化工原理 I

1. 化工原理I 黄淮学院：张景迅

2. 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 湍流的基本特征（了解） 边界层及边界层脱体（理解） 圆管内流体运动的数学描述（掌握） 流动的类型（掌握） 1.4 流体流动的内部结构

3. 1.4.1 流动的类型 一、雷诺实验 滞流或层流 湍流或紊流

4. 层流 • 通过雷诺实验观察到两种流型——层流和湍流。 • 层间互不掺混（分子扩散），分层流动，微团 不交换；又称滞流。 1.4.1 流动的类型 二、流动类型 • 湍流 • 微团随机脉动，层间掺混（漩涡传递）；又称紊流。 • 漩涡传递>分子传递 （几个数量级）。

5. 1.4.1 流动的类型 三、流型判断依据——雷诺数Re 雷诺数定义式 ： 雷诺数因次 ： Re是一个没有单位，没有因次的纯数 ，即无量纲的数群。 在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。 雷诺准数可以判断流型。

6. 1.4.1 流动的类型 三、流型判断依据——雷诺数Re 流体在圆形直管内流动时： Re<2000时，流体的流动类型属于滞流 ； Re>4000时，流体的流动类型属于湍流； 2000<Re<4000时， 可能是滞流，也可能是湍流，与外界条件有关——过渡区。 物理意义：惯性力/黏性力。 严格讲上述判据是稳定性的判据， Re<2000时，干扰出现流动偏离层流，干扰消失，又恢复为层流。层流是稳定的。 定态性指运动参数与时间的关系；稳定性指系统对外界干扰的反应。

7. 1.4.1 流动的类型 例：20ºC的水在内径为50mm的管内流动，流速为2m/s，试计算Re数的数值。 解：从附录查得20ºC时：ρ=998.2kg/m3，μ=1.005mPa·s。 又管径d=0.05m，流速u=2m/s。

8. 1.4.2 湍流的基本特征 一、时均速度与脉动速度 在某一点测定该点沿管轴方向的流速u随时间的变化，如下图所示波形。 速度=时均速度+脉动速度（ ）

9. 1.4.2 湍流的基本特征 二、湍流的强度和尺度 湍流：主体流动+各种大小、强弱的旋涡。 湍流强度: 或 两点间的相关系数： 湍流尺度： 两点间的距离为 y：

10. 1.4.2 湍流的基本特征 三、湍流粘度 • 层流时 ，式中 是指分子粘度，反映了分子引力和分子运动造成的动量传递。 • 湍流时，动量传递不仅起因于分子运动，且来源于流体质点的横向脉动，故不服从牛顿粘性定律，若仍用其形式，则： 湍流粘度，不是流体的物理性，而是表示速度脉动的一个特征，与流场即流体质点的位置有关，无法试验测定或理论计算。

11. 1.4.3 边界层及边界层脱体 一、边界层 1、边界层的形成 实际流体μ≠0，壁面无滑脱。 主流区 边界层区

12. 1.4.3 边界层及边界层脱体 一、边界层 2、流体在平板上的流动及边界层的概念 边界层——流动流体受固体壁面阻滞而造成速度梯度的区域；亦即流速降为未受影响流速的99%以内的区域 。

13. 1.4.3 边界层及边界层脱体 2、流体在平板上的流动及边界层的概念 对于层流边界层： 对于湍流边界层： 边界层内的流动为层流 ； 边界层内的流动为湍流。 在平板前缘处，x=0，则δ=0。随着流动路程的增长，边界层逐渐增厚；随着流体的粘度减小，边界层逐渐减薄。

14. 1.4.3 边界层及边界层脱体 一、边界层 3、流体在圆形直管进口段的流动 流体在圆管内流动时，边界层汇合处与管入口的距离称作入口段长度，或稳定段长度。 一般层流时通常取稳定段长度L0=(50-100)d，湍流时稳定段长度约于(40-50)d。 入口段阻力大、传热、传质快。

15. 湍流区 • 远离壁面的湍流核心， ，流体质点的脉动剧烈，流动充分显示其湍流特征。 1.4.3 边界层及边界层脱体 二、湍流时的层流内层和过渡层 • 层流内层 • 靠近壁面附近一层很薄的流体层， ，主要由分子运动造成动量传递，可以忽略湍流粘度的影响。 不管是平板上的流动还是管内流动，若流体主体为湍流，都可分为以下几个区域： • 过渡层 • 在湍流区和层流区之间， ，流体质点的脉动和分子运动对流动都有影响。

16. 1.4.3 边界层及边界层脱体 二、湍流时的层流内层和过渡层 为简化起见，常忽略过渡层，将湍流流动分为湍流核心和层流内层两部分。 层流内层一般很薄，其厚度随Re的增大而减小。在湍流核心内，径向的传递过程因速度的脉动而大大强化。而在层流内层中，径向的传递只能依赖于分子运动。因此，层流内层成为传递过程主要阻力之所在。

17. 流速为零 加速减压 压强最大 减速加压 1.4.3 边界层及边界层脱体 三、边界层的分离现象 如图所示流体绕过圆柱流动的情形 A点 驻点 B点(u→max，p→min) C点(u=0，p→max) 边界层分离

18. 1.4.3 边界层及边界层脱体 三、边界层的分离现象 边界层脱体的后果： (1)产生大量的旋涡； (2)造成较大能量损失。 边界层脱体的条件: (1)逆压强梯度； (2)外层动量来不及传入。 如：平板不会发生脱体（无倒压区），流线型物体也不发生脱体。 尾部收缩缓慢，动量来得及传入。

19. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 一、流体受力分析 两端面上所受压力为： 外表面上的剪切力为： 圆柱体的重力为：

20. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 一、流体受力分析 均匀直管内定态流动，所受外力之和必为零： 将所受各力表达式代入上式： 其中 ，则化简： 剪应力与流动截面形状、流体性质和流动类型等无关，并且可以发现 ： 。

21. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 二、层流时的速度分布、平均速度及动能校正系数 1、管内层流时速度分布 为负，为保证为正，加负号。 将剪应力分布表达式代入上式得：

22. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 二、层流时的速度分布、平均速度及动能校正系数 代入上式得： ——层流流动时圆管内速度分布式

23. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 二、层流时的速度分布、平均速度及动能校正系数 2、管内层流平均速度及动能校正系数 即层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半 。 利用上述类似的方法，可以得到动能校正系数=2.0.

24. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 三、湍流时的速度分布、平均速度及动能校正系数 1、管内湍流时速度分布 湍流条件下：由于 的困难而无法解析解,实测后归纳为经验式： ——湍流流动时圆管内速度分布式 4×104<Re<1.1×105时，n=1/6； 1×105<Re<3.2×106时，n=1/7； Re>3.2×106时，n=1/10。 通常n=1/7，又称七分之一率公式。

25. 1.4.4 圆管内流体运动的数学描述 三、湍流时的速度分布、平均速度及动能校正系数 2、管内湍流平均速度及动能校正系数 一般在发达的湍流情况下： 湍流速度分布比较均匀，层流内层很薄，动能校正系数 ≈ 1。

26. 1.4 流体流动的内部结构 总结：层流和湍流的区别 层流 湍流 （1） （2） （3）无微团作径向运动 有微团作径向运动 （4）层流层从中心到管壁 层流内层附壁 （5）

27. 1.4 流体流动的内部结构 总结：层流和湍流的区别 （6）与 无关 与 有关 （7） （8）传热、传质慢 传热、传质快 层流和湍流的本质区别: 是否存在速度、压强的脉动性！

28. 1.4 流体流动的内部结构作业 本次讲课习题： 第一章 21

29. 完