冶金傳輸原理報(bào)告
管道中的流動(dòng)和孔口流出--層流與紊流《冶金傳輸原理》分動(dòng)量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸 3 篇，共14 章，系統(tǒng)地介紹了三傳的基本理論及三者的類似機(jī)理、相互關(guān)系； 同時(shí)介紹了利用相似原理來處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)和進(jìn)行模型試驗(yàn)的方法并 運(yùn)用傳輸?shù)幕局R(shí)分析復(fù)雜的冶金過程中各因素的影響機(jī)理，通過 大量的例題說明三傳的基本方程在實(shí)踐問題中的應(yīng)用通過學(xué)習(xí)三傳 定理基本了解了冶金傳輸?shù)淖饔茫趧?dòng)量傳輸中的管道中的流動(dòng)和孔 口流出在很多領(lǐng)域都有很大的作用以下介紹管道中的流動(dòng)和孔口流 出的原理及在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用管道流動(dòng)是工程常見的現(xiàn)象，比如：水在輸水管道中的流動(dòng)，油 在輸油管道中的流動(dòng)，氣體在輸氣管道中的流動(dòng)管內(nèi)的流動(dòng)非常雜， 主要問題是流動(dòng)的阻力，在不同流態(tài)條件下，流動(dòng)阻力相差很大，遵 守不同的規(guī)律通過觀察市場上的管道類型可以大概猜測其用途，每 天我們喝飲料用的吸管有的為什么是光滑筆直的，有的則中間是波浪 起伏的，還有為什么潛艇要做成水滴型等等問題，通過學(xué)習(xí)冶金傳輸 原理就可以幫助我們解決這些疑問了首先從我們的吸管的不同形狀推測其流體在其中的流動(dòng)，流體 有兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)層流和紊流層流是流體的一種流動(dòng)狀態(tài)流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著 與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動(dòng)。
此種流動(dòng)稱為層流或滯流，亦有 稱為直線流動(dòng)的流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小管內(nèi) 流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)雷諾準(zhǔn) 數(shù)Rev2320時(shí)，流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流粘性流體的層狀運(yùn)動(dòng)在這種流動(dòng)中，流體微團(tuán)的軌跡沒有明顯的不 規(guī)則脈動(dòng)相鄰流體層間只有分子熱運(yùn)動(dòng)造成的動(dòng)量交換常見的層 流有毛細(xì)管或多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、軸承潤滑膜中的流動(dòng)、繞流物體表 面邊界層中的流動(dòng)等層流只出現(xiàn)在雷諾數(shù)Re (Re = pUL/p)較小 的情況中，即流體密度p、特征速度U和物體特征長度L都很小，或 流體粘度M很大的情況中當(dāng)Re超過某一臨界雷諾數(shù)Recr時(shí)，層 流因受擾動(dòng)開始向不規(guī)則的湍流過渡，同時(shí)運(yùn)動(dòng)阻力急劇增大臨界 雷諾數(shù)主要取決于流動(dòng)形式對于圓管，Recr=2000,這里特征速度 是圓管橫截面上的平均速度，特征長度是圓管內(nèi)徑層流遠(yuǎn)比湍流簡 單，其流動(dòng)方程大多有精確解、近似解和數(shù)值解層流一般比湍流的 摩擦阻力小，因而在飛行器或船舶設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使邊界層流動(dòng)保持 層流狀態(tài)過渡狀態(tài)：流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)著色流束開始振蕩湍流是流體力學(xué)中的一個(gè)術(shù)語，是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另 一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。
具體是指流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì) 點(diǎn)間的慣性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則地流動(dòng)水利工程所涉 及的流動(dòng)，一般為紊流紊流一般相對“層流”而言一般用雷諾數(shù)判定雷諾數(shù)小，意味 著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路 內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主 要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)ReV2000為層流狀 態(tài)，Re〉4000為紊流狀態(tài)，Re=2000?4000為過渡狀態(tài)在不同 的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.流速的分布等都是不同的，因而管 道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的因此雷諾數(shù)的大 小決定了粘性流體的流動(dòng)特性速度、壓強(qiáng)等物理量在時(shí)間和空間 中發(fā)生脈動(dòng)的流體運(yùn)動(dòng)，又稱湍流紊流的主要特征是：①流體質(zhì)點(diǎn) 的運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，流場中各種流動(dòng)參數(shù)的值具有脈動(dòng)現(xiàn)象②由于脈 動(dòng)的急劇混摻，流體動(dòng)量、能量、溫度以及含有物的濃度的擴(kuò)散速率 較層流為大③紊流是有渦流動(dòng)，并且具有三維特征1883年，O. 雷諾發(fā)表了他觀測層流及紊流流態(tài)的文章，并于1894年推導(dǎo)出索流時(shí)均流動(dòng)的基本方程 雷諾方程雷諾數(shù)慣性力_ dup _ du 粘性力 卩 v湍流按其流動(dòng)特點(diǎn)可分為：①各向同性均勻紊流，是一種假想的 紊流模型，其紊動(dòng)特征（如紊動(dòng)強(qiáng)度）在各空間點(diǎn)是一樣的（均勻性）， 在各方向也是一樣的（各向同性）。
在這種紊流中沒有流速梯度，因 而沒有剪切應(yīng)力局部各向同性紊流是只考慮小尺度渦旋為各向同性 的一種紊流模型②剪切紊流，是指有時(shí)均流速梯度，因而有剪切應(yīng) 力的紊流，它又可 分為自由紊流（紊動(dòng)發(fā)展不受固體壁面限制）和 壁面紊流（流速梯度是由固體邊壁引起的） 流體的流動(dòng)特層流：hf X1.°管內(nèi)水的壓力降和流速的關(guān)系 fh OCu 1.75?2.°紊流: ff 在低速下，壓力降與流速成正比（A點(diǎn)以下），在對數(shù)坐標(biāo)上，呈線性關(guān)系；當(dāng)流速增加時(shí)（B點(diǎn)） 數(shù)據(jù)分散，在更高的流速下（C點(diǎn)以上）壓力降突然增加，與流速幾 乎是二次方關(guān)系故計(jì)算各種流體通道的沿程損失，必須首先判別流體的流動(dòng)狀態(tài)平均流速1uz 2 z對水平直管：h沿程損失=卩1-卩2 h沿程損失=LRe DK二里-"- 摩擦系數(shù)“里 Ap =九-￡U2Re D D Re d 2 z圓管內(nèi)紊流摩擦阻力：混合長度模型、K- 8雙方程模型，半經(jīng)驗(yàn)理論、處理問題的常用方法摩擦系數(shù)九二03164實(shí)際圓管中摩擦壓力損失的計(jì)算，很薄粘性流體在圓管中紊流流 動(dòng)時(shí)，緊貼固體壁面有一層的流體，受壁面的限制，脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)幾乎完 全消失，粘滯起主導(dǎo)作用，基本保持著層流狀態(tài)，這一薄層稱為粘性 底層。
粘性底層厚度父14.14V 14.14d速度越高，或運(yùn)動(dòng)粘度越低,v uU九 R皿粘性底層越薄；對于恒定直徑的管道，粘性底層厚度隨雷諾數(shù)的增加 而降低沒有絕對光滑的表面，如果用 e 表示粗糙突出部分的絕對高 度，則 ：表面粗糙全在粘性底層內(nèi)，粗糙度對摩擦沒有影響，A<5v稱為水力光滑管 ：突出部分的影響超出了粘性底層，層流層A>5v被破壞，稱為水力粗糙掌握層流與紊流的基礎(chǔ)知識(shí)就能在生產(chǎn)中發(fā) 揮其作用層流在飛機(jī)機(jī)翼上的應(yīng)用：翼型指飛機(jī)機(jī)翼或尾翼的橫剖面形 狀層流翼型是一種為使翼表面保持大范圍的層流，以減小阻力而設(shè) 計(jì)的翼型與普通翼型相比，層流翼型的最大厚度位置更靠后緣，前 緣半徑較小，上表面比較平坦，能使翼表面盡可能保持層流流動(dòng)，從 而可減少摩擦阻力層流翼型基本原理是在氣流達(dá)到接近機(jī)翼后緣升 壓區(qū)之前，盡可能在更長的距離上繼續(xù)加速，就可以推遲由層流向湍 流的轉(zhuǎn)捩層流翼型是翼型發(fā)展的重要里程碑從20世紀(jì)30年代末 開始，一批空氣動(dòng)力學(xué)家在理論和試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上提出了層流翼型設(shè) 計(jì)方法美國航空咨詢委員會(huì)(NACA)在40年代中期發(fā)布了新的翼型 族NACA1系?7系翼型，其中NACA6系層流翼型最為成功，在高速飛 機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。
層流翼型的設(shè)計(jì)方法有重大改進(jìn)，它不是按中 弧線和厚度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是按所希望的壓力分布形態(tài)設(shè)計(jì)，以獲 得較寬的層流范圍NACA6系層流翼型的基本厚度分布是按所要求的 阻力、臨界馬赫數(shù)和最大升力特性導(dǎo)出的，中弧線是按預(yù)定的載荷分 布設(shè)計(jì)的其設(shè)計(jì)思想是盡量使翼型上的最低壓力點(diǎn)向后靠，以加長 順壓梯度段長度，努力保持其邊界層為層流，以達(dá)到降低翼型總摩阻 為目的NACA6和改進(jìn)的NACA6A系層流翼型后來廣泛用于高亞速飛 機(jī)和超音速飛機(jī)上湍流在生活生產(chǎn)中的現(xiàn)象：大氣湍流按成因分為“風(fēng)暴湍流” 和“晴空湍流”前者由空氣受熱產(chǎn)生的強(qiáng)上升氣流所致，因常發(fā)于 風(fēng)暴等上升氣流旺盛的天氣而得名后者則是由于空氣流動(dòng)時(shí)不同氣 團(tuán)交匯而成風(fēng)暴可由氣象雷達(dá)預(yù)警，而“晴空湍流”由于缺乏征兆 而較易發(fā)生意外香煙產(chǎn)生的煙在最初的幾厘米，煙的流場是層流， 隨著熱空氣的向上加速，煙就開始變得不穩(wěn)定形成了湍流與此類似， 空氣中污染的擴(kuò)散就是由湍流主宰的 F1 賽車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，前車尾 部造成的湍流使后車前定風(fēng)翼下壓力損失約30%如果距離前車太近， 會(huì)造成轉(zhuǎn)向不足環(huán)繞高爾夫球的流動(dòng)更好的理解是根據(jù)相對運(yùn) 動(dòng)原理，假設(shè)高爾夫球不動(dòng)，氣體繞其流動(dòng)。
表面粗糙的高爾夫球， 流動(dòng)的邊界層分離點(diǎn)要比光滑表面的高爾夫球邊界層分離點(diǎn)靠后乘 坐飛機(jī)常常會(huì)聽到乘務(wù)員甜美的聲音提示您飛機(jī)遇到湍流，請系好安 全帶有時(shí)湍流（特別是晴空湍流）可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)上的人員受傷， 但少部分心理質(zhì)素不佳的空姐大驚小怪時(shí)，請不用驚慌，大部分情況 下飛行員都能很好對付在湍流中飛行的情況，并且記得系好安全帶層流與湍流存在于我們生活的方方面面，善于發(fā)現(xiàn)你就會(huì)驚訝于其中的奧秘！。
