化工原理第一章流體流動課件(編輯修改稿)
2025-11-15 12:22 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ； Re4000，一般為湍流，為湍流區(qū)。 嚴(yán)格講上述判據(jù)是穩(wěn)定性的判據(jù)， Re2021時，干擾 出現(xiàn)流動偏離層流，干擾消失，又恢復(fù)為層流。層流是 穩(wěn)定的。 定態(tài)性指運動參數(shù)與時間的關(guān)系； 穩(wěn)定性指系統(tǒng)對外界干擾的反應(yīng)。 湍流的基本特征 湍流的基本特征 ——流體質(zhì)點在總體上作軸向運動的同時，還作徑向的隨機(jī)脈動。 瞬時流速 ux 時均速度 脈動速度 實際的湍流流動是在時均流動上疊加一個隨機(jī)脈動。 01 Tx xu u d tT? ?39。39。39。xxxyyyzzzu u uu u uu u u??????ux t T xu39。xu湍流的另一種描述 ——把湍流看作一個主體流動上疊加各種不同尺度、強(qiáng)弱不等的漩渦。 湍流強(qiáng)度： 其數(shù)值與旋渦的旋轉(zhuǎn)速度和包含的機(jī)械能有關(guān)。 無障礙的湍流場，湍流強(qiáng)度為 %~2%； 有障礙的湍流場，湍流強(qiáng)度為 5%~10%。 兩點脈動速度的相關(guān)系數(shù)： R＝ 0～ 1 湍流尺度： Re增大，湍流尺度減??；因此要打碎液滴，需高 Re。 39。239。2 o r xx x xuI u Iu??39。39。1239。 2 39。 212xxxxuuRuu?0l R d y?? ?湍流黏度： 湍流時牛頓型流體不再符合牛頓黏性定律，需對方 程進(jìn)行修正。式中的 μ ’ 稱為湍流黏度。它反映了速度 脈動對動量傳遞的影響。它不是流體的物性。 邊界層及邊界層脫體 邊界層：由于壁面的作用，近壁面處存在速度梯度。 通常定義 —— 流速降為未受邊壁影響流速（來流）的 99％以內(nèi)的區(qū)域未邊界層。 邊界層內(nèi)有速度梯度，需考慮黏度的影響； 邊界層外速度梯度可以忽略，無需考慮黏度影響。 39。() xdudy? ? ???邊界層中的流型也有層流與湍流之分。 判據(jù)仍為雷諾數(shù) 對于管流，在入口一段距 離后，邊界層在管中心匯 合。匯合時為層流，以后 仍為層流；匯合時為湍流， 以后仍為湍流。 入口端距離約為管徑的 40倍。 層流內(nèi)層 ——即使在高度湍流（大 Re），近壁面處仍 有一簿層保持著層流。 xdudyU0 U0 U0 xc 層流區(qū) 過渡區(qū) 湍流區(qū) 層流內(nèi)層 平板上的邊界層 50R e ( 5 10 )ux????臨 界 值 通 常 取邊界層分離現(xiàn)象 1）流道擴(kuò)大必造成逆壓強(qiáng) 梯度； 2）逆壓強(qiáng)梯度容易造成邊 界層分離； 3）邊界層分類造成大量旋渦， 大大增加機(jī)械能消耗。 圓管內(nèi)流體運動的數(shù)學(xué)描述 化工工程問題的一般處理方法： 過程分析：尋找過程特征 數(shù)學(xué)描述：建立平衡方程與過程的特征方程 聯(lián)立求解：解析求解 ， 實驗求解 結(jié)果分析：分析求解結(jié)果對工程的指導(dǎo)意義 l 2r R α p2 p1 Fg 流體的力平衡和剪應(yīng)力分布 該式對層流與湍流都適用。 212212()si n2002pgpgF p p rF r l gF rlFF F Frl???? ? ??????? ? ? ? ?? ? ??? ? ? ?????壓 強(qiáng) 力 ：重 力 ：剪 力 ：由 牛 頓 第 二 定 律 ： 勻 速 運 動PPR r 122 Rl? ?PPτ 層流時的速度分布 122212212m a x2m a x212m a x2()4( 0)4( ) 011 228rldudru R rlr u u Rlr R uruuRu u Rl?????????????? ? ??? ? ? ????????? ???????????? ? ?力 平 衡 方 程 ：層 流 特 征 方 程 ：聯(lián) 立 積 分 ：管 中 心 處 ：管 壁 處 ：速 度 分 布 ：層 流 時 點 速 度 沿 管 徑 的 分 布 為 拋 物 線 ( 圖 1 － 29 ）積 分 后 ， ＝ 。PPPPPPPP湍流的速度分布 1m a xm a xm a x2( 1 )( Re ) 1 / 6 ~ 1 / 10n 1 / 7,nrldudruruuRn f nuu?? ? ???????? ? ????????力 平 衡 方 程 ：湍 流 特 征 方 程 ： （ ）由 于 的 復(fù) 雜 性 ， 由 實 驗 測 定 湍 流 時 的 點 速 度 分 布管 中 心 點 速 度 最 大 ：各 點 速 度 ：，通 常 ＝ 該 公 式 又 稱 七 分 之 一 律 公 式 。一 般 在 發(fā) 達(dá) 的 湍 流 情 況 下 ：比 層 流 更 接 近 于 管 中 心 速 度 。 經(jīng) 積 分 1 。2PP 阻力損失 兩種阻力損失 化工管理主要由直管和管件組成，相應(yīng)地稱： 直管阻力損失（沿程阻力損失）和局部阻力損失。由 均勻直管機(jī)的械能衡算式可知 阻力損失表現(xiàn)為勢能的降低，水平管道是壓強(qiáng)的降低 。 層流時直管阻力損失 層流的勢能損失可由（ 1－ 68）求出： 寫出阻力損失為： 又稱 泊謖葉方程 fh ? ? ??? ? ? ? ?1 2 1 212( ) ( )pp z g z g P P??232dluhf ?232dlu??? P 湍流時直管阻力損失 湍流的情況復(fù)雜，沒有理論推導(dǎo)式；但可以由實驗得到經(jīng)驗式。 實驗研究的步驟： 1）析因?qū)嶒?—— 尋找影響因素 hf=f(d,L,u,μ ,ρ ,ε ) 2）規(guī)劃實驗 —— 減少實驗次數(shù) 量綱分析法（無因次數(shù)群間的關(guān)系） hf/u2=f(duρ /μ 、 L/d、 ε /d) 好處改變 Re只要改變 u，改變 L/d只要改變 L。 3）數(shù)據(jù)處理 —— 求取公式參數(shù) hf/u2= L/d?φ (duρ /μ 、 ε /d) 直管阻力損失的統(tǒng)一表達(dá)式 層流時： 湍流時： 把 λ ＝ 64/Re代入就是泊謖葉方程，上述兩個公式繪成 圖為圖 1－ 32。 可見： Re2021,阻力損失與流 速一次方正比； Re相當(dāng)大，阻力損失與 流速二次方正比。 22( Re , )?????fluhdfd64Re? ?1 2 18 .71. 74 2 l g( )Re???? ? ?dRe λ ε/d 阻力一次方區(qū) 阻力平方區(qū) 粗糙度對 λ 的影響 層流時，粗糙度
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