流体流动、传热边界层

1流体流动、传热边界层2基础知识流体质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。连续介质：质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间。在研究流体流动时，常摆脱复杂的分子运动和分子间相互作用，从宏观角度出发，将流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。连续介质假定31.流动性；2.无固定形状，随容器形状而变化；3.受外力作用时内部产生相对运动。1.不可压缩性流体：流体的体积不随压强而变化，受热时体积膨胀不显著。2.可压缩性流体：流体的体积随压强和温度发生显著变化。一般液体的体积随压强和温度变化很小，可视为不可压缩性流体；而对于气体，当压强和温度变化时，体积会有较大的变化，常视为可压缩性流体，但如果压强和温度的变化率不大时，该气体也可近似地按不可压缩性流体处理。流体主要特征流体种类4定态流动：流体流动系统中，若各截面上的温度、压强、流速等参量仅随所在空间位置变化，而不随时间变化。非定态流动：若系统的参变量不但随所在空间位置而变化而且随时间变化，则称为非定态流动。定态流动与非定态流动5定态流动系统的物料衡算—连续性方程111222sWuAuAuA常数（1）在定态流动系统中，流体流经各截面时的质量流量恒定6总能量衡算Wep2,u2,2p1,u1,12'21'10'0z2z1定态流动系统示意图第2节流体在管内的流动静力学柏努利方程式71．以单位质量流体为基准假设流体不可压缩，则；流动系统无热交换，流体温度不变，则。121vv0eQ21UUfehpugzWpugz222212112121（1-20）式（1-20）即为不可压缩实际流体的机械能衡算式，其中每项的单位均为J/kg。实际流体的机械能衡算8第3节流体在管内流动时的摩擦阻力产生流动阻力的原因——内摩擦流体的粘度9剪应力τ:单位面积上的剪力，单位为Pa。式（1-24）、（1-24a）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。dyudSF.dyud.dyud.（1-24）（1-24a）内摩擦力F：式中：F——内摩擦力（又称剪力），N；——法向速度梯度，即在与流体流动方向相垂直的y方向流体速度的变化率，1/s；μ——比例系数，称为流体的粘度或动力粘度，Pa·s牛顿粘性定律10图1-16实际流体在管内的速度分布图1-15平板间液体速度变化平行平板间的流体，流速分布为直线，而流体在圆管内流动时，速度分布呈抛物线形，如图1-16所示。11层流：图1-17层流示意图流体的流动型态两种流型—层流和湍流12湍流：图1-18湍流示意图13流体的流动类型可用雷诺数Re判断。（1-26）Re准数是一个无因次的数群。流体在圆形直管内流动时：（1）当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区；（2）当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3）当2000Re4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，与外界干扰有关，该区称为不稳定的过渡区。在生产操作中，常将Re2000（有的资料中为3000）的情况按湍流来处理。duRe流型判据—雷诺准数14流体在圆管内的速度分布层流时的速度分布图1-19层流时的速度分布层流时，流体层间的剪应力服从牛顿粘性定律，平均速度与管中心最大速度之比u/umax等于0.5。15湍流时的速度分布基本特征是出现了径向脉动速度，使得动量传递较之层流大得多。此时剪应力不服从牛顿粘性定律表示，但可写成相仿的形式：dyudee.)(湍流时的速度分布1617直管阻力的通式阻力通式：22udlhf压头损失：压强降：gudlHf22ffhudlp22（范宁公式）为无因次系数，称为摩擦系数或摩擦因数，与流体流动的Re及管壁状况有关。第3节流体在管内流动时的摩擦阻力181、雷诺实验滞流或层流湍流或紊流19三、滞流与湍流的比较1、流体内部质点的运动方式层流流动时，流体质点沿管轴做有规则的平行运动。湍流流动时，流体质点在沿流动方向运动的同时，还做随机的脉动。20管道截面上任一点的时均速度为：211duuii湍流流动是一个时均流动上叠加了一个随机的脉动量。例如，湍流流动中空间某一点的瞬时速度可表示为：xxxuuuyyyuuuzzzuuu湍流的特征是出现速度的脉动。212、流体在圆管内的速度分布速度分布：流体在管内流动时截面上各点速度随该点与管中心的距离的变化关系。1）圆管内滞流流动的速度分布作用于流体单元左端的总压力为：121prP22作用于流体单元右端的总压力为：222prP作用于流体单元四周的剪应力为：rlF2dydudrdurlF2022212drdurlprprrdrlpdrdu2drdu23drrlpdu2crlp222时，当0uRr24Rlpc24rRlpumax0uur时，代入上式得：2max4Rlpu22max1Rruu——滞流流动时圆管内速度分布式242）圆管内湍流流动的速度分布nRruu1max14×10-4Re1.1×105时，n=6；1×10-5Re3.2×106时，n=7；Re3.2×106时，n=10。——湍流流动时圆管内速度分布式253、滞流和湍流的平均速度通过管截面的平均速度就是体积流量与管截面积之比1）层流时的平均速度流体的体积流量为：(a)2urdrdVs滞流时，管截面上速度分布为：drRruu22max126drRrrudVs22max12积分此式可得drRrruVRrrs022max12RRrru0242max4222/max2uRAVusm2max22/RuR2maxu层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半。272）湍流时的平均速度得：代入drrudVRruusn211maxdrRrrudVns1max12积分上式得：max221212uRnnnVs2RVusmmax21212unnn28时，7nmax82.0uum71max1Rruu——1/7方律通常遇到的情况下，湍流时的平均速度大约等于管中心处最大速度的0.82倍。294、滞流和湍流中的剪应力滞流流动的剪应力：AFAmadtduAmAdtmud剪应力：单位时间通过单位面积的动量，即动量通量。湍流流动的剪应力：etdyduε：称为涡流粘度，反映湍流流动的脉动特征，随流动状况及离壁的距离而变化。30圆管内滞流与湍流的比较滞流湍流本质区别分层流动质点的脉动速度分布22max1Rruu)7(11maxnRruun平均速度max21uum)7(82.0maxnuum剪应力dydudydu31四、边界层的概念流速降为未受影响流速的99%以内的区域。边界层：1、边界层的形成边界层区主流区322、边界层的发展1）流体在平板上的流动33对于滞流边界层：5.064.4exRx对于湍流边界层：2.0376.0exRxxuRsex时，当5102exR边界层内的流动为滞流；时，当6103exR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。342）流体在圆形直管进口段内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进口段长度，或稳定段长度。一般滞流时通常取稳定段长度x0=(50-100)d，湍流时稳定段长度约于(40-50)d。353、边界层的分离A点流速为零压强最大驻点加速减压B点(u→max，p→min)减速加压C点(u=0，p→max)边界层分离3637由此可见：•流道扩大时必造成逆压强梯度•逆压强梯度容易造成边界层的分离•边界层分离造成大量漩涡，大大增加机械能消耗流体沿着壁面流过时的阻力称为摩擦阻力。由于固体表面形状而造成边界层分离所引起的能量损耗称为形体阻力。粘性流体绕过固体表面的阻力为摩擦阻力与形体阻力之和这两者之和又称为局部阻力。