【文章內容簡介】 邊界層理論 邊界層厚度： 流體速度達到來流速度 99％時的流體層厚度 對于層流邊界層： 2/1Re6 xx??xRe 為以坐標 x為特征長度的雷諾數(shù)，稱為當?shù)乩字Z數(shù)。 5/xx??對于湍流邊界層： ?? 0Re xux ?第三節(jié) 邊界層理論 () () ?在邊界層內，粘性力和慣性力的數(shù)量級相當： 邊界層內速度梯度很大，因此粘性剪切力是很大的；邊界層內流體速度減慢，其慣性力與層外相比小得多 ?流動邊界層內特別是層流底層內，集中了絕大部分的傳遞阻力。 因此，盡管邊界層厚度很小，但對于研究流體的流動阻力、傳熱速率和傳質速率有著非常重要的意義。 yudd?? ?? 通常，邊界層的厚度約在 的量級 10－ 3m 第三節(jié) 邊界層理論 工程上減少傳熱、傳質阻力的方法 ?適當?shù)?增大流體的運動速度 ，使其呈湍流狀態(tài)，以此降低邊界層中層流部分的厚度，從而強化傳熱和傳質， ?破壞邊界層的形成， 在流道內壁做矩形槽，或在管外壁放置翅片，以此破壞邊界層和形成，減少傳熱和傳質阻力。 第三節(jié) 邊界層理論 環(huán)狀邊界層 核心區(qū) 流動全部被固體邊界所約束 第三節(jié) 邊界層理論 （二）圓管內流動的邊界層 二、邊界層的形成過程 充分發(fā)展段 環(huán)狀邊界層 當 u0較小時 ，進口段形成的邊界層匯交時，邊界層是層流，以后的 充分發(fā)展段則保持層流流動，速度分布呈拋物線型 拋物線型速度分布 層流流動 第三節(jié) 邊界層理論 當 u0較大 ，匯交時邊界層流動若已經(jīng)發(fā)展為湍流，則其下游的流動也為 湍流。速度分布不是拋物線形狀 。 在管內的湍流邊界層和充分發(fā)展的湍流流動中，徑向上也存在著 三層流體 ，即層流底層、緩沖層和湍流中心。 環(huán)狀邊界層 核心區(qū) 充分發(fā)展段 進口段 湍流流動 流層間影響較大 緩沖層 層流底層 湍流中心 第三節(jié) 邊界層理論 m a uu m ?8/db ??判別流動形態(tài)的雷諾數(shù)定義為 充分發(fā)展段邊界層的厚度等于管的半徑，并且不再改變。 湍流時圓管內層流底層的厚度，當 ?? 0Re du?當 Re2022時，管內流動維持層流 第三節(jié) 邊界層理論 () 進口段附近的摩擦系數(shù)最大 ，其后沿流動方向平緩減少，并趨于流動充分發(fā)展后的不變值。因此，實際工程中區(qū)分進口段是非常重要的。 進口段長度用 le來表示。無量綱的進口段長度 是雷諾數(shù)的函數(shù) eld0. 05 75 Reeld ?（ 2）湍流， 目前尚無適當?shù)挠嬎愎?，一些實驗研究表明? 管內湍流邊界層的進口段長度大致為 50倍管徑。 （ 1）層流 ，由理論分析可得 第三節(jié) 邊界層理論 邊界層與固體壁面相脫離 —— 邊界層分離 流動中產生大量旋渦 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 繞過鈍體的穩(wěn)態(tài)流動 鈍體尾部上的邊界層 邊界層與固體壁面相脫離 內部充滿旋渦 導致流體能量大量損失，是粘性流動流動時產生能量損失的重要原因之一 第三節(jié) 邊界層理論 當流體流過表面曲率較大的曲面時 三、邊界層分離 (一 )現(xiàn)象 流體流過表面曲率較大的曲面時， 邊界層外流體的速度和壓強均沿流動方向發(fā)生變化 ，邊界層內的流動會受到很大影響 流道斷面變化 流速變化 壓強變化 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 (二 )過程 分離點 逆壓區(qū) 流體慣性力與壓強差克服流體的粘性力 順壓區(qū) 流體慣性力克服粘性力和逆壓強 流體質點的速度逐漸減小 D點近壁面處流體質點速度為零 D點之后 ? 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 分離點 尾流 壁面附近的流體發(fā)生倒流并產生旋渦－尾流區(qū) （ 1）壁面附近的流體速度方向相反，發(fā)生倒流 （逆壓梯度） D點之后： （ 2）產生旋渦 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 分離點 粘性作用 和存在 逆壓梯度 是流動分離的兩個必要條件 順壓區(qū) 逆壓區(qū) 尾流 流體的慣性力、粘性力、壓強差之間的關系 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 (三 )條件 層流邊界層和紊流邊界層都會發(fā)生分離 在相同的逆壓梯度下， 層流邊界層和紊流邊界層哪個更容易發(fā)生分離？ （由于層流邊界層中近壁處速度隨 y的增長緩慢，逆壓梯度更容易阻滯靠近壁面的低速流體質點） Re值影響分離點的位置 湍流邊界層的分離點 延遲產生 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 (四 )流態(tài)的影響 邊界層分離 形體阻力： 物體前后壓強差引起的阻力 形成 湍流邊界層時，形體阻力大小 ? 較小 因為分離點靠后，尾流較小 是產生 形體阻力 的主要原因 。 —— 形成尾流區(qū) —— 形體阻力增加 第三節(jié) 邊界層理論 三、邊界層分離 第三節(jié) 邊界層理論 (1)什么是流動邊界層？邊界層理論的要點是什么？ (2)簡述湍流邊界層內的流態(tài)，以及流速分布和阻力特征。 (3)邊界層厚度是如何定義的？簡述影響平壁邊界層厚度的因素，并比較下列幾組介質沿平壁面流動時，哪個邊界層厚度較大： ； ； (4)為什么管道進口段附近的摩擦系數(shù)最大？ (5)簡述邊界層分離的條件和過程。流體沿平壁面的流動和理想流體繞過圓柱體流動時是否會發(fā)生邊界層分離？ (6)當逆壓梯度相同時，層流邊界層和湍流邊界層分離點的相對位置如何 ?請解釋其原因。 思考題 一、阻力損失的影響因素 二、 圓直管內流動的沿程阻力損失 三、管道內的局部阻力損失 本節(jié)的主要內容 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 (一 )阻力損失起因： 阻力損失的大小取決于 流體的物性、流動狀態(tài) 和 物體表面的粗糙度、幾何形狀等 。 （ 1）內摩擦造成的摩擦阻力 （ 2）物體前后壓強差造成的形體阻力 摩擦阻力： (二 )阻力損失的影響因素： 形體阻力： 湍流時，摩擦阻力較層流時大。但與層流時相比，分離點后移，尾流區(qū)較小，形體阻力將減?。? 層流時摩擦阻力小，但尾流區(qū)較湍流時大，形體阻力較大。 （ 1）流態(tài)的影響： 邊界層內的流動狀態(tài)， 邊界層的厚度 物體前后壓強差 ， 邊界層分離，尾流區(qū)域的大小 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 一、阻力損失的影響因素 管道內的流動過程阻力 流體流經(jīng)直管－沿程損失 流體流經(jīng)彎管－局部阻力損失 粗糙表面摩擦阻力大。但是，當表面粗糙促使邊界層湍流化以后，造成分離點后移，形體阻力會大幅度下降，此時總阻力反而降低。 （ 2）物體表面的粗糙度的影響 尾流區(qū)的大小 形體阻力 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 (二 )阻力損失的影響因素： （ 3）幾何形狀的影響 (一 )阻力損失通式 不可壓縮 流體在一水平圓直管內作 穩(wěn)態(tài)流動 流體柱受力平衡 靜壓力 內摩擦力 4)(221dpp ??dls??dldpp s??? ?? 4)(221sdlpp ?421 ??根據(jù)機械能衡算方程 ????? ff hppp ?21直管中的壓力降是流動阻力的體現(xiàn) 284 22mmssfudludlp ???? ???第四節(jié) 流體流動的阻力損失 二、圓直管內流動的沿程阻力損失 () 28msu??? ?22mfudlp ????摩擦系數(shù)，是流體的物性和流動狀態(tài)的函數(shù)，為無因次數(shù) 范寧公式 28msu??? ?284 22mmssfudludlp ???? ???22mf udlh ????第四節(jié) 流體流動的阻力損失 (一 )阻力損失通式 () (二 )圓管內層流流動速度分布和阻力損失 流場中各點的速度－微觀尺度上分析 取一流體微元，半徑為 r，長度為 dl r r0 流體微元受力分析 21 rpP ?? 22 ddd rllppP ??????? +??)d2( lrF ????0)d2(ddd 22 ???????? +? lrrllpprp ????02dd ??? ?rlprudd?? ??層流流動 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 () () ?????????????????? 20m a x 1 rruu)(dd4 1 220 rrlpu ??? ?2m a xuum ?urrlp d2ddd ??0rr ?時， 0?u 在管中心處， r＝ 0，流體流速最大 200m a x dd41 rzpuur ???? ?拋物線型 maxu 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 () () () ?????????????????? 20m a x 1 rruu)(dd4 1 220 rrlpu ??? ?2m a xuum ?lr up m d8d 20???22mfudlp ????20218rlupp m???對于水平直管無外力輸入不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動，有 fppp ??? 21積分 220328dlurlup mmf?? ??? Re64?? 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 () () () ?? du m?Re流體在圓形直管內層流流動時 : 阻力損失與流速成正比， 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)成反比。 Re64??220328dlurlup mmf?? ??? 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 () 湍流流動中存在流體質點的隨機脈動 ，流體之間相互影響較大， 剪應力除了由分子運動引起外，還由質點脈動引起。 總的剪切應力為 ? ? yuyu e f ft dddd ???? ? ??+??渦流粘度不是物性，受流體宏觀運動的影響 質點脈動 流體內摩擦力受流體宏觀運動的影響 湍流 復雜 質點脈動是 決定流體內摩擦力大小的主要因素 (三 )圓管內湍流流動速度分布和阻力損失 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 nrruu10m a x 1 ???????? ??n值與 Re的大小有關： 當 4 104Re 105時， n＝ 6 105Re 106時， n＝ 7 Re 106時， n＝ 10 湍流流動中，由于流體質點的強烈摻混，使截面上靠管中心部分各點速度彼此拉平，速度分布較為均勻，其速度分布曲線不再是拋物線型。 經(jīng)驗公式 maxu 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 () 平均流速為 ? ? ? ?? ? ? ?220 m a x 2m a x2021 2 1 21 2 1mnrunnQnuuA r n n??++? ? ?++在流體輸送中通常遇到的 Re范圍內， n值約為 7，此時 m a uu m ?710m a x 1 ??????????rruu 1/7次方定律 通過圓管截面的體積流量為 ? ? ? ?00122m a x 0 m a x00022 d 2 1 d1 2 1nrr rnQ ru r u r r r ur n n? ? ???? ? ? ???++???? 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 () () )(R e , d??? ?管道相對粗糙度 管壁的絕對粗糙度 均勻直管 阻力損失 經(jīng)驗式 hffddudLKup ?????????????????????? ? ???? 222mfudlp ????凸出的平均高度 第四節(jié) 流體流動的阻力損失 (三 )圓管內湍流流動速度分布和阻力損失 () () 通過實驗可以獲得摩擦系數(shù)與 Re 和管道相對粗糙度 d/? 的關系