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传输过程原理（课程编号：30120172）2003.9.27沈厚发焊接馆308电话：89922Email：shen@第四章层流流动及湍流流动第一节流动的状态及阻力分类第二节流体在圆管中的层流流动第三节流体在平行平板间的层流流动第四节流体在圆管中的湍流运动第五节沿程阻力系数的确定第六节局部阻力本课学习内容雷诺实验Reynolds (1882)层流过渡状态湍流第一节流动的状态及阻力分类层流（流线型流）：流线呈平行状态的流动。
流体质点在流动方向上分层流动，各层互不干扰和渗混特点：流速很小、粘度很大平壁面绕流的边界层边界层（附面层Boundary Layer ）：由速度为零的壁面到速度分布“较均匀”的区域。
流体的粘性在贴近物面极薄的一层内主宰流体运动。
管内层流速度的发展1.1 层流与边界层层流起始段长度（AC ）：l = 0.065dReA B湍流质点的运动湍流：流体流动时，各质点在不同方向上作复杂的无规则运动，互相干扰地向前运动。
湍流运动在宏观上既非旋涡运动，在微观上又非分子运动。
流体质点的运行路径v xtv x 湍流脉动：在总的向前运动过程中，流体微团具有各个方向的脉动。
在湍流流场空间中的任一点上，流体质点的运动速度在方向和大小上均随时间而变。
瞬时平均速度：瞬时速度在一定时间内 t 内的平均值。
管内湍流中心区域特征：流体“层”与“层”之间粘性摩擦阻力小（可忽略），相对速度很小；湍流中的流动阻力（及动量交换）主要由流体微团的无规则迁移、脉动引起。
湍流主流湍流边界层层流底层湍流起始段长度：l = 25~40 d惯性力愈大，层流趋向于紊流转变；惯性力愈小，紊流趋向于层流转变。
粘性力惯性力===νηρDv D v Re 式中：v －流体在圆管中的平均速度（m/s ）；D －圆管内径（m ）。
雷诺数（Reynolds Number ）：惯性力和粘性力比。
对于在管内强制的流体，由层流开始向湍流转变：Re cr ≤2320层流（Recr 临界雷诺数）；Re cr ’≥13000湍流（Re cr ’上临界雷诺数）；2320＜Re ＜13000，流动处于过渡区（不稳定），可能是层流、也可能是湍流。
第四章层流流动及湍流流动•层流：流体质点作有规则的运动，在运动过程中质点之间互不混杂，互不干扰。
（流速慢）如国庆大阅兵。
•湍流（又称紊流）：流体质点作无规则的运动，除延流动方向的主要流动外，还有附加的横向运动，导致运动过程中质点间的混杂。
（流速快）如自由市场。
第一节流动状态及阻力分类一．雷诺实验现象：在速度较低的情况下，有色流线呈直线形，与周围的液体不混合-------层流流动状态在速度上升到一定值后，色线破坏，呈现出不定常的随机性质-------湍流流动状态从层流到湍流，平均流速称上临界速度Vc，；湍流到层流，平均流速称下临界速度Vc。
Vc＜Vc，判别管内流动状态：1）当管中流速V＜Vc时，一定是层流状态；2）当管中流速V＞Vc，时，一定是紊（湍）流状态；3）当Vc＜V＜Vc，时，处于过渡区。
Vc与那些因素有关：流态性质：Vc∝ν（运动粘性系数）当ν（越粘的流体），Vc是大还是小？流通截面的几何形状：Vc∝（1/d）（d圆管的直径）。
（即直径d越大的管道，Vc越小。
因为小管子，流体受管壁的限制大些，质点不易散乱。
）也就是说：粘性大的流体流动时，摩擦阻力也大，流体质点的混乱运动要难；管壁是限制流体混乱运动自由的，当流通截面越小，限制作用越大，因而流体质点的运动不易混乱。
⎪⎩⎪⎨⎧↓↑↑↑)()d ()()v (μρ粘度、管径、密度流速 ⇒ 有利于紊流的形成。
二. 流动状态判别准数——雷诺数在实验的基础上，雷诺提出了确定两种状态相互转变的条件，雷诺准数Re粘性力惯性力===νμρvd vd Re 临界雷诺准数为Re c ：流体流动从一种状态转变为另一种状态的雷诺准数Re 。
层流→紊流Re c 上=13800；紊流→层流Re c 下=2300。
⎪⎩⎪⎨⎧<<><时，为过渡状态当时，为紊流状态当时，为层流状态当上下上下c c c c Re Re Re Re Re Re Re 一般取Re c = 2300。
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。
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）。
