《化工原理》第六讲 层流与湍流的比较

化工原理部分知识点层流与湍流的本质区别：就层流而言，流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，流速层间没有质点扩散现象，流体内部没有漩涡；就湍流而言，流体在流动过程中流体质点有不规则的脉动，并产生大大小小的旋涡。

二者本质区别是：层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。

雷诺数的物理意义：是流体的所受惯性力与粘性力之比，用以表征流体的运动状态。

雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。

气缚：因泵内流体密度小而产生的压强小，无法吸上液体的现象。

原因是离心泵产生的压差与密度成正比，密度小，压差小，吸不上液体。

措施：离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。

这一步操作称为灌泵。

为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。

汽蚀：液体在泵的最低压强处（叶轮入口）汽化形成气泡，又因在在叶轮中因压强升高而溃灭，造成液体对泵的冲击，引起振动和腐蚀的现象。

措施：泵的安装位置不能太高，以保证叶轮中的各处压强高于液体饱和蒸气压。

离心泵的工作点确定：当泵安装在一定管路系统中时，泵的特性曲线与管路与曲线的交点即为泵的工作点。

工作点由管路特异性方程和泵特异性方程共同决定。

离心泵只有在工作点工作，管中流量才能稳定。

泵的工作点以在泵的效率最高区域内为宜。

影响泵特异性曲线因素：有液体密度，粘度，转速，叶轮形状及直径大小。

调节流量方法：1.改变泵的特性曲线法a.改变泵的转速。

b.切割叶轮外圆；改变叶轮直径。

2.改变管路特性曲线；最常用的方法是调节离心泵出口阀开度。

关小阀门，管路局部阻力增大，管路特性曲线变陡，工作点向左移动，流量减小。

离心泵的选择：（1）确定被输送液体的物理和化学性质（2）确定泵的流量（3）计算泵的扬程（4）粘性液体的修正（5）求泵的工作点（6）确定泵的安装高度（7）确定泵的备用率。

化工原理流体流动
化工原理中的流体流动是一个重要的研究领域，它涉及到各种物质在化工过程中的传输、混合、分离等关键过程。

在化工流体流动中，流体的性质和流动行为对化工过程的效率和产品质量具有重要影响。

在流体流动的研究中，我们通常会涉及到不同的流动模式，如层流、湍流等。

层流是指流体在管道中以规则的、层次分明的方式流动，其粘滞作用较强，流速均匀。

湍流则是一种不规则的、紊乱的流动方式，其粘滞作用较弱，流速不均匀。

在化工过程中，通常会通过控制流体的流动模式来达到更好的传输效果。

另外，在化工流体流动中，物质的输送也是一个重要的问题。

液体在管道中的流动主要通过压力差和重力来实现，而气体的流动则主要受到压力差和浓度差的影响。

我们可以通过调节管道的形状和尺寸，以及控制流体的流速和粘度来实现物质的有效输送。

此外，在化工过程中，流体的混合和分离也是一个重要的问题。

混合是指将不同的物质进行均匀混合，以达到一定的反应效果或产品质量。

分离则是将混合物中的不同组分分离出来，以达到对应的目的。

在化工过程中，我们通常会使用各种设备和技术来实现流体的混合和分离，如搅拌器、离心机等。

总之，化工原理中的流体流动是一个复杂而重要的研究领域。

通过深入了解流体的性质和流动行为，我们可以更好地控制化
工过程中的传输、混合和分离等关键环节，以提高生产效率和产品质量。

工程流体力学中的层流与湍流转换流体力学是研究流体运动和与之相关的力学问题的学科，工程流体力学则是将流体力学理论应用于工程实践中。

在工程流体力学中，层流与湍流转换是一个重要的现象，对于流体的运动和传递过程有着重要的影响。

层流是指在管道或流体流动区域内，流体沿着规则的、分层的运动方式进行的现象。

层流的特点是流速均匀，流线平行且无交叉，流态稳定，分层运动形式规则。

在层流运动中，流体分子之间的相互作用较大，流动的阻力较小，能量损失相对较小。

层流常出现在低速流动、较小的管径或稳定流动过程中。

而湍流是指流体运动时，流动速度、压力和密度发生剧烈不规则变化的现象。

湍流的特点是流速不均匀，流线曲折交错，流态不稳定，存在涡旋和涡渦交替形成的现象。

湍流的能量消耗和涡旋产生使得流体运动的阻力增大，流动的能量损失相对较大。

湍流常出现在高速流动、较大的管径或不稳定流动过程中。

层流和湍流的转换是一个复杂而重要的过程，它与流体的运动速度、管道的几何形状、流体的物性以及流体之间的相互作用等多个因素有关。

在工程流体力学中，层流与湍流的转换通常发生在阻力均匀下降，阻力突变和对称性破裂三个阶段。

首先是阻力均匀下降阶段。

在流体速度较低时，层流是主导的流动方式。

随着流体速度的增加，阻力逐渐下降，流体运动趋向于稳定层流。

其次是阻力突变阶段。

当流速达到一定阈值时，流体开始过渡到湍流状态，湍流的能量损失增加，阻力突然增加。

这是湍流与层流转换的临界点。

最后是对称性破裂阶段。

当流体速度进一步增大，湍流成为主导流动方式，流体的流线开始曲折起来，涡旋和涡渦形成，流态不再对称。

这个阶段属于不稳定状态，流动具有随机性和混沌性。

层流与湍流转换的研究在工程实践中具有重要意义。

首先，了解层流与湍流的转换机理可以帮助我们优化工程设计，减少流体运动的阻力和能量损失。

其次，对于特定流体力学问题的求解，正确判断和描述层流与湍流状态的转换是非常关键的。

此外，层流与湍流转换还与流体流动中的传热、传质等过程有着密切的关系，对于相关工程领域的研究和应用也具有重要价值。

化工原理流体流动
化工原理流体流动在化工过程中占据着重要的地位。

流体流动的基本理论是通过质量守恒定律和牛顿运动定律得到的。

在化工过程中，流体流动的特性直接影响着反应器的混合程度、传质速度以及热交换效率等。

因此，研究流体流动的规律对于优化化工过程、提高工艺效率具有重要的意义。

流体的流动可以分为层流和湍流两种形式。

层流是指流体在平行于管道中心轴线方向上的速度分布呈现出均匀的特点，流动延伸线平行于管道中心轴线。

而湍流是指流体在管道中流动时形成的涡流和涡团，速度分布不均匀且随机，并且流动延伸线的方向和管道中心轴线的方向存在明显偏离。

在管道中的流体流动可以通过雷诺数来进行描述。

雷诺数是流体的惯性力和黏性力之比，可以用来判断流体的流动状态。

当雷诺数小于一定的临界值时，流体流动为层流；当雷诺数大于临界值时，流体流动为湍流。

流体流动中的一些重要参数包括流速、温度、密度、黏度等。

这些参数对于流体的流动特性以及传质、传热等过程都有着重要的影响。

在化工过程中，流体流动往往受到一些其他因素的影响，例如管道的几何形状、摩擦阻力、局部阻力以及流体本身的性质等。

对于这些影响因素的研究和分析，可以为化工过程提供可靠的理论基础，有助于优化设计和改进工艺。

总之，化工原理流体流动是化工过程中重要的研究内容之一。

深入理解和掌握流体流动的规律对于提高工艺效率、优化设计具有重要的意义。

层流湍流对流换热系数的区别
层流和湍流是流体的两种流动状态，对流是指通过流体和固体边界之间的传热方式。

层流和湍流对流的换热系数有以下区别：
1. 层流对流：在层流状态下，流体沿着固体表面的方向顺序流动，流速均匀，流线平行且不交错。

在这种情况下，流体与固体之间的传热过程较为平稳，换热系数较低。

层流对流的换热主要依赖于流体与固体的温度差、流体的导热性质以及流体的运动速度。

2. 湍流对流：在湍流状态下，流体的流速不均匀且产生旋涡和纵横交错的流线。

湍流对流中的流体粗糙程度较高，流体与固体表面间的传热相对较强，换热系数较高。

湍流对流的换热主要依赖于流体的湍流强度、湍流的紊流特性以及流体与固体表面的热传递方式。

总体来说，湍流对流的换热系数要比层流对流的换热系数高，因为湍流的流动特性能够增强流动层与固体表面之间的热交换。

但是，在特定情况下，层流对流可能会导致更高的换热系数，比如在过冷液滴的冷凝过程中，层流对流的传热系数可以远远高于湍流对流。

湍流和层流本质区别对比表格
相关说明：
1.层流是流体的一种流动状态。

流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。

此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。

流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。

管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re<2320时，流体的流动状态为层流。

2.湍流是流体的一种流动状态。

当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流。

一、单选题1．层流与湍流的本质区别是（）。

DA 湍流流速＞层流流速；B 流道截面大的为湍流，截面小的为层流；C 层流的雷诺数＜湍流的雷诺数；D 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。

2．以绝对零压作起点计算的压力，称为（）。

AA 绝对压力；B 表压力；C 静压力；D 真空度。

3．当被测流体的（）大于外界大气压力时，所用的测压仪表称为压力表。

DA 真空度；B 表压力；C 相对压力；D 绝对压力。

4．当被测流体的绝对压力（）外界大气压力时，所用的测压仪表称为真空表。

BA 大于；B 小于；C 等于；D 近似于。

5. 流体在园管内流动时，管中心流速最大，若为湍流时，平均流速与管中心的最大流速的关系为（）。

BA. Um＝1/2Umax；B. Um＝0.8Umax；C. Um＝3/2Umax。

6. 从流体静力学基本方程了解到U型管压力计测量其压强差是( )。

AA. 与指示液密度、液面高度有关，与U形管粗细无关；B. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细有关；C. 与指示液密度、液面高度无关，与U形管粗细无关。

7.层流底层越薄( )。

CA. 近壁面速度梯度越小；B. 流动阻力越小；C. 流动阻力越大；D. 流体湍动程度越小。

8.层流与湍流的本质区别是：( )。

DA. 湍流流速>层流流速；B. 流道截面大的为湍流，截面小的为层流；C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数；D. 层流无径向脉动，而湍流有径向脉动。

9.在稳定流动系统中，水由粗管连续地流入细管，若粗管直径是细管的2倍，则细管流速是粗管的（）倍。

CA. 2；B. 8；C. 4。

10.流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是（）。

CA. 流动速度大于零；B. 管边不够光滑；C. 流体具有粘性。

11.水在园形直管中作滞流流动，流速不变，若管子直径增大一倍，则阻力损失为原来的（）。

AA. 1/4；B. 1/2；C. 2倍。

12．柏努利方程式中的项表示单位质量流体所具有的（）。

流体流动有三种类型管道中通常有三种类型的流体流动：✓层状的✓过渡流✓湍流（1）层流层流通常发生在处理小管道和低流速时。

层流可以被视为管道中的一系列液体圆柱体，其中最里面的部分流动最快，而接触管道的圆柱体根本不移动。

层流中的剪切应力几乎只取决于粘度-μ-，并且与密度-ρ无关。

在分析固体边界附近的液体行为和流体运动时，粘度是一个重要的流体特性。

流体的粘度是衡量其抵抗剪切应力或拉伸应力逐渐变形的能力。

流体中的剪切阻力是由当流体层试图相互滑动时施加的分子间摩擦引起的。

粘度是衡量流体流动阻力的指标1) 糖蜜粘性很高2) 水是中等粘性的3) 气体粘性低流体粘度有两种相关的测量方法1) 动态（或绝对）2) 运动学的动态（绝对）粘度绝对粘度——绝对粘度系数——是内阻的一种衡量标准。

动态（绝对）粘度是指在流体中保持单位距离时，以单位速度使一个水平面相对于另一个平面移动所需的每单位面积的切向力。

对于牛顿流体，以平行直线运动的非湍流流体层之间的剪切应力可以定义为剪切应力可以表示其中：τ=流体中的剪切应力（N/m^2）μ=流体的动态粘度（N s/m^2）dc=单位速度（m/s）dy=层间单位距离（m）γ=dc/dy=剪切速率（s-1）方程（1）被称为牛顿摩擦定律。

（1.1）可以重新排列以将动态粘度表示为（1.2）常见流体绝对粘度：（1.3）运动粘度（1.4）粘度和参考温度流体的粘度高度依赖于温度，为了使动态或运动粘度有意义，必须引用参考温度。

在ISO 8217中，残余流体的参考温度为100℃。

对于蒸馏液，参考温度为40℃。

✓ 对于液体，运动粘度随着温度的升高而降低✓ 对于气体，运动粘度随着温度的升高而增加（1.5）恩格勒度英国使用恩格勒度作为测量运动粘度的标尺。

与Saybolt 和Redwood 量表不同，Engler 量表是基于将被测物质的流量与另一种物质——水的流量进行比ν=运动粘度（m^2/s ）μ=绝对或动态粘度（N s/m^2）ρ=密度（kg/m^3）较。

层流湍流雷诺数一、层流的概念和特点层流是一种流体流动的状态，其中流体分子按照规则的、平行的路径流动。

在层流中，流体分子之间的相互作用较小，流体流动的速度分布均匀。

层流的特点包括：1.流体分子按照规则的、平行的路径流动；2.流体流动的速度分布均匀；3.流体分子之间的相互作用较小；4.层流中的阻力较小，能够保持较高的流体流量。

层流在工程领域中广泛应用，例如在洁净室、实验室、制药工厂等场所，层流可以有效控制空气中的微粒，确保环境的洁净度。

二、湍流的概念和特点湍流是一种流体流动的状态，其中流体分子的运动路径错综复杂，流体流动的速度分布不均匀。

湍流的特点包括：1.流体分子的运动路径错综复杂；2.流体流动的速度分布不均匀；3.流体分子之间的相互作用较大；4.湍流中的阻力较大，能量损失较多。

湍流在自然界和工程实践中普遍存在，例如河流、海浪、空气中的气旋等都是湍流现象。

湍流的不稳定性和复杂性使得湍流的研究和控制具有一定的挑战性。

三、雷诺数的定义和计算方法雷诺数是用来描述流体流动状态的一个无量纲参数，它由法国物理学家雷诺提出。

雷诺数的定义如下：[Re = ]其中，[Re]为雷诺数，[]为流体的密度，[V]为流体的流速，[L]为特征长度，[]为流体的动力粘度。

雷诺数的大小可以判断流体流动的状态，当雷诺数小于临界雷诺数时，流动为层流；当雷诺数大于临界雷诺数时，流动为湍流。

临界雷诺数的具体数值与具体情况有关。

四、层流与湍流的转变层流和湍流之间的转变是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。

以下是一些可能导致层流与湍流转变的因素：1.流体的流速：当流体的流速增大时，流动更容易由层流转变为湍流。

2.流体的粘度：当流体的粘度较大时，流动更容易保持层流状态。

3.流动的几何形状：某些几何形状的流动更容易形成湍流。

4.流动的扰动：外界的扰动或流体本身的不稳定性也可能导致层流与湍流的转变。

五、层流和湍流的应用层流和湍流在不同领域有着广泛的应用。

层流和湍流的定义一、层流的定义层流是指在流体中，流动的速度和方向在各个位置上几乎保持不变的一种流动状态。

层流通常发生在粘性流体中，比如水。

在层流中，流体沿着平行的层面流动，流速差异较小，流体粒子之间的相对运动较为有序。

层流的特点是流速均匀、流线平行、流体粒子间无明显的混合和交换。

层流可以通过实验观察到，比如将水从一个直径较细的管道中缓慢流出，我们会发现水以一定的速度和方向从管道中流出，形成平行的水流。

此外，层流还存在于自然界中，比如河流中的水流、大气中的风等。

二、湍流的定义湍流是指流体在流动过程中，速度和方向发生剧烈变化、混乱无序的流动状态。

湍流通常发生在高速流动的流体中，比如风、水流中的涡旋等。

在湍流中，流体粒子之间的相对运动复杂而混乱，流速差异较大，流线交织纠缠，形成各种涡旋。

湍流可以通过实验观察到，比如将水从一个粗糙的管道中迅速流出，我们会发现水以不规则的速度和方向从管道中喷射出来，形成混乱的水流。

此外，湍流还存在于自然界中，比如河流中的急流、强风中的气流等。

三、层流与湍流的区别层流和湍流是两种截然不同的流动状态，它们具有以下几个明显的区别：1. 流速和流线的不同：层流中，流速和流线保持稳定，流体粒子以平行的方式运动；而湍流中，流速和流线变化剧烈，流体粒子运动混乱无序。

2. 混合程度的不同：层流中，流体粒子之间的相对运动有序，几乎不发生混合和交换；而湍流中，流体粒子之间的相对运动复杂而混乱，混合程度较高。

3. 能量消耗的不同：层流中，能量消耗较小，流体粒子之间的摩擦较小；而湍流中，能量消耗较大，流体粒子之间的摩擦较大。

4. 噪音和振动的不同：层流中，噪音和振动较小；而湍流中，噪音和振动较大。

5. 湍流的不可逆性：湍流是一种不可逆的流动状态，即使在没有外界干扰的情况下，湍流也会持续存在；而层流在没有外界干扰的情况下，可以长时间保持稳定。

总结：层流和湍流是流体力学中两种不同的流动状态。

层流以流速均匀、流线平行和流体粒子间有序运动为特点，而湍流则以流速剧烈变化、流线交织纠缠和流体粒子间混乱无序为特点。