流體的粘性和牛頓粘性定律94

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1、1.4.1流體的粘性和牛頓粘性定律（1）牛頓粘性定律1.4流體流動(dòng)阻力速度分布（速度側(cè)形）：速度沿距離的變化關(guān)系。uF0xu=0yYdudy平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度牛頓粘性定律：實(shí)測發(fā)現(xiàn)：意義：剪應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。描述了任意兩層流體間剪應(yīng)力大小的關(guān)系。（2）流體的粘度①　物理意義——?jiǎng)恿φ扯?，簡稱粘度②　單位SI單位制：Pa·s(N·s/m2)物理單位制：P(泊),達(dá)因·秒/厘米2cP(厘泊)換算關(guān)系：1cp=0.01P=10-3Pa·s=1mPa·s單位：1S

2、t=1cm2/s=100cSt=10-4m2/s③　運(yùn)動(dòng)粘度m2/s(3)影響因素①液體粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。②氣體粘度隨溫度升高而增大，壓力影響很小。但在極高壓力下，隨壓力增加有所增加；而在壓力極低情況下也要考慮壓力的影響。（4）數(shù)據(jù)來源各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測得。在缺少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式估算粘度。對(duì)于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對(duì)于液體則較差。(5)混合物的粘度按一定混合規(guī)則進(jìn)行加和對(duì)于分子不聚合的混合液可用下式計(jì)算常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計(jì)算說

3、明：不同流體的粘度差別很大。例如：在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20℃的條件下，空氣、水和甘油的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度分別為：空氣＝17.9×10-6Pas，ν＝14.8×10-6m2/s水＝1.01×10-3Pas，ν＝1.01×10-6m2/s甘油＝1.499Pas，ν＝1.19×10-3m2/s（6）流體類型①　牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。②非牛頓型流體?a——表觀粘度，非純物性,是剪應(yīng)力的函數(shù)。Ⅰ假塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而減小。幾乎所有

4、高分子溶液或溶體屬于假塑性流體。Ⅱ脹塑性流體：表觀粘度隨速度梯度的增大而增大。淀粉、硅酸鹽等懸浮液屬于脹塑性流體。Ⅲ粘塑性流體：當(dāng)應(yīng)力低于τ0時(shí)，不流動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力高于τ0時(shí)，流動(dòng)與牛頓型流體一樣。τ0稱為屈服應(yīng)力。如紙漿、牙膏、污水泥漿等。Ⅳ觸變性流體：表觀粘度隨時(shí)間的延長而減小，如油漆等。Ⅴ粘彈性流體：既有粘性，又有彈性。當(dāng)從大容器口擠出時(shí)，　擠出物會(huì)自動(dòng)脹大。如塑料和纖維生產(chǎn)中都存在這種現(xiàn)象。0du/dyτ粘塑料流體假塑料流體脹塑料流體CBADA-牛頓流體；B-假塑性流體；C-賓漢塑性流體；D-脹塑性

5、流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系1.4.2流體流動(dòng)的類型---層流及湍流（1）雷諾實(shí)驗(yàn)1883年,英國物理學(xué)家OsboneReynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)（2）雷諾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流湍流：主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng)；特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)。層流：*流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng)；*流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞；*流動(dòng)阻力來源于層間粘性摩擦力。過渡流：不是獨(dú)立流型（層流+湍流），流體處

6、于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。（3）實(shí)驗(yàn)分析①　影響狀態(tài)的因素：Re是量綱為一數(shù)群②　圓形直管中Re≤2000穩(wěn)定的層流Re≥4000穩(wěn)定的湍流2000＜Re＜4000不穩(wěn)定的過渡流（1）剪應(yīng)力分布1.4.3直圓管內(nèi)流體的流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng):整理得：——適用于層流或湍流ldrRuyτ流體在圓管中速度分布曲線的推導(dǎo)p1p2h1h2剪應(yīng)力分布τmax（2）層流的速度分布流體在圓管內(nèi)分層流動(dòng)示意圖可見，層流流動(dòng)的速度分布為一拋物線；壁面處速度最小，0管中心處速度最大或Re≤2000uumaxd層流時(shí)流體在圓管中的

7、速度分布因此動(dòng)能校正因子：說明：圓管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)的幾個(gè)重要關(guān)系②壁面剪應(yīng)力與平均流速間的關(guān)系故：（3）湍流時(shí)的速度分布和剪應(yīng)力①湍流描述主要特征：質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)瞬時(shí)速度=時(shí)均速度+脈動(dòng)速度——渦流粘度，與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。湍流時(shí)uOttC點(diǎn)A處流體質(zhì)點(diǎn)的速度脈動(dòng)曲線示意圖較常見的情況，當(dāng)Re處于1.1×105~3.2×106之間時(shí)，指數(shù)此時(shí)動(dòng)能校正因子獲得方法：實(shí)測、經(jīng)驗(yàn)公式②速度分布u/umaxReRemax1061051041031021070.90.80.70.60.5106105104103102107

8、通?？扇【_計(jì)算時(shí)，利用下圖。橫坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：求平均流速的方法:①　速度分布未知②　速度分布已知1.4.4邊界層概念（1）流動(dòng)邊界層①　邊界層的形成條件流動(dòng)；實(shí)際流體；流過固體表面。②形成過程流體流經(jīng)固體表面；由于粘性，接觸固體表面流體的流速為零；附著在固體表面的流體對(duì)相鄰流層流動(dòng)起阻礙作用，使其流速下降；對(duì)相鄰流層的影響，在離開壁的方向上傳遞，并逐漸減小。最終影響減小至零，當(dāng)流速接近或達(dá)到主流的流速時(shí)，速度梯度減少至零。u∞u∞u∞層流邊