管流

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管流管流

管流正文

　　在管道内的粘性流体流动，是化工生产中最常见的流动形式。由于流动流体被固体边界所包围，常称为流动的内部问题。管道常用于输送流体，又是构成化工设备（如管壳式换热器、列管式固定床反应器等）的基本部件；加之管道几何形状简单，便于理论研究，所得结果还可为了解其他流动所借鉴。因此，研究管流在实践上和理论上都是很重要的。
　　进口段　流体刚进入管内时，整个管截面上的速度u均匀，但管壁上的速度为零。随着流体向前流动,由于流体粘性作用，管壁附近的速度降低，截面上的速度分布不断变化，直至离管口一定距离x₀后不再改变。速度分布随轴向距离变化的管段称进口段（图1）。进口段内发展着的流动，与绕流时壁面附近的流动具有相似之处。边界层厚度 δ在进口处为零，此后，沿管长逐渐增加。在边界层之外，是径向速度梯度为零的区域，这一区域沿流动方向不断缩小，流体的流速不断增加,依次由u₀、u₁、u₂、u₃变至u_max,以保持截面平均速度不变，即流量不变。无粘性流区域消失后，充分发展的速度分布就告形成。进口段长度随雷诺数而变化,在层流时约为0.058dRe（d为管径,Re为雷诺数），湍流时约为50d。

管流

　　直圆管内的速度分布　管内流动因处于不同状态而有不同规律。层流时，沿半径的速度分布呈抛物线，即：

式中R为圆管半径;r为离管轴的径向距离;u_max为在管轴处的u_x值。湍流时，速度分布可以经验地表达为幂指数形式，即：

式中y为离管壁距离;n为指数,随雷诺数而变化。在Re＝4×10³时,n＝6;在Re＝1×10⁵时,n=7;在Re＝3.2×10⁶时，n＝10。
　　速度分布也可用对数形式表示。根据半经验湍流理论导出的对数速度分布，又称通用速度分布。速度分布分三个区域处理：①在壁面附近的层流底层区，动量传递主要依靠分子传递；②在湍流区位于离壁面一定距离处，动量传递主要靠湍流微团脉动，分子传递可以忽略；③过渡区位于两者之间。各区域的划分以无因次距离参数y⁺为依据。