如何判断流体流动的类型？

任务目标

知识目标

1.了解雷诺实验现象。

2.流体流动型态分类。

技能目标

掌握流体流动型态的判断方法。

任务描述

通过对雷诺实验现象的讲解，掌握不同流体流动型态对流动阻力的影响。

知识学习

化工生产中的许多过程都与流体流动现象密切相关而它又是个极为复杂的问题，涉及面广。

1.雷诺实验

1883年雷诺通过实验揭示了流体流动有两种截然不同的流动类型。图4-21所示为雷诺实验装置示意图，在一个水箱内，水维持恒定液位，水面下安装一根带有喇叭口的水平玻璃管，管内水的流速通过阀门调节。装有红色液体的玻璃瓶通过细管平行插入水平玻璃管进口处。红色液体的密度与水基本相同，其流速与管内的水流速基本一致。

图4-21 雷诺实验装置

实验时可以观察到，当玻璃管中水流速度不大时，从细管引到水流中心的红色液体呈一直线平稳地流过整个水平玻璃管，与玻璃管里的水并不相混杂，如图4-22所示。这种现象表明玻璃管水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动，若把水流速度提高到一定数值，红色液体的细线开始出现波浪形，如图4-23所示。速度再增加，细线断裂，最后便完全消失，红色液体流出细管后随即散开，与水完全混合在一起，使整个水平玻璃管中的水呈现均匀的红色，如图4-24所示。

图4-22 实验现象（阀门开度小）

图4-23 实验现象（阀门开度中）

2.两种流动类型

图4-22所示的流动称为层流或滞流。流体的质点作直线运动，即流体分层流动彼此互不混杂。实验中，图4-22所示的红色液体呈直线形。图4-24所示的流动称为湍流或紊流。流体质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的杂乱运动，彼此间相互碰撞混合，质点速度大小和方向随时发生变化，实验中细线出现波浪形、断裂，直至完全消失。

图4-24 实验现象（阀门开度大）

3.流动型态的判据——雷诺准数

采用不同的管径和不同的流体进行实验时，除流速外，管径、流体密度和黏度都会影响流体的流动型态。雷诺将上述4个物理量组成一个数群，称为雷诺准数，简称雷诺数，用Re表示，计算式为

雷诺数为量纲一的数（或称为无因次数）。无论采用何种单位制，只要数群中各物理量单位一致，所计算出Re的值必相等。(www.xing528.com)

实验证明，流体在直管内流动，当Re≤2000，流体的流动属于层流；当Re为2000～4000时，有时出现层流，有时出现湍流，将此范围称为过渡区；当Re≥4000时，流动属于湍流。

【例4-4】 计算苯在20℃圆形直管内流动时的Re值，并判断其流动型态。已知管内径为ϕ89mm×3.5mm，苯在管内的流量为34.2m³/h。

解：查物化手册可知ρ=879kg/m³，μ=7.37×10^-4Pa·s。

按式（4-17）得：

故流体流动型态为湍流。

4.层流与湍流的速度分布

流体在圆管内流动时，无论是作层流流动还是湍流流动，在管道的任意截面上，流体各质点的速度是随着该质点到管轴中心间的距离而变化的。由于流体具有黏性，则在管壁处的速度为零，离开管壁以后速度逐渐增加，到管中心处速度最大。此种关系称为速度分布，速度分布的规律因流体流动型态而异。

（1）层流时圆管内的速度分布 理论分析和实验都已证明，流体质点只随主流方向沿管轴作有规则的平行运动。速度分布如图4-25a所示，曲线呈抛物线型，管中心处速度最大为u_max，管截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度u_max的0.5倍，即

图4-25 流体流动的速度分布情况图

a）层流 b）湍流

（2）湍流时圆管内的速度分布 湍流时，由于管内流体质点运动情况比较复杂，其质点作不规则的杂乱运动，相互碰撞，产生大大小小的漩涡，因此目前还不能完全用理论方法得到上述湍流时的速度分布规律。经实验测定，湍流时圆管内速度分布曲线如图4-25b所示。速度分布曲线不再是严格的抛物线。实验证明，管截面上各点速度的平均值u约等于管中心处最大速度u_max的0.82倍，且当Re值越大时，由于湍流主体的激烈碰撞，混合的结果使管中心各点速度基本接近，造成曲线顶部区域越广阔平坦，而靠近管壁处质点的速度迅速下降，使曲线较陡。u与u_max的比值随Re值而变化。

u≈0.82u_max （4-19）

应当指出，上述的速度分布曲线，仅适用于流体在管内流动平稳的情况。在管入口处附近，由于外来的影响还未消失，以及管路拐弯、管路分支处、管件阀门附近，液体受到干扰，这些局部地方的速度分布就不符合上述的规律。

当流体呈湍流流动时，由于流体具有黏性使管壁处速度等于零，邻近管壁处的流体受管壁处流体层的约束作用，其速度也很小，流体质点顺着管壁呈平行运动，所以管壁附近流体仍作层流流动，这一作层流流动的薄层称为层流内层或滞流内层。从滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非层流流动也非完全湍流流动的区域，这个区域称为缓冲层或过渡层，再往中心才是湍流主体。层流内层的厚度随Re增大而减小，层流内层的存在对传热与传质过程都有着重大影响，必须设法降低其厚度，以强化传热、传质，这将在后续课程中讨论。

任务实施

1）用多媒体课件讲解雷诺实验现象及其流体流动型态的判断方法。

2）用“拼图教学法”让学生判断流动型态。

3）用“滚珠教学法”让学生进行交流与考核。

任务评价

任务评价见表4-5。

表4-5 任务评价