1、11、边界层的形成为什么引入边界层概念？为什么引入边界层概念？实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部存在剪应力实际流体与固体壁面作相对运动时，流体内部存在剪应力作用，由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁作用，由于速度梯度集中在壁面附近，故剪应力也集中在壁面附近。而远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的面附近。而远离壁面处的速度变化很小，作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。剪应力也小到可以忽略，这部分流体便可以当作理想流体。也就是说，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以也就是说，分析实际流体与固体壁面的相对运动时，应以壁面附近的流体为主要对象。
2、故普兰德提出了边界层的概念。壁面附近的流体为主要对象。故普兰德提出了边界层的概念。1、边界层的形成、边界层的形成边界层的范围：速度边界层的范围：速度(0 99)u0层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0u0u0 xy(1)边界层边界层:壁面附近速度变化较大、流动阻力集中在此区域壁面附近速度变化较大、流动阻力集中在此区域.(2)主流区主流区:离壁面较远、速度基本不变的区域离壁面较远、速度基本不变的区域,流动阻力可忽略流动阻力可忽略.2 2、平板上的流动边界层发展、平板上的流动边界层发展 注意：注意：层流边界层和层流内层的区别层流边界层和层流内层的区别层流边界层湍流边界层层流内层边界层界限u0
3、u0u0 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内层：层流内层：边界层内近壁面处一薄层，其流动类型为层流边界层内近壁面处一薄层，其流动类型为层流边界层发展：边界层厚度 随流动距离增加而增加流动充分发展：边界层不再改变，管内流动状态也维持不变.充分发展的管内流型属层流还是湍流取决于汇合点处边界层内的流动属层流还是湍流.Xouod进口段3、圆管入口处的流动边界层发展 A(停滞点、驻点停滞点、驻点):u=0，p最大；最大；AB：流通截面变小，流速：流通截面变小，流速，p；B：u最大，最大
4、，p最低；最低；Bc c：流通截面扩大，流速：流通截面扩大，流速，p C（分离点）：（分离点）：u=0，p最大；最大；CD：截面继续扩大，：截面继续扩大，p，近壁面，近壁面处流体在反向压力作用下被迫倒流，处流体在反向压力作用下被迫倒流，产生大量旋涡，此即边界层分离。产生大量旋涡，此即边界层分离。边界层在某些情况下会脱离壁面，称为边界层分离。边界层在某些情况下会脱离壁面，称为边界层分离。边界层分离的后果：1产生大量的旋涡 2造成较大能量损失流体沿壁面流过时的阻力表皮阻力（或摩擦阻力）流体的流道发生弯曲、突然扩大或缩小、绕过物体流动，引起边界层分离形体阻力。13二、二、流体的流动阻力流体的流动阻力
5、1、产生原因产生原因(1)流体具有粘性流体具有粘性,流动时存在着内摩擦流动时存在着内摩擦,是流动是流动阻力产生的根源阻力产生的根源.(2)固定的管壁或其它形状的壁面固定的管壁或其它形状的壁面,促使流动的流促使流动的流体内部发生相对运动体内部发生相对运动,为流动阻力提供外部条件为流动阻力提供外部条件.2、影响因素影响因素流体的物理性质、流动状况及壁面的形状。流体的物理性质、流动状况及壁面的形状。3、分类分类（1 1）直管阻力直管阻力hf（2 2）局部阻力局部阻力hf14 讨论讨论:ghHff）（2fh）（1fh）（3在绝对数值上相等与,直径相同的水平管内时（2）在无外功,ppfffhp令fehP
6、ugzWPugz2222121122的概念不同与（1）ppf流体在水平等径直管中作稳定流动。流体在水平等径直管中作稳定流动。fhpugzpugz22221211212121uu 21zz21pphf若管道为倾斜管，则若管道为倾斜管，则 )()(2211gzpgzphf 流体的流动阻力表现为静压能的减少；水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。17184221dppdlAFdldpp4)(221dlpp421ffppph21dlhf4uP1dFFP211221922udlpf28u22udlhf22udlhfgudlHf22以上三式为计算直管阻力损失的以上三式为计算直管阻力损失的范宁公式
7、，它适范宁公式，它适用于层流和湍流。用于层流和湍流。22422udluhf 20dRe,d2122uRlpuf242max由层流时的最大速度与压强降的关系可得：由层流时的最大速度与压强降的关系可得：与范宁公式比较与范宁公式比较Re6464du称为哈根（称为哈根（HagenHagen）泊谡叶（）泊谡叶（Poiseyulle)Poiseyulle)公式公式232dlupf22328dlpRlpuff22udlpf231 1、因次分析法、因次分析法（1）依据：依据：因次一致性因次一致性 定理：任何因次一致的物理量方程都可定理：任何因次一致的物理量方程都可以表示为准数关联式；准数个数以表示为准数关联式
8、；准数个数 i=n-m式中：式中：n为物理量个数，为物理量个数，m为用于表示所有物理量的基本因次数目为用于表示所有物理量的基本因次数目,uldfpf（2 2）步骤：找出影响因数步骤：找出影响因数得准数得准数实验得准数关联实验得准数关联式式减少了工作量减少了工作量24qkjcbafulKdp式中各物理量的因次为：式中各物理量的因次为：p=MT 2 L-1 u=L T-1 d=L ML3 =ML-1 T-1 =L将各物理量的因次代入，整理得：将各物理量的因次代入，整理得：kcqkjcbakjTLMLMT312根据因次一致性原则得根据因次一致性原则得：j+k=1j+k=1a ab+c-3j-k+q=
9、-1b+c-3j-k+q=-1c+k=2c+k=225将将b、q、k表示为表示为a、c、j的函数，整理得的函数，整理得 j1ka=-b-k-qc=2-k代入代入p的幂函数中：的幂函数中：qkkkbqkbfulKdp12qkbfddudlKup226一般一般 b=1Re,d比，称为欧拉准数Eu表示压力降与惯性力之2upf管壁的相对粗糙度dkeqqkfRddlKddudlKup2与范宁公式比较得摩擦系数与范宁公式比较得摩擦系数22udlpf27282 2、湍流流动摩擦系数的经验公式、湍流流动摩擦系数的经验公式25.0Re3164.032.0Re500.00056.029（1-391-39）（1-4
10、01-40）)Re/35.91lg(214.1dlg21d005.0)Re/d14.1dlg21005.0)Re/d303132上图可以分成上图可以分成4 4个不同区域。个不同区域。层流区：层流区：Re 2000，=64/Re，与与/d无关。无关。过渡区：过渡区：2000 Re 4000湍流区：湍流区：Re 4000,与与Re 和和/d有关。有关。完全湍流区完全湍流区(阻力平方区阻力平方区)：与与Re 无关，无关，仅与仅与/d有关。有关。查表举例查表举例1.Re=103，=0.06 2.Re=104，/d=0.002 =0.034 3.Re=107，/d=0.002 =0.02334 由图可以
11、看出有四个不同的区域:(1)滞流区Re2000。与管壁粗糙度无关，和Re准数成直线关系。(2)过渡区Re=20004000。在此区域内滞流或湍流的Re曲线都可应用。为安全起见，对于流动阻力的计算，一般将湍流时的曲线延伸，以查取值。(3)湍流区Re4000及虚线以下的区域。这个区的特点是摩擦系数与Re准数及相对粗糙度/d都有关，当/d一定时，随Re数的增大而减小，Re值增至某一数值后值下降缓慢；当Re值一定时，随/d的增加而增大。3536层流与湍流的区别层流与湍流的区别37方法是用当量直径方法是用当量直径de代替圆管中的代替圆管中的d,定义当定义当量直径为量直径为注意注意:d:de e仅用于阻力
12、损失和雷诺数的计算中仅用于阻力损失和雷诺数的计算中ududlheefRe,22而速度而速度u u为实际平均速度，不能用为实际平均速度，不能用dede来计算来计算.Ade44润湿周边管道截面积圆管圆管ddded424Rr)(2)(2)(422rRdrRrReAed4A A 管道截面积管道截面积 浸润周边长度浸润周边长度当量直径法：当量直径法：)(2)(24baabbaabedab矩形管矩形管环形管环形管39非圆管层流时非圆管层流时c/Re,c/Re,40200097310721.191007.0Re3ud0658.097364Re64J/kg69.521.107.0100658.0222udlh
13、fm58.081.969.5ghHffPa517869.5910ffhp413kg/m2.998310005.1531053.110005.12.22.99807.0udRe00286.0702.0ddJ/kg33.922.207.010027.0222udlhfm95.081.933.9ghHffPa931333.92.998ffhp421、阻力系数法：、阻力系数法：22uhf2、当量长度法：、当量长度法：22udlhef-阻力系数阻力系数 le-当量长度当量长度实测的实测的和和le已成图表，供设计使用已成图表，供设计使用43221)1(AA3、常见局部阻力常见局部阻力1突然扩大突然扩大 u
14、1A1A2u21215.0AA5.0,1ce3 3管出口与管入口管出口与管入口2 2突然缩小突然缩小 u1A1A2u244454647484950减少流动阻力的途径减少流动阻力的途径：管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯尽量不安装不必要的管件和阀门等；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。管径适当大些。51525354555657582)(2udllhef596061626364656623kg/m8903102.1fWpugzpugz2222121121211.104.0785.0360054222dVus22udlWWWfff431001.3103.11.189004.0Reud673.00075.0403.0d5.0036.05.175.04.615.94.675.05.15.098.1021.115.904.010036.0222udlWfm62.481.9/)98.1021.18901030(/)2(23222gWuphf1出口
