一、? 流體阻力

　　流體阻力成為化工生產(chǎn)管路堵塞、管系和罐(器)壁結(jié)垢積淀、甚至影響傳熱系數(shù)的主要原因之一。

　　實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)榱黧w自身不同質(zhì)點(diǎn)之間以及流體與管壁之間的相互摩擦而產(chǎn)生阻力，造成能量損失，這種在流體流動(dòng)過程中因?yàn)榭朔枇Χ牡哪芰拷辛黧w阻力。從柏努利方程可以看出，只有在流體阻力大小已知的情況下，才能進(jìn)行有關(guān)應(yīng)用計(jì)算，不僅如此，流體阻力的大小關(guān)系到流體輸送的安全性。因此，了解流體阻力產(chǎn)生的原因及影響因素是十分重要的。

?　　二、 流體阻力產(chǎn)生的原因?

　　理想流體在流動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生流體阻力，因?yàn)槔硐肓黧w是沒有黏性的，實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流體阻力，因?yàn)閷?shí)際流體具有黏性，因此，黏性是流體阻力產(chǎn)生的根本原因。黏度作為表征黏性大小的物理量，其值越大，說明在同樣的流動(dòng)條件下，流體阻力就會(huì)越大，這已經(jīng)被理論研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。于是，不同流體在同一條管路中流動(dòng)時(shí)，流體阻力的大小是不同的；但研究也發(fā)現(xiàn)，同一種液體在同一條管路中流動(dòng)時(shí)，也能產(chǎn)生大小不同的流體阻力。因此，決定液體阻力大小的因素除了內(nèi)因(黏性)和外因(流動(dòng)的邊界條件)外，還取決于液體的流動(dòng)狀況(流動(dòng)形態(tài))。流體的流動(dòng)是不是存在不同的形態(tài)呢?1883年，雷諾用實(shí)驗(yàn)回答了這個(gè)問題。

　　三、? 流體的流動(dòng)形態(tài)

　　(1)雷諾實(shí)驗(yàn)? 圖5—19為雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，設(shè)圖中貯槽水位通過溢流保持恒定，高位槽內(nèi)為有色液體，與高位槽相接的細(xì)管噴嘴保持水平，并與水平透明水管的中心線重合，實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩管內(nèi)的流速可以通過閥門調(diào)節(jié)。

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　　打開水管上的控制閥，使水進(jìn)行穩(wěn)定流動(dòng)，將細(xì)管上的閥門也打開，使高位槽內(nèi)的有色液體從噴嘴水平噴入水管中，改變水管內(nèi)水的流速，可以發(fā)現(xiàn)三種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5—20所示。當(dāng)流速較低時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5—20(a)所示，有色液體呈一條直線在水管內(nèi)流動(dòng)；隨著水管內(nèi)水的流速的增加，這條線開始變曲并抖動(dòng)起來，像正弦曲線一樣，如圖5—20(b)所示；繼續(xù)增加水管內(nèi)水的流速，當(dāng)增加到某一流速時(shí)，有色墨水一離開噴嘴就立即與水混合均勻并充滿整個(gè)管截面，如圖5—20(c)所示。這說明，流體的流動(dòng)形態(tài)是各不相同的，通常認(rèn)為流體的流動(dòng)形態(tài)有兩種(注意不是三種)，即層流與湍流。

　　層流? 如圖5—20(a)所示，流體是分層流動(dòng)的，層與層之間是互不于擾的，或者說,流體質(zhì)點(diǎn)是做直線運(yùn)動(dòng)的，不具有徑向的速度。由于該種情況主要發(fā)生在流速較小的時(shí)候，因此也稱滯流。流體在層流流動(dòng)時(shí)，主要靠分子的熱運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)量、熱量和質(zhì)量。在化工生產(chǎn)中，流體在毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)、在多孑L介質(zhì)中的流動(dòng)、高黏度流體的流動(dòng)等多屬于層流。

　　湍流? 也叫紊流，如圖5—20(c)所示，流體不再是分層流動(dòng)的，其內(nèi)部存在很多大小不同的旋渦，流體質(zhì)點(diǎn)除具有整體向前的流速外，還具有徑向的速度，因此流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是雜亂無章的，運(yùn)動(dòng)速度的大小與方向時(shí)刻都在發(fā)生變化。液體在湍流流動(dòng)時(shí)，除靠分子的熱運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)量，熱量和質(zhì)量外，還靠質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來傳遞動(dòng)量、熱量和質(zhì)量，而且后者的傳遞能力更強(qiáng)、更快。因此，化工生產(chǎn)中的多數(shù)流動(dòng)均屬于湍流流動(dòng)。

　　而圖5—20(b)所示的流動(dòng)則可以看作是不完全的湍流，或不穩(wěn)定的層流，或者看作是兩者的共同貢獻(xiàn)，而不是一種獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

　　燃燒理論以及燃燒導(dǎo)致爆炸事故的基本理論中，層流和湍流概念是十分重要的，層流燃燒和湍流燃燒是區(qū)分可燃?xì)怏w預(yù)混系燃燒形態(tài)的重要標(biāo)志。

　　(2)流動(dòng)形態(tài)的判定? 為了確定液體的流動(dòng)形態(tài)，雷諾通過改變實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、管材及管徑、流速等實(shí)驗(yàn)條件，做了大量的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)，稱為雷諾實(shí)驗(yàn)。終于發(fā)現(xiàn)，流體的流動(dòng)形態(tài)主要與流體的密度ρ、黏度μ、流速μ和管內(nèi)徑d等4個(gè)因素有關(guān)，并可以用這4個(gè)因素組合而成的復(fù)合變量的值，即雷諾數(shù)Re的數(shù)值來判定流動(dòng)形態(tài)。雷諾數(shù)的定義如下：

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　　雷諾數(shù)是一個(gè)無因次的量，稱為特征數(shù)。對(duì)于特征數(shù)來說，要采用同一單位制下的單位來計(jì)算，但無論采用哪種單位制，特征數(shù)的數(shù)值都是一樣的。

　　根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)Re<2000時(shí)，流動(dòng)總是層流；當(dāng)Re>4000時(shí)，流動(dòng)為穩(wěn)定的湍流；當(dāng)Re＝2000～4000時(shí)，不能肯定流動(dòng)是層流還是湍流，即可能是層流也可能是湍流，但如果是層流，也是很不穩(wěn)定的，流動(dòng)條件的微小變化都可能使其轉(zhuǎn)化為湍流，通常稱為過渡流。另外，就湍流而言，Re越大，湍動(dòng)程度越高，或者說流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的雜亂無章的程度越高。

　　流動(dòng)形態(tài)的判定不僅關(guān)系流體流動(dòng)的狀態(tài)，而且關(guān)系著流體在事故狀態(tài)下的燃燒、泄漏、擴(kuò)散等問題。

　　(3)層流內(nèi)層與流動(dòng)主體? 化工生產(chǎn)中流體的流動(dòng)多為湍流，但無論流體的湍動(dòng)程度多高，由于流體與壁面間的摩擦作用，在靠近壁面的地方，總有一層流體在做層流流動(dòng)。湍流流動(dòng)的液體中，做層流流動(dòng)的流體層稱為層流內(nèi)層或?qū)恿鞯讓踊驅(qū)恿鬟吔鐚樱欢鴮恿鬟吔鐚油獾牧黧w稱為流動(dòng)主體或湍動(dòng)主體。

　　必須指出，層流邊界層的存在，對(duì)流體的傳熱與傳質(zhì)均有明顯的影響。