流体流动形态

流体的基本流型流体是指物质在外力作用下可以流动的状态，流体力学是研究流体运动规律的学科。

在流体力学中，基本流型是指流体在不同力场作用下的运动形态。

以下将介绍几种常见的基本流型。

1. 层流层流是指流体在无扰动的情况下，沿着平行的层面流动。

这种流动形态下，流体分子之间的相互作用力较大，流体流动的速度分布均匀，流线平行且不交叉。

层流常见于某些细小管道中，如毛细管、血管等。

层流的特点是流动稳定，流速慢而均匀。

2. 湍流湍流是指流体在扰动作用下，发生不规则、混乱的流动。

湍流时，流体分子之间的相互作用力较弱，流体流动具有高速、不规则和旋转的特点。

湍流常见于高速流动、复杂的几何结构中，如河流、风暴中的云团等。

湍流的特点是流动不稳定，流速快而不均匀。

3. 污染扩散污染扩散是指流体中的污染物质在流动过程中的传播和扩散现象。

在自然界和工业生产中，污染物质常常通过空气或水流动传播，形成不同的扩散模式。

扩散过程受到流体的运动方式、环境条件和污染物质的性质等因素的影响。

污染扩散的研究对环境保护和健康安全具有重要意义。

4. 旋涡旋涡是指流体中形成的旋转流动结构。

旋涡可由流体的转动或扰动引起，具有很强的旋转性质。

旋涡常见于自然界中的涡旋、漩涡、涡流等现象。

旋涡的形成与流体的速度分布、密度差异、摩擦力等因素密切相关，对气候、海洋、天气等的形成和演变起着重要作用。

5. 脉动脉动是指流体中的流速、压力等物理量在时间上的周期性变化。

脉动常见于管道、血液等流体系统中，是由外部扰动或系统内部不稳定性引起的。

脉动的研究对于理解流体运动的动态特性、流体力学的稳定性具有重要意义。

以上是几种常见的流体基本流型，每一种流型都有其独特的特点和应用领域。

通过对流体流动的研究，可以深入了解流体运动的规律，为工程设计、环境保护等领域提供科学依据。

流体力学的发展不仅推动了科学技术的进步，也为人类改善生活质量和保护环境提供了重要的支持。

让我们共同探索流体世界的奥秘，为人类的未来创造更美好的前景。

一、实验目的本次实验旨在通过观察和分析流体在不同条件下的流动形态，了解层流、湍流和过渡流的特点，掌握判断流体流动形态的方法，并验证雷诺数在判断流体流动形态中的作用。

二、实验原理流体在管道中的流动形态分为层流、湍流和过渡流三种。

层流是指流体流动时，各层之间没有横向混合，流体质点沿直线运动；湍流是指流体流动时，各层之间发生横向混合，流体质点运动速度和方向不断变化；过渡流是指层流和湍流之间的不稳定流动状态。

雷诺数（Re）是判断流体流动形态的重要参数，其计算公式为：Re = (ρ v d) / μ其中，ρ为流体密度，v为流体流速，d为管道直径，μ为流体动力粘度。

当Re < 2000时，流体呈层流；当2000 < Re < 4000时，流体呈过渡流；当Re > 4000时，流体呈湍流。

三、实验仪器与材料1. 实验仪器：流体流动形态实验装置、流量计、压差计、计时器、秒表、温度计、水表等。

2. 实验材料：清水、空气、油等。

四、实验步骤1. 将实验装置连接好，确保管道密封性良好。

2. 打开水源，调节流量，使流体在管道中流动。

3. 使用流量计和压差计测量流体流速和压差。

4. 根据测量结果计算雷诺数。

5. 观察流体流动形态，判断其属于层流、湍流还是过渡流。

6. 重复步骤2-5，分别改变流量、温度、管道直径等条件，观察流体流动形态的变化。

五、实验结果与分析1. 在低流速、小直径管道中，流体呈层流。

此时，流体质点沿直线运动，各层之间没有横向混合。

2. 在高流速、大直径管道中，流体呈湍流。

此时，流体质点运动速度和方向不断变化，各层之间发生横向混合。

3. 在中等流速、中等直径管道中，流体呈过渡流。

此时，流体流动形态不稳定，介于层流和湍流之间。

通过实验，验证了雷诺数在判断流体流动形态中的作用。

当雷诺数小于2000时，流体呈层流；当雷诺数大于4000时，流体呈湍流；当雷诺数介于2000和4000之间时，流体呈过渡流。

第四章层流流动及湍流流动由于实际流体有粘性，在流动时呈现两种不同的流动形态：层流流动及湍流流动，并在流动过程中产生阻力。

对可压缩流体，阻力使流体受压缩。

对不可压缩流体，阻力使流体的一部分机械能转化为热能散失，这个转变过程不可逆。

散失的热量称为能量损失。

单位质量（或单位体积）流体的能量损失，称为水头损失（或压力损失），并以h w（或Δp）表示。

本章首先讨论流体的流动状态，再对粘性流体在两种流动状态下的能量损失进行分析。

第一节流动状态及阻力分类一、流体的流动状态1．雷诺试验：1882年雷诺作了如教材45页图4-1所示的流体流动形态试验。

试验装置：在圆管的中心用细玻璃管向圆管的水流中引入红色液体的细流。

试验情况：（1）当水的流速较小时（图4-1a），红色液体细流不与周围水混和，自己保持直线形状与水一起向前流动。

（2）如把水的流速逐渐增大，至一定程度时，红色细流便开始上下振荡，呈波浪形弯曲（如图4-1b）。

（3）当再把水流速度增大，红色细流的振荡加剧，至水的流速增大至某一速度后，圆管中红色细流消失，红色液体混入整个圆管的水中（如图4-1c）。

试验的三种不同状况说明：（1）对（图4-1a）所示，表明水的质点只有向前流动的位移，没有垂直水流方向的移动，即各层水的质点不相互混和，都是平行地移动的，这种流动称为层流；（2）对（图4-1b）所示，说明流动的水质点已开始有垂直水流方向的位移，离开圆管轴线较远的部位水的质点仍保持平行流动的状态；（3）对（图4-1c）所示，说明流动中水的质点运动已变得杂乱无章，各层水相互干扰，这种流动形态称为紊流或湍流。

2．雷诺数：流体之所以出现不同的流动形态，主要由流体质点流动时其本身所具有的惯性力和所受的粘性力的数值比例决定。

惯性力相对较大时，流体趋向于作紊流式的流动；粘性力则起限制流体质点作纵向脉动的作用，遏止紊流的出现。

雷诺根据此原理提出了一个判定流体流动状态的无量纲参数——雷诺数（Re）：对在圆管中流动的流体而言，雷诺数的表现形式为v：圆管内流体的平均流速（m/s）；ε：动力粘度（Pa·s）。

一、实验目的1. 观察流体流动过程中不同的流动形态及其变化过程；2. 测定流动形态变化时的临界雷诺数；3. 理解雷诺数与层流、湍流的关系；4. 掌握实验数据处理方法。

二、实验原理雷诺实验揭示了流体流动的两种基本形态：层流和湍流。

层流是指流体在管道内流动时，流体质点沿直线运动，彼此之间无宏观混合。

湍流则是指流体流动时，流体质点之间发生宏观混合，流速不均匀，产生涡流。

雷诺数（Re）是判断流体流动形态的无量纲数，其计算公式为：Re = ρvd/μ，其中ρ为流体密度，v为流体流速，d为管道直径，μ为流体粘度。

当Re较小时，流体流动为层流；当Re较大时，流体流动为湍流。

临界雷诺数是层流与湍流转变的界限。

三、实验仪器与材料1. 实验装置：自循环雷诺实验装置（包括供水器、实验台、可控硅无级调速器、恒压水箱、有色水水管、稳水隔板、溢流板、实验管道、实验流量调节阀等）；2. 实验材料：有色水、清水、压差计、计时器等。

四、实验步骤1. 调整实验装置，确保供水稳定，管道内无气泡；2. 开启供水器，调整流量，使管道内流速逐渐增大；3. 观察有色水在管道内的流动形态，记录下层流、湍流及临界雷诺数；4. 使用压差计测量管道两端的水头差，计算沿程水头损失；5. 记录实验数据，进行数据处理。

五、实验结果与分析1. 观察到当流速较小时，管道内流体质点沿直线运动，颜色均匀，无涡流，为层流；2. 随着流速增大，流体质点开始发生宏观混合，颜色逐渐变淡，出现涡流，为湍流；3. 通过实验，测得临界雷诺数为2000；4. 根据实验数据，绘制沿程水头损失与断面平均流速的关系曲线，分析层流、湍流及临界雷诺数的关系。

六、实验结论1. 雷诺实验验证了流体流动的两种基本形态：层流和湍流；2. 临界雷诺数是层流与湍流转变的界限，本实验测得临界雷诺数为2000；3. 雷诺数与流体流动形态密切相关，当雷诺数较小时，流体流动为层流；当雷诺数较大时，流体流动为湍流。

第六讲流体的流动形态及速度分布【学习要求】1．掌握流体的流动形态及其判据。

2．掌握雷诺数及其计算。

3．理解流体在圆管内流动时的速度分布规律。

4．理解滞流内层的概念。

【预习内容】1．流体流动时产生流动阻力的主要原因是，其次是。

另外、和均对流动阻力的大小有影响。

2．式称为牛顿粘性定律。

它的物理意义是。

3．粘度是流体的物理性质之一，是衡量的物理量，其物理意义是。

粘度在SI制中的单位为。

4．气体的粘度随温度的升高而，液体的粘度随温度的升高而。

【学习内容】一、流体的流动形态1．流体流动时的两种流动形态（1）滞流流体质点只沿管轴的方向做运动。

（2）湍流流体质点除了沿管轴向前流动外，还做不规则的运动，2．影响流动形态的因素除了流速u能影响流体的流动状况外，还有、和。

雷诺将这些影响因素综合成的形式作为流动类型的判据，我们称之为，以符号表示。

3．流动形态的判据实验证明：当Re 时，流动类型为滞流；当Re 时，流动类型为湍流；当Re ，流体的流动处于状况。

二、流体在圆管内流动时的速度分布1．速度分布规律流体在圆管内流动时，无论是滞流还是湍流，在管道任一截面各点的速度均随而变，管壁处速度为零，离开管壁后，到管中心处，这种变化关系称为速度分布。

2．滞流和湍流的速度分布滞流时，管内流体质点只沿管轴做运动，速度分布曲线呈形，平均流速为管中心最大流速的倍；湍流时，流体质点除了做轴向运动外，还做复杂的运动，速度分布曲线为形，平均流速约为管中心最大流速的倍。

三、湍流时滞流内层当流体在圆管内呈湍流流动时，无论湍流的程度如何，在邻近管壁处，总存在着一定厚度的仍然作滞流流动的流体层，我们称之为或。

其厚度随Re增大而。

【典型例题】例1 流体的流动状况有哪两种？它们有何不同？例2 20℃的水在φ114×4mm的有缝钢管内流动，流速为2m／s，试计算雷诺数Re并判断其流动类型。

(水在20℃时的密度为998.2kg／m3，粘度为1.005mPa·S)例3 某小时有16200kg的25%氯化钠水溶液在φ50×3mm的钢管中流过，已知水溶液的密度为1186Kg／m3、粘度为2.3×10-3 Pa·S，试分别用SI制和CGS制计算雷诺数，并说明流体流动的类型，再计算滞流时的最大流速为若干m／s ?【随堂练习】一、选择题1．流体在直管中流动，当Re（）4000时，流体的流动类型湍流。

判断流体流动形态的参数一、雷诺数（Reynolds number）雷诺数是流体力学中常用的一个无量纲参数，用来描述流体在流动过程中惯性力与黏性力之间的相对作用大小。

它的计算公式为Re = ρvL/μ，其中ρ为流体密度，v为流体流速，L为特征长度，μ为流体动力粘度。

当雷诺数小于一定阈值时，流动形态会呈现层流状态；当雷诺数超过一定阈值时，流动形态会由层流转变为湍流。

通过测量流体的密度、流速、特征长度和动力粘度，可以判断流体流动形态的转变。

二、马赫数（Mach number）马赫数是流体力学中用来描述流体流动速度与声速之比的无量纲参数。

它的计算公式为Ma = v/c，其中v为流体流速，c为流体中的声速。

当马赫数小于一时，流动形态为亚音速流动；当马赫数接近或超过一时，流动形态为超音速流动。

通过测量流体的流速和流体中的声速，可以判断流体流动形态的变化。

三、流动的压力梯度（Pressure gradient）流动的压力梯度是指单位长度内流体压力的变化率。

在层流状态下，流体的压力梯度会导致流体流速的变化，但不会引起流动形态的改变；而在湍流状态下，流体的压力梯度会导致流动形态的剧烈扰动，使流体呈现无规则的涡旋结构。

通过测量流体压力的变化，可以判断流体流动形态的转变。

四、雷诺剪切应力（Reynolds shear stress）雷诺剪切应力是指在湍流状态下流体流动时，由于流体的不规则运动而引起的剪切应力。

该剪切应力会使流体流动形态变得复杂，产生各种涡旋结构和湍流尺度。

通过测量流体中的雷诺剪切应力，可以判断流体流动形态是否为湍流。

五、流动的能量损失（Energy loss）流动的能量损失是指流体在流动过程中由于黏性耗散等因素而损失的能量。

在层流状态下，由于黏性耗散较小，流动的能量损失也相对较小；而在湍流状态下，由于湍流的剧烈扰动，流动的能量损失较大。

通过测量流体流动过程中的能量损失，可以判断流体流动形态的转变。

六、流动的噪声特性（Noise characteristics）流动的噪声特性是指流体在流动过程中产生的噪声。

实验二流体流动类型及临界雷诺数的测定一、实验目的1.观察流体流动过程中不同的流动型态及其变化过程；2.测定流动型态变化时的临界雷诺数二、实验原理流体充满导管作稳态流动时基本上有两种明显不同的流动型态：滞流（也叫层流）和湍流。

当流体在管中作滞流流动时，管内的流体各个质点沿管轴作相互平行而有规则的运动，彼此没有明显的干扰。

当流体作湍流流动时，各个质点紊乱地向各个不同的方向作无规则的运动。

流体的流动型态不仅与流体的平均流速有关，还与流体的粘度μ、密度ρ和管径d等因素有关。

也就是说流体的流动型态取决于雷诺准数的大小。

R=d（2－1）式中：d——管子内径（m）u——流体流速（m/s）ρ——流体密度（kg/m3）μ——流体粘度（Pa•s或kg/m•s）根据雷诺实验，流体在平直圆管中流动时，当雷诺数小于某一临界值时为滞流（或层流）；当雷诺数大于某一临界值时为湍流；当雷诺数介于二者之间时则为不稳定的过渡状态，可能为滞流，也可能为湍流。

对于一定温度下的某种介质在特定的圆管内流动时，流体的粘度μ、密度ρ和管径d等均为定值，故雷诺数Re仅为流体平均流速u的函数。

流体的流速确定后，雷诺数即可确定。

流体流动型态发生变化时的流速称为临界速度，其对应的雷诺数称为临界雷诺数。

本实验以水为介质、有色溶液为示踪物，使其以不同的流速通过平直玻璃管，便可观察到不同的流动型态，同时根据流动型态的变化，可确定临界速度与临界雷诺准数。

三、实验装置本实验装置如图2-1所示，主要由稳压溢流水槽5、试验导管（内径24.2mm）6、缓冲水槽5和转子流量计6组成。

水由循环水泵供给或直接由自来水龙头输入稳压溢流水槽，经稳压后流经试验导管、缓冲水槽及转子流量计，最后流回低位水槽或排入下水道，稳压溢流槽溢流出来的水也返回低位槽或排入下水道。

示踪物由液瓶1经调节夹10、试验导管3……至下水道。

图2-1雷诺试验装置六、实验步骤1.雷诺实验的过程(1)关闭流量调节阀10、7、9,打开进水阀3,使自来水充满水槽, 并使其有一定的溢流量。

2.1 流体流动形态与雷诺数的测定一、实验目的1.了解流体的流动型态，观察实际的流线形状，判断其流动类型；2.熟悉雷诺准数的测定和计算方法；3.确立“层流和湍流与Re 之间有一定关系”的概念； 二、基本原理流体流动有两种不同型态，即层流（滞流）和湍流（紊流）。

流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，湍流时质点在沿管轴流动的同时还作杂乱无章的随机运动。

雷诺数是判断流动型态的准数。

若流体在圆管内流动，则雷诺数可用下式表示：μρdu =Re （2-1）式中：d ——圆管内径，m ； u —— 流速，m/s ；ρ—— 流体密度，kg/m 3； μ——流体粘度，Pa ·s 。

层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c 表示。

工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re<2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re 在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re 数范围为过渡区。

式（1－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。

本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。

三、实验装置及流程实验装置如图1－1所示。

主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为220⨯φmm 硬质玻璃。

1－红墨水储槽；2－溢流稳压槽；3－实验管；4－转子流量计；5－循环泵；6－上水管；7－溢流回水管；8－调节阀；9－储水槽；63789图2－1 流体流型演示实验实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。

待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。

水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。

水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。

流体的基本流动形态流体的基本流动形态1. 引言流体是一种物质的形态，具有流动性和变形性。

它在自然界和工业生产中起着重要作用，对于我们理解和利用流体的基本流动形态有着重要意义。

本文将深入探讨流体的基本流动形态，并分享我对这个主题的观点和理解。

2. 流体的分类流体可以分为液体和气体两大类。

液体具有较高的密度和分子间的相互作用力，具有一定的体积和形状，而气体具有较低的密度和分子间的距离较大，没有固定的体积和形状。

3. 力和运动学在流体的基本流动形态中，力和运动学是两个重要方面。

流体的流动是由于受到压力或其他外力的作用而产生的，流体往往会按照压力梯度的方向从高压区域流向低压区域。

流体的流动还受到其自身黏性、浓度等因素的影响。

4. 流体的基本流动形态在流体的基本流动形态中，我们可以观察到几种常见的形态，包括层流、湍流和转捩流动。

4.1 层流层流是一种有序的流动形态，流体在管道中按照平行于管壁的方向分层流动。

在层流中，流体的速度分布呈现为一个连续的曲线，没有明显的湍流和乱流的表现。

层流通常出现在低速流动、低黏性流体以及较小直径管道中。

4.2 湍流湍流是流体中的一种无序流动形态，流体无规律地旋转和混合，形成不规则的涡旋和湍涡。

湍流的速度分布呈现为随机的起伏，湍流的特点是能量耗散和压力损失较大。

湍流通常出现在高速流动、高黏性流体以及较大直径管道中。

4.3 转捩流动转捩流动是介于层流和湍流之间的一种过渡流动形态。

当流体在流动过程中受到外界的干扰或流动条件发生变化时，层流可能会转变为湍流，这个过程被称为流体的转捩流动。

5. 流体的控制和应用了解流体的基本流动形态有助于我们对流体的控制和应用。

在流体控制方面，我们可以通过调整流体的流速、黏性等参数来控制流体的流动形态。

在应用方面，流体的基本流动形态可以应用于流体力学、液压机械、风力发电等领域。

6. 总结和回顾通过本文的探讨，我们了解了流体的基本流动形态，包括层流、湍流和转捩流动。