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1、流体黏性具有较大差别有一大类流体遵循牛顿定律牛顿流体,所有气体和大多数低分子量的液体均属于牛顿流体，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等,泥浆、中等含固量的悬浮液,第二节 流体流动的内摩擦力,(三)流体类别,橡胶、油漆等,浓淀粉糊、生面团等,非牛顿流体：,第二节 流体流动的内摩擦力,(三)流体类别,泥浆：粘塑性流体 宾汉模型,环境工程中重要的流体介质：水、气、泥浆,流体分类及剪切应力计算式,第二节 流体流动的内摩擦力,液体防弹衣 主要成分是一种特制“抗剪稠密液体（STF）”，含有大量悬浮在聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。正常情况下，STF就像其他液体一样，很柔软，可以变形。一旦弹片或弹头触到它，
2、这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料，阻止弹体穿过。,第二节 流体流动的内摩擦力,可以在液体上跳舞吗？,典型的非牛顿流体：,第二节 流体流动的内摩擦力,层流流动 分层流动，各层之间相互影响和作用较小，剪切应力主要是由分子运动引起的。,湍流流动 存在流体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪切应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。,质点脉动引起的剪切应力,以平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度,质点脉动引起的动力黏性系数涡流黏度,总的剪切应力为,(四)流态对剪切应力的影响,(3.2.8),(3.2.9),涡流黏度不是物性，受流体宏观运动影响,第二节 流体流动的内摩擦力,（1）简述层流和湍
3、流的流态特征。（2）什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。（3）流体流动时产生阻力的根本原因是什么？（4）什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？（5）简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。,思考题,一、流体的流动状态二、流体流动的内摩擦力,本节的主要内容,第二节 流体流动的内摩擦力,要点：流体的内摩擦力的概念 牛顿黏性定律及其适用条件 动力黏性系数 流动状态对剪切应力的影响,层流（滞流）：不同径向位置的流体微团各自以确定的速度沿轴向分层运动，层间流体互不掺混。流速较小时,湍流（紊流）：各层流体相互掺混，流体流经空间固定点的速度随时间不规则地变化，流体
4、微团以较高的频率发生各个方向的脉动。当流体流速增大到某个值之后,（一）流体流动的两种运动状态,临界雷诺数,第二节 流体流动的内摩擦力,一、流体的流动状态,第二节 流体流动的内摩擦力,对于圆管内的流动：Re4000时，一般出现湍流型态，称为湍流区；2000Re4000 时，有时层流，有时湍流，处于不稳定状态，称为过渡区；取决于外界干扰条件。,（1）实际流体具有黏性,容器中被搅动的水最终会停 止运动,在空气中摆动的物体，随着时间的推移，摆动不断衰减，最终会停止。,黏性：在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质,第二节 流体流动的内摩擦力,二、流体流动的内摩擦力,(一)牛顿黏性定律,现象（1）
5、：,结论（1）：,（2）流动的流体内部存在相互作用力,？,第二节 流体流动的内摩擦力,剪切力：流体内部相邻两流体层的相互作用力，也称为内摩擦力、黏性力剪切应力：单位面积上所受到的剪切力,现象（2）：,结论（2）：,层流流动的分子存在不规则热运动,发生分子动量传递,相邻两层流体动量不同,使相邻两流体层产生相互作用力,黏性流体，圆心处施加力使其流动,黏性流体的内摩擦实验,紧贴板表面的流体与板表面之间不发生相对位移，称为无滑移,u=0,u=0,u=0,u=U,F,u=U,u=0,t=0,第二节 流体流动的内摩擦力,各层流体之间存在相互作用,u=U,u=0,速度分布,流体内部：内摩擦力（剪切力）,固体
6、壁面：壁面摩擦力（剪切力),Y,第二节 流体流动的内摩擦力,第二节 流体流动的内摩擦力,欲维持上板的运动，必须有一个恒定的力F作用于其上。如果流体呈层流运动，则,作用于单位面积上的力正比于在距离Y内流体速度的减少值。,流体速度的减少值（U-uU）,(3.2.2),牛顿黏性定律,动力黏性系数，或称动力黏度，黏度，,剪切应力，N/m2,垂直于流动方向的速度梯度，s-1,负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反,微分形式：,第二节 流体流动的内摩擦力,反映了流体流动时的角变形速率,因此，牛顿黏性定律又揭示了剪切应力与角变形速率成正比,第二节 流体流动的内摩擦力,经过时间dt后，流体微元体产生变形,
7、单位法向速度梯度下，由于流体黏性所引起的剪切应力的大小,运动黏度,m2/s,黏度是流体的物理性质,第二节 流体流动的内摩擦力,(二)动力黏性系数,(3.2.5),黏度是影响剪切应力的重要因素,黏度随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化,（1）流体种类：一般地，相同条件下，液体的黏度大于气体的黏度。,（2）压强：气体的黏度随压强的升高而增加，低密度气体和液体的黏度随压强的变化较小。,对常见的流体，如水、气体等,黏度随压强的变化不大，一般可忽略不计。,黏度的影响因素,（3）温度：是影响黏度的主要因素。,第二节 流体流动的内摩擦力,水及空气在常压下的黏度,当温度升高时，液体的黏度减小，气体的
8、黏度增加,第二节 流体流动的内摩擦力,解：设液层分界面上的流速为u，则剪切应力分布：,上层,下层,在液层分界面上,【例题1】两平板间有两种互不相溶的液体分层流动，设液体流动为层流，且流速按直线分布。绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。,上层,下层,流速分布：,第二节 流体流动的内摩擦力,u,哪个大？,问题：,【例题2】一块底面积为40 45cm2、高为1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。,mg sinA=0,解：对木块进行受力分析,第二节 流体流动的内摩擦力
9、,流体黏性具有较大差别有一大类流体遵循牛顿定律牛顿流体,所有气体和大多数低分子量的液体均属于牛顿流体，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等,泥浆、中等含固量的悬浮液,第二节 流体流动的内摩擦力,(三)流体类别,橡胶、油漆等,浓淀粉糊、生面团等,非牛顿流体：,第二节 流体流动的内摩擦力,(三)流体类别,泥浆：粘塑性流体 宾汉模型,环境工程中重要的流体介质：水、气、泥浆,流体分类及剪切应力计算式,第二节 流体流动的内摩擦力,液体防弹衣 主要成分是一种特制“抗剪稠密液体（STF）”，含有大量悬浮在聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。正常情况下，STF就像其他液体一样，很柔软，可以变形。一旦弹片或弹头触到它
10、，这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料，阻止弹体穿过。,第二节 流体流动的内摩擦力,可以在液体上跳舞吗？,典型的非牛顿流体：,第二节 流体流动的内摩擦力,层流流动 分层流动，各层之间相互影响和作用较小，剪切应力主要是由分子运动引起的。,湍流流动 存在流体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪切应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。,质点脉动引起的剪切应力,以平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度,质点脉动引起的动力黏性系数涡流黏度,总的剪切应力为,(四)流态对剪切应力的影响,(3.2.8),(3.2.9),涡流黏度不是物性，受流体宏观运动影响,第二节 流体流动的内摩擦力,（1）简述层流和
11、湍流的流态特征。（2）什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。（3）流体流动时产生阻力的根本原因是什么？（4）什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？（5）简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。,思考题,第三节 边界层理论,本节主要内容,一、边界层理论的概念二、边界层的形成过程三、边界层的分离,第三节 边界层理论,要点：（1）边界层理论 什么是边界层？为什么会形成边界层？研究边界层的意义？边界层理论要点、平板上和圆直管内边界层的形成过程、边界层的厚度、进口段长度（2）边界层分离 边界层分离的概念、分离的条件及影响分离点的影响因素,速度变化比较大、黏性力不
12、能忽略的区域边界层,1904年，普兰德（Prandtl）提出了“边界层”概念，认为即使对于空气、水这些黏性很低的流体，黏性也不能忽略，但其影响仅限于壁面附近的薄层，即边界层；离开表面较远的区域，则可视为理想流体。,边界层,理想流体,u0,y,x,第三节 边界层理论,一、边界层的概念,实际流体的流动具有两个基本特征：,(1)在固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零，这一特征称为流动的无滑移（黏附）特征,(2)当流体之间发生相对运动时，流体之间存在剪切力,流体流过壁面时,在壁面附近形成速度分布,第三节 边界层理论,为什么会形成边界层？,流体在两平板间层流流动,流体流过平壁面,一、边界层的概念,流
13、速很小，速度梯度很大,边界层,因剪切应力而受阻减速,无滑移,u0,y,x,第三节 边界层理论,一、边界层的概念,为什么会形成边界层？,分界面,u=0.99u0,边界层分界面：流体速度达到来流速度99时的流体层,（2）在边界层内，黏性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性；,普兰德边界层理论要点：,（1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域，流体的流速很小，但速度梯度很大边界层；,第三节 边界层理论,（3）在边界层外的整个流动区域，法向速度梯度很小，黏性力很小。在大Re情况下，可将黏性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动。,（4）大R
14、e情况下，流动分为两个区域，流动的阻力发生在边界层内,边界层流动边界层速度边界层,边界层,理想流体,与速度梯度有关,流动阻力,形体阻力,传热、传质速率,传热、传质阻力,边界层理论,摩擦阻力,流体流动状态流场速度分布,传热、传质机理,第三节 边界层理论,是分析阻力机理、进行阻力计算的基础是分析热量、质量传递机理和强化措施的基础,研究边界层的意义？,层流边界层,速度梯度大黏性力大,第三节 边界层理论,（一）绕平板流动的边界层 1.绕平板流动的边界层的形成,二、边界层的形成过程,边界层的厚度从平板前缘开始不断增加。在厚度较小处，流动为层流，称为层流边界层,边界层流态始终为层流,边界层流态由层流发展为
15、湍流,第三节 边界层理论,二、边界层的形成过程,与局部Re数有关,当Re数超过某个值时，边界层内的流动变得不稳定，进而发生流态的转变,层流边界层,湍流边界层,过渡区,速度梯度大黏性力大,临界距离,速度梯度减小，黏性力下降，扰动迅速发展,湍流中心,缓冲层,厚度突然增加,第三节 边界层理论,层流底层(黏性底层),（一）绕平板流动的边界层 1.绕平板流动的边界层的形成,二、边界层的形成过程,边界层的厚度继续增加,临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝，越短,临界雷诺数,对于平板，临界雷诺数的范围为31052106，通常情况下取5105,边界层流态的判别：,第
16、三节 边界层理论,2.边界层内的流动状态,二、边界层的形成过程,注意：层流边界层和层流底层的区别,层流边界层,湍流边界层,层流内层,边界层界限,u0,u0,u0,x,y,层流边界层：边界层内的流动类型为层流湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流层流底层：边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流,二、边界层的形成过程,第三节 边界层理论,2.边界层内的流动状态,层流边界层,发展为湍流边界层,第三节 边界层理论,二、边界层的形成过程,在同样外流速度下，湍流边界层的壁面摩擦力比层流边界层大得多。,因为湍流边界层内流体质点的横向脉动使外层中快速运动的质点到达壁面附近，因
17、而动量交换比分子扩散强烈得多。,u=0.99u0,u=0.99u0,边界层的厚度,x,x,随着x增大，边界层不断增厚,第三节 边界层理论,3.边界层厚度,边界层厚度：流体速度达到来流速度99时的流体层厚度,对于层流边界层：,为以距板前缘距离x为特征长度的雷诺数当地雷诺数,对于湍流边界层：,第三节 边界层理论,(3.3.1),(3.3.2),边界层的厚度是Re的函数,讨论：边界层的厚度的影响因素,（1）流体的物性（，等）,（2）流道几何尺寸距离前端的位置,（3）流速,在边界层内，黏性力和惯性力的数量级相当：速度梯度很大 流体速度较小,流动边界层内特别是层流底层内，集中了绝大部分的传递阻力。因此，
18、尽管边界层厚度很小，但对于研究流体的流动阻力、传热速率和传质速率有着非常重要的意义。,第三节 边界层理论,黏性剪切力很大,惯性力与层外相比小得多,103m,例如：工程上减少传热、传质阻力的方法,适当的增大流体的运动速度，使其呈湍流状态，以此降低边界层中层流部分的厚度，从而强化传热和传质,破坏边界层的形成，在流道内壁做矩形槽，或在管外壁放置翅片，以此破坏边界层和形成，减少传热和传质阻力,第三节 边界层理论,环状边界层,核心区,流动全部被固体边界所约束,第三节 边界层理论,（二）圆管内流动的边界层1.圆直管内边界层的形成,二、边界层的形成过程,边界层：受内摩擦影响而产生较大速度梯度的区域，u=0.
19、99u0边界层发展：边界层厚度 随流动距离增加而增加流动充分发展：边界层不再改变，管内流态也维持不变充分发展的管内流态，取决于汇合点处边界层内的流动属于层流还是湍流,第三节 边界层理论,le,充分发展段,环状边界层,当u0较小时，进口段形成的边界层汇交时，边界层是层流，以后的充分发展段则保持层流流动，速度分布呈抛物线型,1.圆直管内边界层的形成,抛物线型速度分布,层流流动,第三节 边界层理论,当u0较大，汇交时边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速度分布不是抛物线形状。,在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中，径向上也存在着三层流体，即层流底层、缓冲层和湍流中心。,环状边界层,核心区,充分发展段,进口段,湍流流动,流层间影响较大,缓冲层,层流底层,湍流中心,第三节 边界层理论,判别流动形态的雷诺数定义为,当Re2000时，管内流动维持层流,第三节 边界层理论,层流时,湍流时,充分发展段，不管层流还是湍流，边界层厚度等于圆管半径，并且不再改变。,湍流时，圆管内层流底层的厚度，当,2.边界层厚度,第三节 边界层理论,
