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流体流动、传热边界层

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1.3_流体流动的基本概念

1.3_流体流动的基本概念
加，操作费增加，应综合考虑算出管径之后，圆整，重 新算流速u。
注意：这里定义的是截面上的平均流速，而非点速度
ws = ρVs = uAρ = GA
选管?
四、定态与非定态流动 (P40)
定态
T ρ u p…=f (x，y，z）
仅与空间坐标有关 与空间和时间都有关
非定态 T ρ u p…=f (x，y，z,θ）
计算：
进口段长度：
层流：
x0
d
0.0575Re
湍流：
x0
d
Hale Waihona Puke 40 ~ 50Re 越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。
讨论_continued
流体进入圆管后在入口处形成边界层，随着流体向前流动，边界 层厚度逐渐增加，直至一段距离（进口段）后，边界层在管中心 汇合，占据整个管截面，其厚度不变，等于圆管的半径，管内各 截面速度分布曲线形状也保持不变，此为完全发展了的流动。 对于管流, 只在进口段内才有边界层内外之分。在边界层汇合处， 若边界层内流动是层流，则以后的管内流动为层流；若在汇合之 前边界层内的流动已经发展成湍流，则以后的管内流动为湍流。
边界层分离的必要条件：
流体具有粘性；
流动过程中存在逆压梯度。
边界层分离的后果： 产生大量旋涡； 造成较大的能量损失。
减小或避免边界层分离的措施：调解流速，选择适宜 的流速，改变固体的形体。
如汽车、飞机、桥墩都是流线型。
3
边界层的分离
A点：驻点（u=0）动能转化为 静压能，P最大，迫使流体改变 方向，绕柱而行
A---B：面积减小，u↑,P↓（一部 分静压能转化为动能，一部分 克服摩擦阻力而消耗掉） B: u最大，P最小 B----C 面积增大，u↓,P↑(动能一 部分转化为静压能，另一部分 克服阻力而消耗) C: u=0, P最大。由于惯性，后 继来的高压液体离开壁面，形 成分离，C点的下游形成空白区。 CC′以下：边界层脱离固体壁面， 而后倒流回来，形成涡流，出 现边界层分离。

5.34边界层型对流传热解析

5.34边界层型对流传热解析
故：湍流换热比层流换热强！
三、边界层换热微分方程组
边界层概念的引入 + 数量级分析 = 简化的换热微分方程组
二维、稳态、强制对流、层流、忽略重力
u v 0 x y
u u p 2u 2u （u v ) ( 2 2 ) x y x x y 2 2 v v p v v （u v ) ( 2 2 ) x y y x y 2 2 t t t t c p u x v y x 2 y 2
u x

雷诺(Reynolds)数
普朗特数

Pr

a
注意：特征 尺度为当地 坐标x
Re：惯性力与粘性力之比的量度。 Nu：壁面上流体的无量纲温度梯度。 Pr：粘性(动量)扩散能力与热扩散能力的量度。
与 t 之间的关系
对于外掠平板的层流流动:
u const ,
2

dp 0 dx
1 1 （1 1

1

）
1 1 （ 2 1
2
2
1

2
ห้องสมุดไป่ตู้
）
2
v v p v v （u v ) ( 2 2 ) x y y x y
1 （1

1
）
（
2

12
） 2
p ~ 0( ) y
p ~ 0(1) x
边界层内的压力梯度仅沿 x 方向变化，而边界层内法向的压力梯度极小
3个方程、3个未知量：
u、v、t，方程封闭
如果配上相应的定解条 件，则可以求解
du dp u dx dx
hx

环境工程原理思考题

环境工程原理思考题

环境工程原理思考题第一章绪论1.“环境工程学”的主要研究对象是什么?2. 去除水中的溶解性有机污染物有哪些可能的方法?它们的技术原理是什么?3. 简述土壤污染治理的技术体系。

4. 简述废物资源化的技术体系。

5. 阐述环境净化与污染控制技术原理体系。

6. 一般情况下,污染物处理工程的核心任务是:利用隔离、分离和(或)转化技术原理,通过工程手段(利用各类装置),实现污染物的高效、快速去除。

试根据环境净化与污染防治技术的基本原理,阐述实现污染物高效、快速去除的基本技术路线。

第二章质量衡算与能量衡算第一节常用物理量1.什么是换算因数?英尺和米的换算因素是多少?2.什么是量纲和无量纲准数?单位和量纲的区别是什么?3.质量分数和质量比的区别和关系如何?试举出质量比的应用实例。

4.大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度,试说明该单位的优点,并阐述与质量浓度的关系。

5.平均速度的涵义是什么?用管道输送水和空气时,较为经济的流速范围为多少?第二节质量衡算1.进行质量衡算的三个要素是什么?2.简述稳态系统和非稳态系统的特征。

3.质量衡算的基本关系是什么?4.以全部组分为对象进行质量衡算时,衡算方程具有什么特征?5.对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时,物质的转化速率如何表示?第三节能量衡算1.物质的总能量由哪几部分组成?系统内部能量的变化与环境的关系如何?2.什么是封闭系统和开放系统?3.简述热量衡算方程的涵义。

4.对于不对外做功的封闭系统,其内部能量的变化如何表现?5.对于不对外做功的开放系统,系统能量能量变化率可如何表示?第三章流体流动第一节管流系统的衡算方程1.用圆管道输送水,流量增加1倍,若流速不变或管径不变,则管径或流速如何变化?2.当布水孔板的开孔率为30%时,流过布水孔的流速增加多少?3.拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系,试简述这种关系,并说明该方程的适用条件。

边界层流动特性分析

边界层流动特性分析
▪ 边界层方程
1.边界层方程是描述边界层内流体运动规律的基本方程，主要包括Navier-Stokes 方程和连续方程。 2.边界层方程的求解通常需要采用数值模拟或者近似解析方法，如普适函数法和相 似理论法。 3.边界层方程的研究对于揭示边界层流动的内在机制和预测流动行为具有关键作用 。
边界层概念与定义
▪ 边界层厚度测量方法
1.热膜风速计法：通过测量热膜上的热量传递来推算流体的速 度分布，从而得到边界层的厚度。 2.皮托管法：利用皮托管测量总压和静压差，计算出平均速度 ，再根据速度分布推导出边界层厚度。 3.激光多普勒测速技术（LDV）：通过发射激光束并接收反射 光的多普勒频移信号，精确测量流场速度，进而确定边界层厚 度。
边界层分离
1.边界层分离是指当流体流过曲率半径较小的固体表面时，边 界层内的流体由于离心力的作用而从固体表面分离的现象。 2.边界层分离会导致流体在分离点后方形成涡旋，从而增加流 体与固体表面的摩擦阻力并影响流体的整体流动性能。 3.边界层分离的研究对于理解和控制流体流动中的能量损失、 噪声辐射以及流体机械的性能具有重要的实际意义。
边界层的分类
1.根据流体运动的特征，边界层可以分为层流边界层和湍流边 界层。层流边界层是指流体流动呈现有序、稳定的流动状态， 而湍流边界层则表现为无序、随机的流动状态。 2.根据流体与固体表面的相对运动关系，边界层还可以分为静 止边界层和动边界层。静止边界层是指固体表面静止不动时形 成的边界层，而动边界层则是指固体表面运动时形成的边界层 。 3.根据流体与固体表面的接触方式，边界层可以进一步细分为 光滑表面边界层和粗糙表面边界层。
边界层控制技术
1.边界层控制技术是通过改变边界层的流动特性来提高流体机 械效率、降低能耗和减少环境污染的一类技术。 2.常见的边界层控制技术包括流动诱导分离控制、湍流减阻技 术和热边界层控制等。 3.边界层控制技术在航空航天、能源、交通等领域具有广泛的 应用前景，对于推动相关行业的技术进步和可持续发展具有重 要作用。

化工原理实验思考题答案

化工原理实验思考题答案

化工原理实验思考题答案化工原理实验思考题答案(一）流体流动阻力测定1. 是否要关闭流程尾部的流量调节不能关闭流体阻力的测定主要是根据压头来确定的；尾部的流量调解阀；起的作用是调解出流量；由于测试管道管径恒定；根据出流量可以确定管道内流体流速；而流速不同所测得的阻力值是不同的；这个在水力计算速查表中也有反映出的。

你在实际测试的时候是要打开流量调解阀的；肯定在尾部会有一个流量计；当出溜一段时间后；管内流体流态稳定后；即可测试。

在测试前；校核设备和仪表时；流量调解阀是关闭的；当测试时肯定是打开的2. 怎样排除管路系统中的空气？如何检验系统内的空气已经被排除干净？答：启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。

关闭出口阀后，打开U形管顶部的阀门，利用空气压强使U形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已被排除干净。

3. 本实验用水为工作介质做出的λ－Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？答：能用，因为雷诺准数是一个无因次数群，它允许d、u、、变化。

4.在不同设备上( 包括不同管径) ，不同水温下测定的λ～Re 数据能否关联同一条曲答：一次改变一个变量，是可以关联出曲线的，一次改变多个变量时不可以的。

5. 如果测压口，孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响？没有影响.静压是流体内部分子运动造成的.表现的形式是流体的位能.是上液面和下液面的垂直高度差.只要静压一定.高度差就一定.如果用弹簧压力表测量压力是一样的.所以没有影响.（二）离心泵特性曲线的测定1. 为什么离心泵启动时要关闭出口阀门？答：防止电机过载。

因为电动机的输出功率等于泵的轴功率N。

根据离心泵特性曲线，当Q=0时N最小，电动机输出功率也最小，不易被烧坏。

2. 为什么启动离心泵前要向泵内注水？如果注水排气后泵仍启动不起来，你认为可能是什么原因？答：为了防止打不上水、即气缚现象发生。

如果注水排完空气后还启动不起来。

①可能是泵入口处的止逆阀坏了，水从管子又漏回水箱。

1-3 流体的流动现象

1-3 流体的流动现象

知识点1-3 流体的流动现象1．学习目的通过简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为流动阻力的计算奠定理论基础。

流体流动的内部结构是流体流动规律的一个重要方面。

这些现象的产生在于流体的粘性。

2．本知识点的重点本知识点以层流（滞流）和湍流（紊流）两种基本流型的本质区别为主线展开讨论，要求重点掌握：（1）牛顿粘性定律的表达式、适用条件；粘度的物理意义及不同单位之间的换算。

（2）两种流型的判据及本质区别；Re的意义及特点。

（3）边界层形成、发展及边界层分离现象。

流动边界层概念的提出对分析流体流动、传热及传质现象有重要意义。

（4）非牛顿型流体的流变特性。

3．本知识点的难点本知识点无难点。

4．应完成的习题1-9.本题附图所示为冷冻盐水循环系统。

盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。

管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg，由B流至A的能量损失为49J/kg，试计算：（1）若泵的效率为70％时，泵的轴功率为若干kW？（2）若A处的压强表读数为若干Pa？[答：（1）2.31kW；(2)6.2×104Pa(表压)]1-10.在实验室中，用玻璃管输送20℃的70％醋酸。

管内径为1.5cm，流量为10kg/min。

用SI和物理单位各算一次雷诺准数，并指出流型。

[答：Re=5.66×103]1-11.用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液面维持恒定。

管路直径均为φ60×3.5mm，其它尺寸见本题附图。

各管段的能量损失为，。

两压差计中的指示液均为水银。

试求当R1=45mm，h=200mm时：（1）压缩空气的压强p1为若干？（2）U管压差计读数R2为多少？[答：(1)1.23×105Pa(表压)；(2)630mm]（提示：U形管压差计读数R1表示了BC段的能量损失，即）本知识点通过简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构，为管截面上流动的速度分布及流动阻力的计算打下基础。

传热学-名词解释

《传热学》名词解释1.热传导：温度不同的物体各部分或温度不同的两物体直接接触时依靠分子，原子及其自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象2.导热系数λ：单位厚度的物体具有单位温差时，在它的单位面积上每单位时间的导热量。

其单位为W/(m?K)3.热对流：流体内部，只依靠有温差流体微团的宏观掺混运动传递热量的现象4.对流换热：流体在与它温度不同的壁面上流动时，两者产生热量交换，这一热量传递过程称为对流换热过程5.对流换热系数（表面传热系数）h：单位面积上，流体与壁之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量。

单位为W/(m2?K)6.传热过程：冷热两种流体隔着固体壁面的换热，即热量从壁一侧的高温流体通过壁传给另一侧的低温流体的过程7.传热系数k：单位时间，单位壁面积上，冷热流体间温差为1℃时所传递的热量。

单位为W/(m2?K)8.热阻：热量传递路径上的阻力，反映了热量传递过程中热量与温差的关系；单位面积的导热热阻Rλ=δ/λ，单位为(m2·K)/W；总面积的导热热阻R=δ/(λA)，单位为K/W9.辐射换热：物体间靠热辐射进行的能量传递称为辐射换热10.温度场：某一时刻空间所有各点温度的总称11.温度梯度：沿等温线法线方向上的温度增量与发向距离的比值12.等温面：同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面叫做等温面13.热流密度矢量：单位时间单位面积上所传递的热量称为热流密度。

定义等温面上某点，以通过该点最大热流密度的方向为方向，数值上正好等于沿该方向热流密度的矢量称为热流密度矢量，简称热流矢量14.热扩散率（热扩散系数，导温系数）a：a=λ∕(ρc p)称为热扩散率，热扩散系数，导温系数，单位为m2/s，表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋于均匀一致的能力15.稳态导热：物体的温度不随时间发生变化的导热过程称为稳态导热16.临界热绝缘直径：对应于总热阻为极小值时的保温层外径称为临界热绝缘直径17.肋片效率ηf：在肋片表面平均温度下，肋片的实际散热量与假定整个肋片表面都处在肋基温度时的理想散热量的比值18.接触热阻：当导热过程在两个直接接触的固体之间进行时，由于固体表面不是理想平整的，所以两固体直接接触的界面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接触，这时就会给导热过程带来额外的热阻，这种热阻称为接触热阻19.（导热）形状因子：将有关涉及物体几何形状和尺寸的因素归纳在一起，称为形状因子20.非稳态导热：温度场随时间而变化的导热过程21.瞬态导热：物体的温度不断升高（加热过程）或降低（冷却过程），在经历相当长的时间之后，物体的温度逐渐趋近于周围物体的温度，最终达到平衡，这样的过程称为瞬态导热，即为加热或冷却过程22.周期性非稳态导热：温度按照一定的周期发生变化的导热过程23.（瞬态温度变化的）正常情况阶段：经历不规则情况后，随着时间的推移，初始温度的影响逐渐消失，此时物体内部各处温度随时间的变化率具有一定的规律，称为正常情况阶段24.集总参数法：当Bi<时，可以近似地认为物体的温度是均匀的，这种忽略物体内部导热热阻，认为物体温度均匀一致的分析方法称为“集总参数法”25.（材料的）蓄热系数：，它表示物体表面温度波振幅为1℃时，导入物体的最大热流密度26.傅立叶准则：Fo=，它是非稳态导热过程的无量纲时间27.毕渥准则：B i=hδ/λ，它表示物体内部导热热阻δ/λ与物体表面对流换热热阻1/h的比值28.自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动称为自然对流29.受迫对流：流体因受外力作用产生的流动称为受迫对流30.混合对流：受迫对流与自然对流并存的流动称为混合对流31.流动边界层：黏性流体流过物体表面时，紧挨壁面处将形成极薄的，具有很大速度梯度的流动边界层32.热边界层：当壁面与流体之间有温差时，在紧挨壁面处会出现极薄的，具有很大温度梯度的温度边界层，又称热边界层33.物理现象相似：在同一类物理现象中，凡相似的现象，空间各对应点的同名物理量分别成一定的比例34.雷诺准则：Re=ul/ν它的大小表征了流体流动时惯性力与粘滞力的相对大小35.努谢尔特准则：Nu=hl/λ，它表征壁面法向无量纲过于温度梯度的大小，而此梯度的大小反映了对流换热的强弱36.格拉晓夫准则：Gr=(gΔtαl3)/v2，表征了浮升力与粘滞力的相对大小37.普朗特准则：Pr=v/a，，它的值反映了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对大小38.（流动、热）进口段：流体从进入管口开始，需经历一段距离，管断面流速分布和流动状态才能达到定型，这一段距离通称进口段39.（流动、热）充分发展段：流体经过进口段后，流态定型，流动达到充分发展，称为流动充分发展段40.（自然对流换热的）自模化现象：对于自然对流紊流，其表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称“自模化现象”41.膜状凝结：当凝结液能很好地湿润壁面时，凝结液将形成连续的膜向下流动，称为膜状凝结42.珠状凝结：若凝结液不能很好地湿润壁面，则凝结液将聚成一个个液珠，称为珠状凝结43.沸腾：液体在受热面的加热下，液体内部产生气泡的相变过程称为沸腾44.沸腾温差（过热度）：饱和沸腾时，壁温与饱和温度之差45.（饱和、过冷、泡态、膜态）沸腾：一定压强下，当液体主体为饱和温度t s，而壁面温度t w高于ts时的沸腾称为饱和沸腾；若主体温度低于ts，而壁面温度tw高于ts的沸腾称为过冷沸腾；热量依靠自然对流过程传递到主体，蒸发在液体表面进行，这时的沸腾称为自然对流沸腾；自然对流过后，沸腾温差继续增加，之后会产生大量de气泡，称为泡态沸腾（核沸腾）；沸腾温差继续增大，当沸腾温差达到一定值时，壁面将全部被一层稳定的气膜所覆盖，这时气化只能在气膜-液交界面上进行，气化所需热量依靠导热，对流，辐射通过气膜传递，称为膜态沸腾46.黑体：物体能全部吸收外来射线，即α=1，由于可见光被全部吸收而不被反射，人眼所看到的颜色呈现黑色，故这种物体被定义为黑体47.白体: 物体能全部反射外界投射过来的射线，即ρ=1，不论是镜反射还是漫反射，由于可见光被全部反射，颜色上呈现白色，故这种物体称为白体48.透明体：如果外界投射过来的射线能够全部穿透物体，即τ=1，则称这种物体为透明体49.辐射力E：单位时间内，物体单位辐射面积向半球空间所发射全部波长的总能量称为辐射力，单位为W/m250.单色辐射力Eλ：单位时间内，物体单位辐射面积，向半球空间所发射的某一波长的能量称为单色辐射力，单位为W/(m2·μm)51.定向辐射强度I p:在某给定辐射方向上，单位时间，单位可见辐射面积，在单位立体角内所发射的全部波长的能力称为定向辐射强度52.单色定向辐射强度Iλp:在某给定辐射方向上，单位时间，单位可见辐射面积，在单位立体角内所发射的某一波长的能力称为单色定向辐射强度53.发射率（黑度）?：实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比；?=E/E b54.单色发射率?λ：?λ=Eλ/E bλ55.定向发射率?p：?p=E p/Eλp:56.单色定向发射率?λ,p：?λ,p=Eλ,p/E bλ,p57.灰体：假如某物体的光谱发射率?λ不随波长发生变化，即?=?λ=const，这种物体称灰体58.温室效应：投射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热量交换而形成的保温效应59.角系数X a,b: 表示离开表面的辐射能中直接落到另一个表面上的百分数60.有效辐射J: 单位时间离开单位面积表面的总辐射能61.投入（投射）辐射G：单位时间，单位面积表面得到的总辐射能62.重辐射面：在辐射换热系统中，表面温度未定，净辐射换热量为零的表面63.辐射隔热：减少表面间辐射换热的有效方法是采用高反射比的表面涂层，或在表面间加设遮热板，这类措施称为辐射隔热64.复合换热：当流体为气体介质时，壁面上除对流换热外，还将同时存在辐射，这种对流与辐射并存的换热称为复合换热（区别于“混合换热”）65.换热器：实现两种或两种以上温度不同的流体相互换热的设备66.（换热器的）效能?：换热器的实际传热量与最大可能的传热量之比67.（换热器的）传热单元数NTU：传热单元数NTU是表示换热器传热量大小的一个无量纲数，NTU=kA/C min。

传热学常考名词解释

传热过程：热量从壁一侧的高温流体通过壁传给另一侧的低温流体的过程。

导热系数：物体中单位温度降单位时间通过单位面积的导热量。

热对流：只依靠流体的宏观运动传递热量的现象称为热对流。

表面传热系数：单位面积上，流体与壁面之间在单位温差下及单位时间内所能传递的能量。

保温材料：国家标准规定，凡平均温度不高于350度导热系数不大于0.12w/（m.k）的材料。

温度场：指某一时刻空间所有各点温度的总称。

热扩散率：a=一表示物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向均匀一致的能力。

P c临界热绝缘直径d c:对应于总热阻R i为极小值的保温层外径称为临界热绝缘直径。

集中参数法：当B i 0-1时，可以近似的认为物体的温度是均匀的，这种忽略物体内部导热热阻，认为物体温度均匀的分析方法。

辐射力：单位时间内，物体的每单位面积向半球空间所发射全波长的总能量。

单色辐射力：单位时间内，物体的每单位面积，在波长■附近的单位波长间隔内，向半球空间发射的能量。

定向辐射力：单位时间内，物体的每单位面积，向半球空间的某给定辐射方向上，在单位立体角内所发射全波长的能量。

单色定向辐射力：单位时间内，物体的每单位面积，向半球空间的某给定辐射方向上，在单位立体角内所发射在波长，附近的单位波长间隔内的能量。

辐射强度：单位时间内，在某给定辐射方向上，物体在与发射方向垂直的方向上的每单位投影面积，在单位立体角内所发射全波长的能量称为该方向的辐射强度。

有效辐射：单位时间离开单位面积表面的总辐射能。

辐射隔热：为减少表面间辐射换热而采用高反射比的表面涂层，或在表面加设遮热板，这类措施称为辐射隔热。

黑体：能全部吸收外来射线，即〉=1的物体。

白体：能全部反射外来射线，即?=1的物体，不论是镜面反射或漫反射。

透明体：能被外来射线全部透射，即• =1的物体。

热流密度：单位时间单位面积上所传递的热量。

肋片效率：衡量肋片散热有效程度的指标，定义为在肋片表面平均温度t m下，肋片的实际散热量 '与假定整个肋片表面处在肋基温度t 0时的理想散热量 \的比值。

化工原理第四章对流传热41页PPT


Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：

化工原理 第一章 流体流动 1.4


层流 湍流
层流
层流
(a)
过渡流
(b)
过渡流
湍流
(c)
湍流
层流（或滞流 流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直 滞流） 层流 滞流
线运动,质点无径向脉动,质点之间互不混合;
湍流（或紊流 质点速度的大小和方向随时间而发生变化. 紊流） 湍流 紊流
层流： 层流 * 流体质点做直线运动 * 流体分层流动，层间不相混合、不碰撞 * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力 湍流： 湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动 特征：流体质点的脉动 过渡流： 过渡流 不是独立流型（层流+湍流），
层流边界层
过渡区
湍流边界层
Rex=ρu ox/
层流底层
x
边界层的发展
流体流过光滑平板时,边界层由层流转变为湍流发生在
Rec=2×105～3×106 × ×
滞流内层（或层流底层） 湍流边界层内划 分为三个区域 缓冲层（过渡层） 湍流层 边界层厚度（边界层外缘u=0.99u0与壁面间 的垂直距离）用下式估算,即 :
四. 滞流与湍流 判据:Re≤2000 稳定的层流 Re≥4000 湍流 判据 特征（质点的运动方式不同） 特征（质点的运动方式不同） 层流：流体沿管轴作有规则的平行线状流动 平行线状流动, 层流 平行线状流动 各质点互不碰撞,互不混合. 湍流：总体轴向流动 径向随机波动.质点作 总体轴向流动+径向随机波动 湍流 总体轴向流动 径向随机波动 不规则的杂乱运动,并相互碰撞,产生大大小小 的旋涡.
2．牛顿粘性定律 实验证明,对于一定的液体,内摩擦力与两流 体层的速度差成正比;与两层之间的垂直距离 成反比;与两层间的接触面积成正比. 对于平板间的线性速度分布可写出
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2
流体主要特征
1. 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。
流体种类
1. 不可压缩性流体：流体的体积不随压强而变化，受热时 不可压缩性流体： 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。 可压缩性流体： 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。
22
∆p du = − ⋅ r ⋅ dr 2µl
∆p r2 µ =− +c 2µl 2
∆p 2 ⋅R 当r = R， = 0时 c = u 4µl ∆p 2 R−r ∴u = 4µl
(
)
r = 0时，u = umax
∆p 2 ⋅R 代入上式得： umax = 4µl
r2 u = umax1− 2 R
Re = duρ
µ
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。
14
湍流时的速度分布
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： . du τ e = ( µ + e)
流 体 流 动、传热边界层
1
基础知识
连续介质假定
流体质点： 流体质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸， 质点 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 连续介质： 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。
剪应力
τ = (µ + ε ) ⋅ du dy
30
四、边界层的概念
1、边界层的形成 、
边界层： 流速降为未受影响流速的99%以内的区域 。 主流区
边界层区
31
2、边界层的发展 、
1）流体在平板上的流动 ）
32
对于滞流边界层：
δ
x
= 4.64
0 Rex.5
对于湍流边界层：
δ
Rex =
us xρ
Байду номын сангаас
0.376 = 0.2 x Rex
图1-15 平板间液体速度变化
图1-16 实际流体在管内的速度分布
10
流体的流动型态
两种流型—层流和湍流 两种流型 层流和湍流 层流： 层流：
图1-17 层流示意图
11
湍流： 湍流：
图1-18 湍流示意图
12
流型判据—雷诺准数 流型判据 雷诺准数
流体的流动类型可用雷诺数 雷诺数Re判断。 雷诺数 （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2000< Re <4000 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Re>2000（有的资料中为3000）的情况按湍流13 来处理。
θ2
1
θ
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：
湍流的特征是出现速度的脉动。
20
2、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 ）
P = πr 2 p1 作用于流体单元左端的总压力为： 1
流动的Re及管壁状况有关。
17
1、雷诺实验 、
滞流或层流
湍流或紊流
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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。
19
管道截面上任一点的时均速度为：
ui ≈ ∫θ ui dθ
1
——滞流流动时圆管内速度分布式
23
2）圆管内湍流流动的速度分布 ）
r u = umax1− R
1 n
——湍流流动时圆管内速度分布式 4×10-4<Re<1.1×105时，n=6； 1×10-5<Re<3.2×106时，n=7； Re>3.2×106时，n=10 。
24
3、滞流和湍流的平均速度 、
7
第3节 流体在管内流动时的摩擦阻力 节
流体的粘度
产生流动阻力的原因——内摩擦 内摩擦 产生流动阻力的原因
8
.
du 内摩擦力F： 内摩擦力 ： F = µS dy
（1-24）
. 式中：F——内摩擦力（又称剪力），N ；
du dy ——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
积分此式可得
r2 r=R Vs = 2πumax ∫r=0 r ⋅ 1− 2 ⋅ dr R 2 4 R r r = 2πumax − 2 = πR2u / 2 max 2 4R 0
Vs πR2umax / 2 umax um = = = 2 A πR 2
3
定态流动与非定态流动
定态流动： 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： 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。
4
定态流动系统的物料衡算—连续性方程 定态流动系统的物料衡算 连续性方程
1．以单位质量流体为基准 假设流体不可压缩，则
v1 = v 2 =
Q =0 ρ ；流动系统无热交换， e
1
流体温度不变，则 U 1 = U 2 。
1 2 p1 1 2 p2 z1 g + u1 + + We = z 2 g + u 2 + + Σh f 2 ρ 2 ρ
（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。
滞流流动的剪应力 ：
F τ= A
ma m du d(mu) = = ⋅ = A A dt Adt
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：
τt = (τ +τe )
du = (µ + ε ) dy
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。
37
34
3、边界层的分离 、
A点
流速为零 驻点 压强最大
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
35
36
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。
层流时平均速度等于管中心处最大速度的一半 。
26
2）湍流时的平均速度 ）
r u = umax1− 代入dVs = u ⋅ 2πr ⋅ dr得： R
1 n
r dVs = 2πumax ⋅ r ⋅ 1− ⋅ dr R
积分上式得： V
1 n
2n = πR2 ⋅ umax s (n +1)(2n +1)
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：
dVs = 2πurdr (a)
滞 流 时， 管 截 面上 速度分布为：
r2 u = umax1− 2 dr R
25
r2 dVs = umax ⋅ 2πr ⋅ 1− 2 dr R
（1） 在定态流动系统中，流体流经各截面时的质量流量恒定
Ws = ρ1u1 A1 = ρ 2u2 A2 = ⋅⋅⋅ = ρ uA = 常数
5
第2节 节
流体在管内的流动静力学
柏努利方程式
总能量衡算
2 2 1 p1,u1,ρ1 z1 0 1
' '
p2,u2,ρ2
z2 We
'
0
定态流动系统示意图
6
实际流体的机械能衡算
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作用于流体单元右端的总压力为：
P = πr p2 2
2
作用于流体单元四周的剪应力为： F = −τ (2πrl )
du du τ = µ = −µ dy dr
du F = µ(2 rl) π dr
du ∴πr p1 −πr p2 + µ2πrl =0 dr
2 2
du ∆p =− rdr dr 2µl
dy
15
16
第3节 节
流体在管内流动时的摩擦阻力
直管阻力的通式
阻力通式： 压头损失：
l u2 hf = λ d 2
l u2 Hf =λ d 2g
l ρu 2 ∆p f = λ = ρ ⋅ hf d 2
（范宁公式）
压强降：
λ 为无因次系数，称为摩擦系数 摩擦因数 摩擦系数或摩擦因数 摩擦系数 摩擦因数，与流体