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)壁結垢積淀、甚至影響傳熱系數(shù)的主要原因之一。

　　實際流體流動時，會因為流體自身不同質點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，這種在流體流動過程中因為克服阻力而消耗的能量叫流體阻力。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，才能進行有關應用計算，不僅如此，流體阻力的大小關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?

　　理想流體在流動時不會產(chǎn)生流體阻力，因為理想流體是沒有黏性的，實際流體流動時會產(chǎn)生流體阻力，因為實際流體具有黏性，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，說明在同樣的流動條件下，流體阻力就會越大，這已經(jīng)被理論研究及實驗結果所證實。于是，不同流體在同一條管路中流動時，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時，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(流動的邊界條件)外，還取決于液體的流動狀況(流動形態(tài))。流體的流動是不是存在不同的形態(tài)呢?1883年，雷諾用實驗回答了這個問題。

　　三、? 流體的流動形態(tài)

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

?

　　打開水管上的控制閥，使水進行穩(wěn)定流動，將細管上的閥門也打開，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)三種不同的實驗結果，如圖5—20所示。當流速較低時，實驗結果如圖5—20(a)所示，有色液體呈一條直線在水管內(nèi)流動；隨著水管內(nèi)水的流速的增加，這條線開始變曲并抖動起來，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，當增加到某一流速時，有色墨水一離開噴嘴就立即與水混合均勻并充滿整個管截面，如圖5—20(c)所示。這說明，流體的流動形態(tài)是各不相同的，通常認為流體的流動形態(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，流體是分層流動的，層與層之間是互不于擾的，或者說,流體質點是做直線運動的，不具有徑向的速度。由于該種情況主要發(fā)生在流速較小的時候，因此也稱滯流。流體在層流流動時，主要靠分子的熱運動傳遞動量、熱量和質量。在化工生產(chǎn)中，流體在毛細管內(nèi)的流動、在多孑L介質中的流動、高黏度流體的流動等多屬于層流。

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

　　而圖5—20(b)所示的流動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，而不是一種獨立的運動形態(tài)。

　　燃燒理論以及燃燒導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)分可燃氣體預混系燃燒形態(tài)的重要標志。

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

?

　　雷諾數(shù)是一個無因次的量，稱為特征數(shù)。對于特征數(shù)來說，要采用同一單位制下的單位來計算，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)大量實驗的結果，當Re<2000時，流動總是層流；當Re>4000時，流動為穩(wěn)定的湍流；當Re＝2000～4000時，不能肯定流動是層流還是湍流，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，流動條件的微小變化都可能使其轉化為湍流，通常稱為過渡流。另外，就湍流而言，Re越大，湍動程度越高，或者說流體質點運動的雜亂無章的程度越高。

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

　　(3)層流內(nèi)層與流動主體? 化工生產(chǎn)中流體的流動多為湍流，但無論流體的湍動程度多高，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。湍流流動的液體中，做層流流動的流體層稱為層流內(nèi)層或層流底層或層流邊界層；而層流邊界層外的流體稱為流動主體或湍動主體。

　　必須指出，層流邊界層的存在，對流體的傳熱與傳質均有明顯的影響。