页数：32页文件大小：640.8 KB来源： 化工原理ppt课件
本课件对应《化工原理》第四节 流体流动的内部结构，沿第四节一、流动的型态主线展开，系统梳理湍流、层流等核心概念、公式推导与工程计算思路，并配合图示说明典型设备结构与操作要点，可用于课前预习、课堂对照与课后复习。
第四节一、流动的型态
流体流动的内部结构雷诺实验第四节一、流动的型态1、两种流型
雷诺实验
揭示了一个重要事实：流体在管路中存在着截然不同的流型。
层流和湍流层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
流型的判据
2、流型的判据——雷诺数Re对管流而言，实验表明：流动的几何尺寸(管径d)、流动的平均速度u及流体性质(密度ρ和粘度µ)对流型从层流到湍流的转变有影响。这些影响因素综合成一个无因次的数群作为流型的判据，此数群被称为雷诺数：Re=dρuμ
流动可能是层流
判断流型Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000<Re<4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，依赖于外界扰动的情况。
该区称为不稳定的过渡区。
三个区，只有两种流型。
流体流动
稳定性：指抗外界干扰的能力层流是一种平衡状态，当Re≤2000时，层流是稳定的；Re超过2000时，层流不再稳定，但是否出现湍流取决于外界的扰动情况；Re>4000时，微小的扰动就可以触发流型的转变。
注意：三个区，只有两种流型3、物理意义Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。
二、湍流的基本特征
1.时均速度与脉动速度01T时均速度：ux=T∫uxdt速度脉动曲线t→∞时，时均速度与时间间隔无关，称为湍流时的定态流动。
湍流的基本特征
ux=ux+ux′uy=uy+uy′uz=uz+uz′湍流的基本特征：出现速度的脉动脉动速度是一个随机量，其值可正可负。
脉动速度的时均值为零。
对沿x方向的一维流动，uy、uz均为零，但脉动速度u′、u′仍然存在。
yz速度脉动加速了径向方向的动量、热量及质量传递。
uy′、uz′
湍流的强度和尺度
2.湍流的强度和尺度或R值介于0～1之间Rdy∞尺度定义：l=∫0xIu′2=xuxxu′2I=
牛顿粘性定律
3.湍流粘度dyτ=μduτ=(μ+μ′)duxdy上式只是保留了牛顿粘性定律的形式而已。
μ′与粘度完全不同，湍流粘度μ′已不再是流体的物理性质，而是表述速度脉动的一个特征，它随不同流场及离壁的距离而变化。
三、边界层及边界层脱体
uuux=0.99uou边界层区uououo主体区或外流区uoX0层流边界层三、边界层及边界层脱体1.边界层的形成与发展流体在平板上流动时的边界层
边界层
•边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。
•主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。
流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99％以内的区域。
边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。
边界层
湍流边界层μRe=ρu0x层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。
湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。
边界层{层流边界层
边界层
流体在圆管内流动时的边界层充分发展的边界层厚度为圆管的半径；进口段内有边界层内外之分。
也分为层流边界层与湍流边界层。
进口段
湍流：进口段长度：层流：x0d=0.05Rex0=40~50d
湍流流动时
2.湍流流动时：演示
湍流粘度
湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。——层流内层为传递过程的主要阻力Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。
边界层的分离
3.边界层的分离u0C倒’流DC分离点BxAA:驻点uA=0，PA最大B:驻点uA最大，PA=0
边界层分离
A→B：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；B→C：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；C点（驻点）：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。
uC=0PA最大；CC’以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。
边界层分离
的必要条件：流体具有粘性；流道扩大时造成逆压强梯度；逆压强梯度容易造成边界层分离。
边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能量损失。
流动方
向z1z2p2FgoR21lp1o2r
四、圆管内流体运动的数学描述
1.流体的力平衡2112F=πrpF=πrp压力2gF=πrlρg剪切力重力22F=2πrlτ流体在圆管内等速运动∑F=0F1−F2+Fgsinα−F=0
剪应力分布
2.剪应力分布221212121122lrrπrp−πrp+πr2lρz1−z2−2πrlτ=0p−p+ρg(z−z)=2lτ(p+ρgz)−(p+ρgz)=2lττ=℘1−℘2r2l——剪应力在园管中的分布
剪应力分布（续）
2lr=0,τ=0r=R,τ=℘1−℘2R最大
层流时的速度分布
3.层流时的速度分布层流时drτ=−μdu℘1−℘2r⋅dr=−μdu2l利用边界条件r=R时，u=0；积分上式得：4l4μl℘1−℘2∫Rrdr=−μ∫0duru−℘22lμu=℘1(R2−r2)−℘2u=℘1(R2−r2)
层流时的速度分布（续）
当r=0时maxmaxuR4μl4μl=℘1−℘2R2∫℘−℘r2u=12R2∫1−∫∬R∫r2=u1−∫∫∬结论：层流时圆管截面上的速度呈抛物线分布
层流时的平均速度
4.层流时的平均速度和动能校正系数αmax2AR2πR28μlR∫r22πrdrumax∫0∫1−R∫∬=1u=℘1−℘2u=∫AudA=结论：圆管内流体作层流流动时的平均速度为管中心（最大）速度的1/2。
动能校正系数
10max333∫∫1−∫α=2πrdrR3r2uπR2∫∬u3udA=uAR∫Aα=2.0结论：层流流动时，以平均速度u计算平均动能，动能校正系数α=2.0。
5.湍流时圆管内流体的速度dyμ'不是分子粘度，它随Re及离壁距离而变τ=−(μ+μ')du,
关联成经验式
湍流时，关联成经验式uRrn=1−umaxn与Re有关4×104<Re<1.1×1051.1×105<Re<3.2×106Re>3.2×106时时时101n=n=16n=17
速度分布
不论n取1/6或1/10，在管中心dyμ′>>μ,du（速度梯度）很小速度分布均匀，而不管湍流程度有多大，近壁面处总有一层流内层，在此处μ>>μ，′速度梯度较大。
分布如下图：湍流程度越大，速度分布越均匀。
动能校正系数
6.湍动时的平均速度及动能校正系数α在充分湍动情况下u=0.8umax层流内层很薄，可以认为湍流时速度分布均匀，即：α≈1
动能校正系数（续）
maxuurn=1−Ru=0.82umax层流时①②③湍流时①②③α≈1n与Re有关maxmaxR∫r2u=u1−∫∫∬u=1u2α=2结论
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