增大，到了P点，u=0，为分离点，P-P为分离面。此处为逆压强梯度。,B点：AB，流道逐渐缩小，u不断增加，P不断减小，B点压强最低，顺压强梯度；,4、边界层的分离 概念：边界层内的流体在某种情,总结：,1、雷诺数及流体流动形态判别2、流体阻力产生的原因,总结：1、雷诺数及流体流动形态判别,5）非稳态流动系统的计算,例1-16 本题附图所示的开口贮槽内液面与排液管出口管间的垂直距离h1为9m，贮槽的内径D为3m，排液管的内径d0为0.04m；液体流过该系统的能量损失可按hf=40u2计算，式中u为流体在管内的流速。试求经过4h后贮槽内液面下降的
8、高度。,5）非稳态流动系统的计算 例1-16 本题附图所示的开口贮,设F为瞬时进料率；D为瞬时出料率;dA为在d时间内的积累量；dh为在d时间内槽内液面下降的高度；u为液体在管内的瞬时流速。,解：在d时间内对该系统作物料衡算,则：,式中：,代入，得,在瞬间液面1-1与管子出口内侧截面2-2间列柏努利方程式，并以截面2-2为基准水平面，得：,设F为瞬时进料率；D为瞬时出料率;dA为在d,式中 Z1=h，Z2=0，u10，u2=u，p1=p2，hf=40u2,代入整理得,将式代入式，得,积分限：1=0，h1=9m；2=43600s=14400s，h2=hm。,故经过4h后贮槽内液面下降高度为9-5.62=3.38m。,式中 Z1=h，Z2=0，u10，u2=u，p1=p2，,
