1、流体黏性具有较大差别有一大类流体遵循牛顿定律牛顿流体所有气体和大多数低分子量的液体均属于牛顿流体，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等 泥浆、中等含固量的悬浮液 第二节 流体流动的内摩擦力(三)流体类别橡胶、油漆等 浓淀粉糊、生面团等非牛顿流体：第二节 流体流动的内摩擦力(三)流体类别泥浆：粘塑性流体 宾汉模型环境工程中重要的流体介质： 水、气、泥浆流体分类及剪切应力计算式流体分类及剪切应力计算式第二节 流体流动的内摩擦力 液体防弹衣 主要成分是一种特制“抗剪稠密液体（STF）” ，含有大量悬浮在聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。正常情况下， STF就像其他液体一样，很柔软，可以变形。一旦弹片或弹
2、头触到它，这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料，阻止弹体穿过。 第二节 流体流动的内摩擦力 可以在液体上跳舞吗？典型的非牛顿流体：第二节 流体流动的内摩擦力p层流流动 分层流动，各层之间相互影响和作用较小，剪切应力主要是由分子运动引起的。p湍流流动 存在流体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪切应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。 yudd质点脉动引起的剪切应力 以平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度质点脉动引起的动力黏性系数涡流黏度总的剪切应力为 (四)流态对剪切应力的影响(3.2.8)yuyuefftddddeff(3.2.9)涡流黏度不是物性，受流体宏观运动影响 第二节 流体
3、流动的内摩擦力（1）简述层流和湍流的流态特征。（2）什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。（3）流体流动时产生阻力的根本原因是什么？（4）什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？（5）简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。思考题一、流体的流动状态二、流体流动的内摩擦力本节的主要内容第二节 流体流动的内摩擦力要点： 流体的内摩擦力的概念 牛顿黏性定律及其适用条件 动力黏性系数 流动状态对剪切应力的影响层流（滞流）：不同径向位置的流体微团各自以确定的速度分层运动，层间流体互不掺混。 流速较小时湍流（紊流）：各层流体相互掺混，流体流经空间固定点的速度随时间不
4、规则地变化，流体微团以较高的频率发生。 当流体流速增大到某个值之后（一）流体流动的两种运动状态临界雷诺数第二节 流体流动的内摩擦力一、流体的流动状态一、流体的流动状态20002000雷诺数的特征速度与特征尺度内内第二节 流体流动的内摩擦力对于圆管内的流动：Re4000时，一般出现湍流型态，称为湍流区；2000Re4000 时，有时层流，有时湍流，处于不稳定状态，称为过渡区；取决于外界干扰条件。（1）实际流体具有黏性容器中被搅动的水最终会停 止运动 在空气中摆动的物体，随着时间的推移，摆动不断衰减，最终会停止。 黏性：在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质 第二节 流体流动的内摩擦力二、
5、流体流动的内摩擦力二、流体流动的内摩擦力(一)牛顿黏性定律现象（1）：结论（1）：（2）流动的流体内部存在相互作用力？第二节 流体流动的内摩擦力剪切力：流体内部相邻两流体层的相互作用力，也称为内摩擦力、黏性力剪切应力：单位面积上所受到的剪切力现象（2）：结论（2）：层流流动的分子存在不规则热运动发生分子动量传递 相邻两层流体动量不同 使相邻两流体层产生相互作用力黏性流体，圆心处施加力使其流动黏性流体的内摩擦实验紧贴板表面的流体与板表面之间不发生相对位移，称为无滑移 u=0u=0u=0u=UFu=Uu=0t=0第二节 流体流动的内摩擦力各层流体之间存在相互作用u=Uu=0速度分布 流体内部：内摩
6、擦力（剪切力） 固体壁面：壁面摩擦力（剪切力)Y第二节 流体流动的内摩擦力第二节 流体流动的内摩擦力欲维持上板的运动，必须有一个恒定的力F作用于其上。如果流体呈层流运动，则YUAF作用于单位面积上的力正比于在距离Y内流体速度的减少值。 流体速度的减少值（U-uU）(3.2.2)牛顿黏性定律sPa动力黏性系数，或称动力黏度，黏度，yuxdd剪切应力，N/m2垂直于流动方向的速度梯度，s-1负号表示剪切应力的方向与速度梯度的方向相反牛顿粘性定律指出：相邻流体层之间的剪切应力与该处垂直于流动方向的速度梯度yuxdd成正比。微分形式：第二节 流体流动的内摩擦力(3.2.3)yux反映了流体流动时的角变
7、形速率 yuxddtgddddddytyyux由于d很小，因此tgdd所以，角变形速率t dd为yutytyyutxxdddddddddd因此，牛顿黏性定律又揭示了剪切应力与角变形速率成正比第二节 流体流动的内摩擦力xxx经过时间dt后，流体微元体产生变形单位法向速度梯度下，由于流体黏性所引起的剪切应力的大小 yuxdd运动黏度m2/s 黏度是流体的物理性质第二节 流体流动的内摩擦力(二)动力黏性系数(3.2.5)黏度是影响剪切应力的重要因素黏度随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化（1 1）流体种类：）流体种类：一般地，相同条件下，液体的黏度大于气体的黏度。（2 2）压强）压强：气体
8、的黏度随压强的升高而增加，低密度气体和液体的黏度随压强的变化较小。 对常见的流体，如水、气体等,黏度随压强的变化不大，一般可忽略不计。 黏度的影响因素（3 3）温度）温度：是影响黏度的主要因素。 第二节 流体流动的内摩擦力水及空气在常压下的黏度 当温度升高时，液体的黏度减小，气体的黏度增加第二节 流体流动的内摩擦力解：设液层分界面上的流速为u，则剪切应力分布：yuxdd上层 下层 在液层分界面上 【例题1】两平板间有两种互不相溶的液体分层流动，设液体流动为层流，且流速按直线分布。绘制平板间液体的流速分布图与切应力分布图。上层 下层 流速分布：0111uuh 2220hu 211 202 11
9、2h uuhh0121uuuuyhhyhuu22第二节 流体流动的内摩擦力u21、哪个大？问题：【例题2】一块底面积为40 45cm2、高为1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。mg sinA=0udydu2/105. 0sinmsNAumgsPa 解：对木块进行受力分析第二节 流体流动的内摩擦力流体黏性具有较大差别有一大类流体遵循牛顿定律牛顿流体所有气体和大多数低分子量的液体均属于牛顿流体，如水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等 泥浆、中等含固量的悬浮液 第二节 流体流动
10、的内摩擦力(三)流体类别橡胶、油漆等 浓淀粉糊、生面团等非牛顿流体：第二节 流体流动的内摩擦力(三)流体类别泥浆：粘塑性流体 宾汉模型环境工程中重要的流体介质： 水、气、泥浆流体分类及剪切应力计算式流体分类及剪切应力计算式第二节 流体流动的内摩擦力 液体防弹衣 主要成分是一种特制“抗剪稠密液体（STF）” ，含有大量悬浮在聚乙烯醇流体中的硬质纳米级硅胶微粒。正常情况下， STF就像其他液体一样，很柔软，可以变形。一旦弹片或弹头触到它，这种液体就能瞬间转变成一种硬质材料，阻止弹体穿过。 第二节 流体流动的内摩擦力 可以在液体上跳舞吗？典型的非牛顿流体：第二节 流体流动的内摩擦力p层流流动 分层流
11、动，各层之间相互影响和作用较小，剪切应力主要是由分子运动引起的。p湍流流动 存在流体质点的随机脉动，流体之间相互影响较大，剪切应力除了由分子运动引起外，还由质点脉动引起。 yudd质点脉动引起的剪切应力 以平均速度表示的垂直于流动方向的速度梯度质点脉动引起的动力黏性系数涡流黏度总的剪切应力为 (四)流态对剪切应力的影响(3.2.8)yuyuefftddddeff(3.2.9)涡流黏度不是物性，受流体宏观运动影响 第二节 流体流动的内摩擦力（1）简述层流和湍流的流态特征。（2）什么是“内摩擦力”？简述不同流态流体中“内摩擦力”的产生机理。（3）流体流动时产生阻力的根本原因是什么？（4）什么情况下
12、可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？（5）简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。思考题第三节 边界层理论本节主要内容一、边界层理论的概念二、边界层的形成过程三、边界层的分离第三节 边界层理论要点：（1）边界层理论 什么是边界层？ 为什么会形成边界层？ 研究边界层的意义？ 边界层理论要点、平板上和圆直管内边界层的形成过程、边界层的厚度、进口段长度（2）边界层分离 边界层分离的概念、分离的条件及影响分离点的影响因素速度变化比较大、黏性力不能忽略的区域边界层u01904年，普兰德（Prandtl）提出了“边界层”概念，认为即使对于空气、水这些黏性很低的流体，黏性也不能忽略，但其影响仅限于
13、壁面附近的薄层，即边界层；离开表面较远的区域，则可视为理想流体。边界层理想流体u0yx第三节 边界层理论一、边界层的概念一、边界层的概念 u=Uu=0速度分布 实际流体的流动具有两个基本特征：(1)在固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零，这一特征称为流动的无滑移（黏附）特征(2)当流体之间发生相对运动时，流体之间存在剪切力流体流过壁面时,在壁面附近形成速度分布第三节 边界层理论为什么会形成边界层？为什么会形成边界层？流体在两平板间层流流动流体流过平壁面一、边界层的概念一、边界层的概念 流速很小，速度梯度很大u0边界层因剪切应力而受阻减速无滑移u0yx第三节 边界层理论一、边界层的概念一、边
14、界层的概念 为什么会形成边界层？为什么会形成边界层？分界面u=0.99u0边界层分界面： 流体速度达到来流速度99时的流体层（2）在边界层内，黏性力可以达到很高的数值，它所起的作用与惯性力同等重要，在边界层内不能全部忽略粘性；普兰德边界层理论要点：（1）当实际流体沿固体壁面流动时，紧贴壁面处存在非常薄的一层区域，流体的流速很小，但速度梯度很大边界层；u0u0yx第三节 边界层理论（3）在边界层外的整个流动区域，法向速度梯度很小，黏性力很小。在大Re情况下，可将黏性力全部忽略，近似看成是理想流体的流动。（4）大Re情况下，流动分为两个区域，流动的阻力发生在边界层内边界层流动边界层速度边界层边界层
15、理想流体与速度梯度有关流动阻力形体阻力传热、传质速率传热、传质阻力边界层理论摩擦阻力流体流动状态流场速度分布传热、传质机理yuxddyuyuefftdddd第三节 边界层理论是分析阻力机理、进行阻力计算的基础是分析热量、质量传递机理和强化措施的基础研究边界层的意义？研究边界层的意义？层流边界层速度梯度大黏性力大第三节 边界层理论（一）绕平板流动的边界层 1.绕平板流动的边界层的形成二、边界层的形成过程 边界层的厚度从平板前缘开始不断增加。在厚度较小处，流动为层流，称为层流边界层u边界层流态始终为层流层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层u u0 0u u0 0u u0 0u边
16、界层流态由层流发展为湍流第三节 边界层理论二、边界层的形成过程 与局部Re数有关当Re数超过某个值时，边界层内的流动变得不稳定，进而发生流态的转变cx层流边界层湍流边界层过渡区速度梯度大黏性力大临界距离速度梯度减小，黏性力下降，扰动迅速发展湍流中心缓冲层厚度突然增加第三节 边界层理论层流底层(黏性底层)（一）绕平板流动的边界层 1.绕平板流动的边界层的形成二、边界层的形成过程 边界层的厚度继续增加cx临界距离，与壁面粗糙度、平板前缘的形状、流体性质和流速有关，壁面越粗糙，前缘越钝， 越短cx临界雷诺数0Reuxcxc对于平板，临界雷诺数的范围为31052106，通常情况下取5105 边界层流态
17、的判别：第三节 边界层理论2.边界层内的流动状态二、边界层的形成过程 注意：层流边界层和层流底层的区别注意：层流边界层和层流底层的区别层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层边界层界限边界层界限u0u0u0 xy层流边界层：层流边界层：边界层内的流动类型为层流边界层内的流动类型为层流湍流边界层：湍流边界层：边界层内的流动类型为湍流边界层内的流动类型为湍流层流底层：层流底层： 边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流边界层内近壁面处一薄层，无论边界层内的流型为层流或湍流，其流动类型均为层流型为层流或湍流，其流动类型均为层流二、边界层的形成过程 第三节 边界层理论2.边界层内的流动
18、状态层流边界层层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层层流内层层流内层u u0 0u u0 0u u0 0发展为湍流边界层第三节 边界层理论二、边界层的形成过程 在同样外流速度下，湍流边界层的壁面摩擦力比层流边界层大得多。因为湍流边界层内流体质点的横向脉动使外层中快速运动的质点到达壁面附近，因而动量交换比分子扩散强烈得多。u=0.99u0u=0.99u0边界层的厚度xx随着x增大，边界层不断增厚第三节 边界层理论3.边界层厚度边界层厚度： 流体速度达到来流速度99时的流体层厚度对于层流边界层：2/1Re641. 4xxxRe为以距板前缘距离x为特征长度的雷诺数当地雷诺数5/1Re376. 0
19、xx对于湍流边界层：0Rexux第三节 边界层理论(3.3.1)(3.3.2)边界层的边界层的厚度是厚度是ReRe的函数的函数 讨论：边界层的讨论：边界层的厚度的影响因素厚度的影响因素（1 1）流体的物性（）流体的物性（，等）等）（2 2）流道几何尺寸）流道几何尺寸距离前端的位置距离前端的位置（3 3）流速）流速p在边界层内，黏性力和惯性力的数量级相当： 速度梯度很大 流体速度较小 p流动边界层内特别是层流底层内，集中了绝大部分的传递阻力。因此，尽管边界层厚度很小，但对于研究流体的流动阻力、传热速率和传质速率有着非常重要的意义。yudd 通常，边界层的厚度约在 的量级第三节 边界层理论黏性剪切
20、力很大惯性力与层外相比小得多103m例如：工程上减少传热、传质阻力的方法适当的增大流体的运动速度，使其呈湍流状态，以此降低边界层中层流部分的厚度，从而强化传热和传质破坏边界层的形成，在流道内壁做矩形槽，或在管外壁放置翅片，以此破坏边界层和形成，减少传热和传质阻力第三节 边界层理论环状边界层核心区流动全部被固体边界所约束 第三节 边界层理论（二）圆管内流动的边界层1.圆直管内边界层的形成二、边界层的形成过程 边界层：边界层：受内摩擦影响而产生受内摩擦影响而产生较大速度梯度较大速度梯度的区域，的区域，u u=0.99=0.99u u0 0边界层发展：边界层发展：边界层厚度边界层厚度 随流动距离增加
21、而增加随流动距离增加而增加流动充分发展：流动充分发展：边界层不再改变，管内流态也维持不变边界层不再改变，管内流态也维持不变充分发展的管内流态，取决于汇合点处边界层内的流动属于层充分发展的管内流态，取决于汇合点处边界层内的流动属于层流还是湍流流还是湍流 Xouod进口段进口段第三节 边界层理论lele充分发展段环状边界层当u0较小时，进口段形成的边界层汇交时，边界层是层流，以后的充分发展段则保持层流流动，速度分布呈抛物线型1.圆直管内边界层的形成抛物线型速度分布 层流流动第三节 边界层理论当u0较大，汇交时边界层流动若已经发展为湍流，则其下游的流动也为湍流。速度分布不是抛物线形状。在管内的湍流边界层和充分发展的湍流流动中，径向上也存在着三层流体，即层流底层、缓冲层和湍流中心。 环状边界层核心区充分发展段进口段 湍流流动流层间影响较大缓冲层层流底层湍流中心第三节 边界层理论判别流动形态的雷诺数定义为0Redu当Re2000时，管内流动维持层流 第三节 边界层理论层流时层流时湍流时湍流时充分发展段，不管层流还是湍流，边界层厚度等于圆管半径，并且不再改变。max82. 0uum8/7Re5 .61db湍流时，圆管内层流底层的厚度，当2.边界层厚度第三节 边界层理论
