4-粘性流体力学与层流流动
流体运动中的黏滞流与层流现象
流体运动中的黏滞流与层流现象引言流体力学是研究流体力学行为和性质的学科，它广泛应用于各个领域，如航空、海洋、能源等。
在流体力学中，黏滞流与层流现象是两个重要的概念。
黏滞流指的是流体在管道中以一种黏稠的方式流动，而不是整齐地沿着管道壁面流动。
层流现象则是指在管道中，流体以分层的方式流动，每一层流体的速度都不同。
本文将介绍流体运动中的黏滞流和层流现象的基本概念、特点和数学描述，以及它们的应用和研究领域。
黏滞流黏滞流是指流体在流动过程中，由于黏滞力的作用，会发生相对运动的现象。
黏滞力是由于分子间的相互作用而产生的，它会阻碍流体的流动。
黏滞力的大小和流体的黏度有关，黏度越大，黏滞力越大，流体的黏滞程度越高。
黏滞流的特点是流体的速度不均匀，流速在不同位置和不同方向上有差异。
流体的速度变化也会导致流体的流线变形。
黏滞流通常发生在粘稠度较高的流体中，如糖浆、石蜡等。
黏滞力的数学描述黏滞力可以用牛顿黏滞定律来描述。
牛顿黏滞定律指出，黏滞力与流体的剪切应力成正比，比例系数为流体的黏度。
数学表达式如下：F = μA(d v/dy)其中，F表示黏滞力，μ表示黏度，A表示流体的受力面积，dv/dy表示流体的速度梯度。
根据牛顿黏滞定律，黏滞力与速度梯度成正比，速度梯度越大，黏滞力越大。
黏滞流的应用与研究黏滞流的应用广泛存在于生活和工业中。
例如，在润滑油的运动过程中，黏滞力会保持润滑油的黏稠度，使其能够在机械设备中起到润滑和减少摩擦的作用。
此外，黏滞流也用于流体的输送和搅拌等过程中。
在科学研究中，黏滞流的研究对于理解流体的运动和性质有重要意义。
通过研究黏滞流，可以推导出流体的运动方程，并解决一些实际问题。
该领域的研究还涉及到流体的力学、热学和传热问题，为流体力学的发展做出了重要贡献。
层流现象层流现象是指在管道中，流体以分层的方式流动，每一层流体的速度都不同。
层流现象是由于各层流体之间的剪切力较小而形成的。
层流现象通常发生在黏滞度较低的流体中，如水、气体等。
流体力学中的湍流与层流
流体力学中的湍流与层流流体力学是研究流体运动规律的学科，其中湍流与层流是流体运动中的两种基本类型。
湍流和层流在流体力学中具有不同的特点和运动规律，对于理解流体的行为以及各种流体系统的设计和优化具有重要意义。
一、湍流的特点与规律湍流是指流体在流动过程中出现的不规则、混乱的运动状态。
与湍流相对的是层流，层流是指流体在管道、河流等狭窄空间中呈现平行的流动状态。
湍流和层流的主要区别在于流体的速度和流动方式。
湍流的特点有以下几个方面：1. 不规则性：湍流的流速和流向都不是固定不变的，而是随机变化的。
流体颗粒在湍流中呈现出旋转、混杂的状态，导致流体运动迅猛且不可预测。
2. 湍流能量耗散快：湍流中能量的转移和耗散比层流更快。
湍流的不规则性使得流体颗粒之间发生碰撞和混合，导致动能耗散增加，从而使湍流的能量耗散速率更高。
3. 湍流的湍流：湍流内部还存在着更小尺度的湍流结构，形成了多层次的湍流现象。
这种湍流内部的湍流结构不断分裂和混合，使得湍流的流速和流向变得更加复杂。
湍流的产生与维持是一个相对复杂的过程，受到多种因素的影响。
主要因素包括流体的速度、粘度、密度以及流动的几何形状等。
当流体速度超过一定的临界值时，湍流就会发生。
湍流的维持则需要持续提供足够的能量，否则流体会逐渐转变为层流状态。
二、层流的特点与规律层流是指流体在管道、河流等狭窄空间中呈现平行的流动状态。
相对于湍流而言，层流的主要特点在于流体颗粒之间没有明显的相互干扰和碰撞，流体运动呈现出有序的状态。
层流的特点如下：1. 平行流动：层流中的流体颗粒沿着管道或河流的轴线方向运动，且速度相同。
流体颗粒之间的相对位置保持稳定，没有明显的交换和混合。
2. 速度分布均匀：由于流体颗粒之间没有明显的相互作用，层流中的速度分布均匀。
流体速度沿着截面的任意一条线上都相同，呈现出流速分布均匀的状态。
层流的形成与流体的流速、粘度、管道直径等因素有关。
当流体速度较低、粘度较高、管道直径较小时，流体倾向于呈现出层流的状态。
流体力学中的湍流与层流
流体力学中的湍流与层流在流体力学中，湍流和层流是两个重要且常见的概念。
它们描述了流体在管道、河流、大气中等流动情况下的特点和行为。
湍流和层流在不同的应用领域具有不同的重要性和影响。
本文将对流体力学中的湍流和层流进行详细的论述和解释。
一、湍流的定义和特点湍流是指流体在某一区域内流动时呈现出的混乱、不规则的特征。
它的特点包括流速剧烈变化、涡旋的生成和湍流能量的衰减等。
湍流是一种高度复杂的流动形式，其背后的数学模型仍然是一个未解之谜。
湍流的发生与流体的流速、粘度和几何形状等因素密切相关。
当流速达到一定值时，流体就有可能发生湍流。
此外，粘度也是影响湍流形成的重要因素，粘度越小，流体越容易形成湍流。
湍流的特点之一是剧烈的速度变化。
在湍流中，流体的速度会不断变化，并且会形成旋涡结构。
湍流的速度分布是非均匀的，存在着各种尺度的旋涡结构。
湍流还表现出随机性和混沌性。
湍流的形态和流动路径是随机的，很难通过简单的物理规律进行预测。
湍流中的各种旋涡结构相互作用、相互影响，导致流场的运动变得非常复杂，并且会随着时间的推移而不断演变。
二、层流的定义和特点层流是指流体在管道或河道中流动时，流速沿着某一方向保持恒定，且流体之间的相对运动较小的现象。
相对于湍流而言，层流具有一些独特的特点和优势。
层流的特点之一是流速沿流动方向的分布均匀。
在层流中，流体的速度呈现出整齐的层状分布，且沿流动方向保持恒定。
这种均匀的速度分布可以使流体的输送更加稳定和可控。
另一个特点是流体之间的相对运动较小。
相对于湍流而言，层流中流体之间的速度差异较小，有利于减少能量损失和流动的阻力。
因此，在一些需要稳定流动的工程领域，如管道输送、空调系统等，层流往往被广泛应用。
三、湍流与层流的区别和联系湍流和层流在流体力学中起到了不同的作用，它们有着明显的区别和联系。
首先，湍流与层流的速度分布不同。
湍流中的速度分布是不均匀的，存在着剧烈的涡旋和速度变化；而层流中的速度分布较为均匀，流体之间的速度差异较小。
第4章粘性流体动力学基础
流体力学研究所 张华
du A B dy
n
1
2 3
1
4
0
du dy
1 . =0+µ du/dy，binghan流体，泥浆、血浆、牙膏等 2 . =µ du/dy）0.5 ，伪塑性流体，尼龙、橡胶、油漆等 （ 3 . =µ du/dy ，牛顿流体，水、空气、汽油、酒精等 4 . =µ (du/dy)2，胀塑性流体，生面团、浓淀粉糊等 5 . ＝0，µ 0，理想流体，无粘流体。 ＝
的影响 （2）圆柱绕流 理想流体绕过圆柱时的流动特点：
流体力学研究所 张华
• 在流体质点绕过圆柱的过程中，只有动能、压能的相互 转换，而无机械能的损失。在圆柱面上压强分布对称， 无阻力存在。（达朗贝尔疑题）
20/59
EXIT
2. 流体的粘滞性对流动的影响 粘性流体绕圆柱时的绕流特点：
• 雷诺数的物理意义： 雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与粘性力之比。
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EXIT
4.2、雷诺实验、层流与湍流
流体力学研究所 张华
雷诺数正比于惯性力与粘性力之比的说明：
•
惯性力正比于质量乘加速度：
～ ρ V2 L2
•
粘性力正比于剪应力乘面积：
～ μVL
•
VL Re 因此惯性力与粘性力之比正比于：～
VL Re ,
其中L是特征长度 如板长 ,
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EXIT
4.2、雷诺实验、层流与湍流
流体力学研究所 张华
• 实验发现，随着雷诺数增加而呈现的不同流态(层流或湍 流)对于流动的摩擦阻力、流动损失、速度分布等影响很 大。
• 雷诺数之所以对粘性流体运动的流态及其他相关特性起 着重要作用，在于雷诺数具有很明显的物理意义。
第4章_粘性流体的流动阻力计算
p1 p2 0 l z z 1 2 R
得
均匀流动的水头损失为
0l hf 或 R
0 Ri
均匀流动中R为已知，如果解决了0 的计算，便可确定水力 坡度 i，计算出均匀流体中的水头损失 hf 。 0与流体的流动状态有关，当流体作层状流动时，可由牛顿 内摩擦定律计算，但实际流体的流动不止这一种状态。
Re 上临界雷诺数：
' cr ' vcr d
，下临界雷诺数：
Re cr
vcr d
对几何形状相似的一切流体，其下临界雷诺数 Recr 基本相等，即
' Re cr 2320 ；上临界雷诺数 Recr 可达12000或更大，并且随试验环境、
流动起始状态的不同而有所不同。
2.流动状态判别准则
4.2
粘性流体的均匀流动
4.2.1 均匀流动基本方程 从定常均匀流动中取出单位长度的流体，两断面为过水断面1-1 和2-2，由于是均匀流动，则A1=A2=A，v1=v2=v。流体作等速流动。 沿流向的力平衡方程：
P1 P2 Gcos T 0
即： p1 A p2 A Alcos 0 Xl 0
A a2 a R X 4a 4
（a为正方形边长）
水力半径与一般圆截面的半径是完全不同的概念
4.1.2 流体运动与流动阻力的两种形式
流体的运动所受的阻力与所经过的过水断面密切相关， 流体的流动和流动阻力有两种形式： 1.均匀流动和沿程阻力损失 均匀流动：流体通过的过水断面面积大小、形状和流体 流动方向不变，流体速度分布不变。 沿程阻力：在均匀流动时流体所受的沿流程不变的摩擦 力。 沿程阻力损失：为克服沿程阻力消耗的能量hf 。 2.不均匀流动和局部阻力损失 不均匀流动：流体通过的过水断面的面积大小、形状和 流体流动方向发生急剧变化。则流体的流速分布也产生急 剧变化。 局部阻力：流体在一个很短的流段内形成的阻力。 局部阻力损失：克服局部阻力而产生的能量损失hj。
工程流体力学名词解释和简答题 大全
一、名词解释1．理想流体：实际的流体都是有粘性的，没有粘性的假想流体称为理想流体。
2．水力光滑与水力粗糙管：流体在管内作紊流流动时（1分），用符号△表示管壁绝对粗糙度，δ0表示粘性底层的厚度，则当δ0＞△时，叫此时的管路为水力光滑管；（2分）当δ0＜△时，叫此时的管路为水力粗糙管。
（2分）3．边界层厚度：物体壁面附近存在大的速度梯度的薄层称为边界层；（2分）通常，取壁面到沿壁面外法线上速度达到势流区速度的99％处的距离作为边界层的厚度，以δ表示。
（3分）4．卡门涡街：流体绕流圆柱时，随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离点不断的前移；（2分）当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并随主流向下游运动，这就是卡门涡街。
（3分）1、雷诺数：是反应流体流动状态的数，雷诺数的大小反应了流体流动时，流体质点惯性力和粘性力的对比关系。
2、流线：流场中，在某一时刻，给点的切线方向与通过该点的流体质点的刘速方向重合的空间曲线称为流线。
3、压力体：压力体是指三个面所封闭的流体体积，即底面是受压曲面，顶面是受压曲面边界线封闭的面积在自由面或者其延长面上的投影面，中间是通过受压曲面边界线所作的铅直投影面。
4、牛顿流体：把在作剪切运动时满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。
5、欧拉法：研究流体力学的一种方法，是指通过描述物理量在空间的分布来研究流体运动的方法。
6、拉格朗日法：通过描述每一质点的运动达到了解流体运动的方法称为拉格朗日法。
7、湿周：过流断面上流体与固体壁面接触的周界称为湿周。
8、恒定流动：流场中，流体流速及由流速决定的压强、粘性力、惯性力等也不随时间变化的流动。
9、附面层：粘性较小的流体在绕过物体运动时，其摩擦阻力主要发生在紧靠物体表面的一个流速梯度很大的流体薄层内，这个薄层即为附面层。
10、卡门涡街：当流体经绕流物体时，在绕流物后面发生附面层分离，形成旋涡，并交替释放出来，这种交替排列、有规则的旋涡组合称为卡门涡街。
流体力学中的流体的黏滞流动特性
流体力学中的流体的黏滞流动特性在流体力学中，黏性是指由于流体分子内部间的摩擦而产生的一种阻碍流体流动的现象。
黏性可以影响流体的流动速度、流体层间的相对运动以及流体中的剪切力等因素。
本文将探讨流体的黏滞流动特性，并介绍一些经典的黏滞流动模型。
黏性是指流体分子之间的内部摩擦力，也可以说是流体流动的内部阻力。
在流体的黏滞流动中，流体分子之间的摩擦力会导致流体内部各层间存在相对滑动。
黏滞系数是流体黏滞性的度量，常用符号为η。
流体的黏滞性取决于流体的物理性质，如温度、压力和组成等，通常是温度的函数。
黏滞流动可以分为层流和湍流两种模式。
层流是指流体在管道或流动通道中呈现的流线型流动，其中各个流体层之间不存在明显的相互干扰。
在黏滞流动的层流中，黏性力主导着流体的运动，使得流体的速度沿流动方向逐渐减小。
湍流是指流体在管道或流动通道中呈现的混乱和不规则的流动模式，其中各个流体层之间存在剧烈的相对运动。
在湍流中，黏性力无法抑制流体的变动和混乱，形成了涡旋和湍旋等流体结构。
黏滞流动的特性可以用流体黏滞系数来描述。
对于层流，流体的黏滞系数η可以用斯托克斯公式进行计算。
斯托克斯公式是一种经验公式，适用于小尺度和低速流动条件下的层流情况。
斯托克斯公式表明，流体的黏滞系数与流体的密度、流体粘度以及流体粒径等因素相关。
对于湍流，黏滞系数的计算较为复杂，需要考虑流体中的湍流结构、湍流强度以及涡旋等因素。
在工程应用中，黏滞流动的特性对于流体的传输、输运以及搅拌等过程具有重要的影响。
例如，在石油工业中，黏滞流动的特性对于油井生产、管道输送以及油品精炼等环节具有重要的作用。
在飞行器设计中，黏滞流动的特性影响着飞机、火箭等载具的气动性能，对于提高飞行器的飞行效率和稳定性有着关键的作用。
除了层流和湍流外，黏滞流动还可以分为准层流和过渡流动等模式。
准层流是介于层流和湍流之间的一种流动状态，具有一定的流体混合和层状流动的特性。
过渡流动是从层流到湍流的过渡过程，其中流体的黏滞力开始失去控制，流动呈现出不规则和混乱的特性。
流体力学第四章-黏性流体的运动和阻力计算
6、层流起始段长度——见课本74页
*4.4 圆管中的湍流流动
30
一、脉动现象与时均值
1、这种在定点上的瞬时运动参数随时间而发生波动的现象称为
脉动。
2、时均法分析湍流运动
u u u'
如取时间间隔T，瞬时速度在T时间内的平均值称为时间平均 速度，简称时均速度，即
二局部阻力某段管道上流体产生的总的能量损失应该是这段管路上各种能量损失的迭加即等于所有沿程能量损失与所有局部能量损失的和用公式表示为三总能量损失能量损失的量纲为长度工程中也称其为水头损失221圆管层流时的运动微分方程牛顿力学分析法可参考课本71页的ns方程分析法取长为dx半径为r的圆柱体不计质量力和惯性力仅考虑压力和剪应力则有pdpdxdprdxdpdrdudxdpdrdu根据牛顿粘性定律再考虑到则有dr图41圆管层流的速度和剪应力分布25在过流断面的任一半径r处取一宽度为dr的圆环如图42所示
u1
Tudt1
T(uu')dt1
Tudt1
T
u'dt
T0
T0
T0
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T
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T0
时均压强
p
1
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T0
.
二、湍流的速度结构、水力光滑管和水力粗糙管
31
1．湍流的速度结构 管中湍流的速度结构可以划分为以下三个区域：
（1）粘性底层区（层流底层）：在靠近管壁的薄层区域内，流 体的粘性力起主要作用，速度分布呈线性，速度梯度很大，这 一薄层叫粘性底层。如图所示。
湍流 层流的临界速度 ——下临界流速
v c ——上临界速度
v c ——下临界速度
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4-粘性流体力学与层流流动
流体力学是研究流体运动规律的科学分支，可以分为粘性流体力学和
非粘性流体力学。
其中，粘性流体力学主要研究的是流体内部分子间相互
作用所引起的黏性阻力，并分析流体在受力作用下的运动规律。
而层流流
动则是粘性流体力学中的一种重要流动现象。
粘性流体力学是流体力学中的一个重要分支，其研究的对象为具有黏
性的流体。
黏性流体的粘度是描述流体黏性大小的物理量，它决定了流体
的黏滞阻力大小。
黏性流体的运动可以分为层流流动和湍流流动两种模式。
层流流动是指黏性流体在导体内部或流道内的流动方式，其特点是流
动速度场呈现规则性，流体各层之间的速度梯度较小。
在层流流动中，黏
性阻力主要通过分子间的黏性作用传递，流体流动稳定，流线连续而平行。
层流流动通常发生在低速、长管道或细颗粒填充床中。
而湍流流动则是流体在高速或复杂几何形状中的流动方式，其特点是
速度场无规则变化，存在涡旋和漩涡结构。
湍流流动中的黏性阻力主要由
于流体内部不同速度层之间的相互作用而产生，流体流动不稳定，流线不
连续而交织。
黏性流体力学的研究内容主要包括流体的黏性阻力、黏性作用力、流
体的流速场分布以及流体稳定性等方面。
其中，黏性阻力表示了黏性流体
在流动中克服黏性阻力所需的力大小。
黏性作用力是流体分子间的相互作
用力，它决定了流体的粘性大小。
流体的流速场分布是指研究流体在不同
位置的速度大小和方向，可以通过流体力学方程和边界条件来描述。
流体
的稳定性是指流体在外界干扰下能保持稳定的能力，其稳定性不仅由黏性
力作用决定，还与流动条件、流体特性以及外界干扰因素有关。
层流流动是黏性流体力学中一种较为重要的流动现象。
层流流动的特点是流体各层之间的速度梯度较小，流线连续而平行，黏性阻力主要通过分子间的黏性作用传递。
层流流动对于一些工程问题具有重要意义，比如管道中的油水输送、微流体操控以及骨科手术中的关节润滑等。
在这些应用中，层流流动可以有效减小黏性阻力，降低能源消耗，提高流体运输效率。
综上所述，粘性流体力学是研究流体内部分子间相互作用所引起的黏性阻力，并分析流体在受力作用下的运动规律。
层流流动作为粘性流体力学中的一种重要流动现象，其特点是流体各层之间的速度梯度较小，流线连续而平行。
层流流动在工程和科学研究中具有重要应用，可以减小黏性阻力，提高流体运输效率。