西北大学：《化工原理》课程教学资源（课件讲稿）第一章 流体流动 第四节 流体流动的内部结构

西北大学化工原理课件 第四节 流体流动的内部结构 一、流动的型态 雷诺实验 1、两种流型

西北大学化工原理课件 第四节 流体流动的内部结构 一、流动的型态 雷诺实验 1、两种流型

西北大学化工原理课件 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。 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

西北大学化工原理课件 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。 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

西北大学化工原理课件 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 d uρ μ =

西北大学化工原理课件 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 d uρ μ =

西北大学化工原理课件 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

西北大学化工原理课件 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

西北大学化工原理课件 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。 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

西北大学化工原理课件 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。 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

西北大学化工原理课件 二、湍流的基本特征 1. 时均速度与脉动速度 时均速度： 0 1 T x x u u dt T = ∫ 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

西北大学化工原理课件 二、湍流的基本特征 1. 时均速度与脉动速度 时均速度： 0 1 T x x u u dt T = ∫ 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

西北大学化工原理课件 x x x y yy z zz u uu u uu u uu = + ′ = + ′ = + ′ 湍流的基本特征：出现速度的脉动 速度脉动加速了径向方向的动量、热量及质量 传递。 y z u u ′ 、 ′ 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， 均为零，但脉动速度 仍然存在。 u u y z 、 y z u u ′ 、 ′

西北大学化工原理课件 x x x y yy z zz u uu u uu u uu = + ′ = + ′ = + ′ 湍流的基本特征：出现速度的脉动 速度脉动加速了径向方向的动量、热量及质量 传递。 y z u u ′ 、 ′ 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， 均为零，但脉动速度 仍然存在。 u u y z 、 y z u u ′ 、 ′

西北大学化工原理课件 2. 湍流的强度和尺度 或 尺度定义： R值介于 0 ～ 1之间 0 l Rdy ∞ = ∫ 2 x x u I u ′ = 2 x x I u = ′

西北大学化工原理课件 2. 湍流的强度和尺度 或 尺度定义： R值介于 0 ～ 1之间 0 l Rdy ∞ = ∫ 2 x x u I u ′ = 2 x x I u = ′

西北大学化工原理课件 3. 湍流粘度 ( ) x du dy du dy τ μ τ μμ = = + ′ 上式只是保留了牛顿粘性定律的形式而已。 与粘度完全不同，湍流粘度 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。 μ′ μ′

西北大学化工原理课件 3. 湍流粘度 ( ) x du dy du dy τ μ τ μμ = = + ′ 上式只是保留了牛顿粘性定律的形式而已。 与粘度完全不同，湍流粘度 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。 μ′ μ′

西北大学化工原理课件 流体在平板上流动时的边界层：  u   u u ux=0.99uo 边界层区 主体区或外流区 uo o u o u o u X 0 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

西北大学化工原理课件 流体在平板上流动时的边界层：  u   u u ux=0.99uo 边界层区 主体区或外流区 uo o u o u o u X 0 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