流体动力学特性

第五章第五章 流体动力学特性流体动力学特性流体流体流体流体：流体由连续分布的流体质点所组成，即连续介质，如液体、气体。流体被看成是连续介质，则反映宏观流体的各种物理量，就都是空间坐标的连续函数。气体低速流动时（M0.3），气流速度变化引起的气体密度相对变化量较小，可近似假定气体密度不变；当气体高速流动时（M0.3），则须考虑气体压缩性对密度影响。 粘性流体的流动形态粘性流体的流动形态流体流动形态：流体流动形态：层流、湍流（紊流）、过渡流动层流层流：流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑动，流层间没有横向混杂。湍流（紊流）：湍流（紊流）：当流体流速超过某一数值时，流体不再保持分层流动，而可能向各个方向运动，有垂直于原流速方向的分速度，各流层将混淆起来，并有可能出现涡旋，这种流动状态叫湍流。相邻流层流体微团混乱运动带来动量交换，所以紊流比层流的摩擦阻力大得多。粘性流动中粘性力与惯性力同时存在，往往把和作为组合参数并以符号v表示：动力粘度、 运动粘度过渡流动过渡流动:介于层流与湍流间的流动状态v紊流的形成紊流的形成：流体与固体壁面、两种不同流速流体相遇壁面紊流壁面紊流：流体在开放或封闭管道中流动、流体与固体相遇自由紊流自由紊流：流体喷射入静止流体、边界层分离后进入周围自由流体边界层边界层（boundary layer）：在流体粘性力作用下，流体与接触物面间形成的流动薄层，又称流动边界层、附面层边界层的影响边界层的影响：边界层内流体的流动状态影响热质传递过程紊流及边界层紊流及边界层一、阻力及阻力系数一、阻力及阻力系数阻力： 221vAcFfrr升力： 221vAcFfLLF 阻力A 物体在垂直于相对速度方向上的投影面积v 流体与物体的相对速度c 阻力系数，与物料形状、表面状态、流体流动状态等有关f液体密度流体阻力： 221vcAFfsuperheated steamCritical fluidization velocity: 1.6 m/sSuspension velocity: 4.3 m/shot airCritical fluidization velocity: 1.1 m/sSuspension velocity: 3.4 m/sCalculated value of critical fluidized velocityHot air: 0.95 m/sSuperheated steam: 1.26 m/sThe fluidized velocity of superheated steam in drying rapeseed with SSFBD is selected as 2.5 m/sTw sin dA(wall drag)Tw dAP cos dA(from drag)Force from pressure=PdADirectionof flow摩擦阻力：作用于物料表面上的切向力沿相对运动方向上的总和形面阻力（压差阻力）：作用于物料表面上的所有压力沿相对运动方向上的总和。由于流体边界层在物体后部产生分裂而形成涡流，使后部压力降低所致。 在层流或低速流动中，流体密度变化不大，粘性作用支配流体流动，形面阻力可忽略不计 在紊流或高速流动中，流体受压缩而不受粘性作用支配，摩擦阻力可忽略不计 摩擦阻力、形面阻力随流体粘度（雷诺数）、流体运动状态不同而发生相应变化球体的阻力系数球体的阻力系数dvfRekcRe* 达朗贝尔佯谬平板的阻力系数平板的阻力系数板面垂直于流速方向板面垂直于流速方向： 摩擦阻力可忽略不计； 雷诺数较大时，边界层分裂点保持不变，压差稳定， 形面阻力变化不大； 形面阻力随流速变化而变化。层流边界层： 5 . 0Re328. 1c紊流边界层： 58. 2Relog455. 0c107Re109 层流转紊流过渡区： Re1700Relog455. 058. 2c板面平行于流速方向：板面平行于流速方向：利用阻力系数可计算阻力大小（平板双面受力）光滑平板，由层流转为紊流的临界Re=2.8106粗糙平板，由层流转变为紊流的临界雷诺数减小 其它形状物体的阻力系数其它形状物体的阻力系数圆柱、圆盘轴线垂直于流速方向二、雷诺数与相似实验二、雷诺数与相似实验雷诺数为惯性力与粘性力的比值dvfRef 流体密度 d物体特征尺寸 流体粘度 v物体与流体的相对速度 相似实验条件： 流动相似p 几何相似p 运动相似p 动力相似 相似条件（单值条件）p 边界条件边界几何形状及尺寸、边界流动条件p 起始条件流动起始时刻的运动状态，如速度、浓度等在流场中的分布p 物性条件如流动介质的密度、粘度、压缩性等量纲分析实验方法相似准数、相似准则相似准数、相似准则雷诺数 （Renold number）：粘性力相似准则 惯性力与粘性力之比斯特劳哈尔数（Strouhal number）：非恒定惯性力相似准则 非恒定惯性作用与迁移惯性作用之比弗劳德数（Froude number） ：重力相似准则 惯性力与重力之比欧拉数（Euler number, Cavitation） ：压力相似准则 压力与惯性力之比柯西数（Cauchy number） ：弹性力相似准则 惯性力与弹性力之比韦伯数（Weber number） ：表面张力相似准则 惯性力与表面张力之比Prandlt number, Grashof number, vflvtlStdvReglvFr22vpEuEvCa2lvWe2体积弹性模量表面张力系数自由表面流动自由表面流动空化流三、边界层三、边界层边界层边界层：又称附面层，是指贴近固体壁面附近的一部分流动区域，在这部分区域中，速度由固体壁面处的0发展到接近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流流速的99%。在这部分区域中，由于厚度很小，故速度急剧变化，速度梯度很大，流体的粘性效应也主要体现在这一区域中。边界层分类边界层分类：边界层内的流动也分为层流和紊流，相应的也分为层流边界层和紊流边界层。对于又有层流又有紊流的边界层又称为混合边界层。 边界层的基本问题边界层的基本问题：1、边界层的厚度2、边界层中的流态3、边界层中速度的分布4、边界层中粘性流体对固壁的作用5、边界层的发展 Re小，层流尾流Re增大，边界层分离使旋涡分离并形成尾流中的卡门涡街Re继续增大，尾流中的旋涡形状不规则并破碎，形成紊流尾流壁面压强系数2sin41pcVelocity timeOnset ofturbulenceBuffer layerViscous sublayerLaminor flow inboundary layerTurbulent flow inboundary layerBoundary-layer thicknessDistance from leading edge,xcccxuOLOLZxobZxoubZxouBoundary layer四、临界速度四、临界速度 沉降速度沉降速度：物体在静止流体中匀速下降时对应的运动速度 悬浮速度悬浮速度：物体在运动流体中处于悬浮状态时对应的流体运动速度brgFFF221tfrvCAFsffsbgVgmFfsfstACmgv)(2临界速度的确定临界速度的确定计算法计算法球形物料：ffstCgdv3)(4几种规则形状物体的临界速度及其它参数几种规则形状物体的临界速度及其它参数不规则形状物料的临界速度不规则形状物料的临界速度 实验研究表明，Re50时，若物料形状并非极端不规则，则其阻力系数与球体阻力系数相差很小，不规则形状物料可用当量球体计算； Re50时，当量球体与不规则形状物料的阻力系数差别增大，误差相应增大。 3/124. 1semdrersbebsgegsFFFFFF 221tfrvCAFtetsvv1eessACAC形状修正系数农业物料的临界速度农业物料的临界速度农业物料的临界速度一般为范围值，而非确定值临界速度的确定临界速度的确定查表法查表法 计算CRe2项或C/Re项，通过查表或图确定物料的临界速度23)(4tffsvgdC球形物料：2323)(4RefsfgdCsfsfmgC22)(8Re无因次量非球形物料：323)(4Re/tffsvgC若已知物料临界速度而求颗粒直径时，可用无因次量C/Re通过查表或图确定Re，从而确定物料直径临界速度的确定临界速度的确定实验测定实验测定五、临界速度的应用五、临界速度的应用阻力系数c飘浮系数k0阻滞系数k22tfAvmgc2tvmgk 20tvgk农业物料在空气中以临界速度运动，浮力可忽略不计吸送式：适用于近距离输送轻质、松散物料压送式：适用于远距离输送vPLP013. 0194. 1c22vdlcPLL22vcdlP20002246. 00194. 0Lc418. 0maxLc 紊流中的小涡流产生垂直向上的分力 不规则形状物料在迎风面上受气流作用产生的垂直向上分力 物料周围 环流使物料产生升力 物料与管壁相撞产生的垂直分量103 . 1 tavv松散物料垂直输送：速度系数=1.3-2.5 复杂管路：速度系数=2.4-5.0松散物料水平输送：速度系数=1.5-2.5 粘性物料：速度系数=5-10fsamQQa单位时间内流过的空气体积 物料在气流中的浓度ms单位时间内气流输送的物料质量 ma单位时间内流过的空气质量f空气密度2/13)(4cgdvffset形状系数AAe水力输送水力输送管道输送优点： 可作大角度倾斜输送 减少物料损伤 清洗物料 简单可靠、维护保养方便1、如何测定农业物料的临界悬浮速度？ 2、边界层厚度与哪些因素有关？各因素如何影响边界层厚度？本章作业本章作业