流體在管內(nèi)流動阻力.doc

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1、第四節(jié)?流體在管內(nèi)的流動阻力???實際上理想流體是不存在的。流體在流動過程中需要消耗能量來克服流動阻力，本節(jié)討論流體流動阻力的產(chǎn)生、影響因素及其計算。§1.4.1牛頓粘性定律與流體的粘度1、牛頓粘性定律???????設(shè)有間距很小的兩平行板，兩平板間充滿液體(如圖)。下板固定，上板施加一平行于平板的切向力F，使上板作平行于下板的等速直線運動。緊貼上板的液體層以與上板相同的速度流動，而緊貼固定板的液體層則靜止不動。兩層平板之間液體的流速分布則是從上到下為由大到小的漸變。????此兩板間的液體可看成為許多平行于平板的流體層，這種流動稱為層流，而層與層之間存在著速度差，即各液層之間存在著相

2、對運動。運動較快的液層對與之相鄰的運動較慢的液層作用著一個拖動其向運動方向前進(jìn)的力；而與此同時，運動較慢的液層對其上運動較快的液層也作用著一個大小相等方向相反的力，從而阻礙較快的液層的運動。這種運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力稱為流體的內(nèi)摩擦力（粘滯力）。流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的這種特性稱為粘性。????在上圖中，若某層流體的速度為u，在其垂直距離為dy處的鄰近流體層的速度為u+du，則du/dy表示速度沿法線方向上的變化率，稱為速度梯度。實驗證明，內(nèi)摩擦力F與兩流體層間的接觸面積S成正比，與速度梯度du/dy成正比。即：????????F∝S·du/dy??亦即：???

3、????F=μS·du/dy???????????????剪應(yīng)力τ：單位面積上的內(nèi)摩擦力，即F/S,?單位N/㎡于是：τ=F/S=μ·du/dy——牛頓粘性定律μ為比例系數(shù)，稱為粘性系數(shù)或動力粘度，簡稱粘度說明：①牛頓粘性定律可表達(dá)為剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，?與法向壓力無關(guān)，流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力?的變化規(guī)律截然不同。②牛頓粘性定律的使用條件：層流時的牛頓型流體。③根據(jù)此定律，粘性流體在管內(nèi)的速度分布可以預(yù)示為：如圖?緊貼壁面的流體受壁面固體分子力的作用而處于靜止?fàn)顟B(tài)，?隨著離壁距離的增加，流體的速度連續(xù)地增大，至管中心?處速度達(dá)到最大。而當(dāng)μ=0，無粘性時(理想流體

4、)，管內(nèi)?呈恒速分布，即速度不隨位置，時間變化，各點均相同。④剪應(yīng)力的單位：?因此，剪應(yīng)力的大小也代表動量傳遞的速率(即單位時間、單位面積上傳遞的動量)。傳遞方向：動量傳遞的方向與速率梯度的方向相反，即由高速度向低速度傳遞，以動量傳遞表示的牛頓粘性定律為：??????????????????????τ’：動量傳遞速率；“負(fù)號”表示兩者方向相反2、流體的粘度(1)、粘度的物理意義：??從?????????????τ=μ·du/dy?可得???????????μ=τ/(du/dy)????其物理意義為促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力，粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，它只有在運動時才顯現(xiàn)出

5、來。分析靜止流體規(guī)律時不用考慮粘度。(2)、粘度隨壓強、溫度的變化????粘度是流體的物理性質(zhì)之一，其值由實驗測定。一般地，流體的粘度μ=f(p,T)(3)、粘度的單位??因為P的單位比較大，以P表示流體的粘度數(shù)值就很小，所以通常采用P的百分之一，即CP(厘泊)作為粘度的單位，亦即：1CP=0.01P????兩種單位制的粘度單位換算關(guān)系:???或1Pa·s=1000CP；20℃時，水的粘度1CP，空氣的粘度1.81×10-2CP。由此可見，液體的粘度比空氣的粘度要大得多。(4)、運動粘度????流體的粘性為粘度μ與密度ρ之比?????????單位：SI制???㎡/S????????

6、???CGS制??㎝2/S??稱為斯托克斯，簡稱為“St”兩者換算關(guān)系為：1St=100cSt=104㎡/S(5)、混合物的粘度????對混合物的粘度，如缺乏實驗數(shù)據(jù)時，可參閱有關(guān)資料，選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗公式進(jìn)行計算。????常壓氣體混合物：?????????非締合的液體混合物計算式：??????????????????????(6)、牛頓型流體和非牛頓型流體牛頓型流體，服從牛頓粘性定律的流體：如氣體及水，溶劑，甘油等液體；非牛頓型流體，不服從牛頓粘性定律的流體：如膠體溶液，泥漿，油墨等；??本章只限于對牛頓型流體加以討論?！?.4.2流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)?????現(xiàn)在開始介紹流體流動的

7、內(nèi)部結(jié)構(gòu)。流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是流體流動規(guī)律的一個重要方面。因為化工生產(chǎn)中的許多過程都和流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系。例如實際流體流動時的阻力就與流動結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。其它許多過程，如流體的熱量傳遞和質(zhì)量傳遞也都如此。流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是個極為復(fù)雜的問題，涉及面廣。以下緊接著的內(nèi)容只作簡單的介紹，因而在許多方面只能限于定性的闡述。1、流動類型——層流和湍流????1883年著名的雷諾實驗揭示出流動的兩種截然不同的型態(tài)。雷諾實驗裝置如圖所示：在水箱內(nèi)裝有溢流裝置，以維持水位穩(wěn)定，水箱的底部