定常流

定常流是指在流場中的任何一點處，如果流體微團流過時的流動參數——速度、壓力、溫度、密度等不隨時間變化的流動。

定常流(也稱恆定流)即流場中任一點的物理量(如速度、壓強、溫度、密度等)不隨時間改變的流動。在實際工程中，不少非定常流問題的運動要素隨時間變化非常緩慢，可視為定常流。許多實際情況中，流的速度剖面隨深度的變化也是緩慢的，例如，由長潮汐波的傳播所引起的純潮汐流即是如此。而且，一般認為，在海床以上1米處的水質點速度和加速度未受海床的影響，並將海床至該處的區域假設為邊界層。

基本介紹

• 中文名：定常流
• 外文名：steady flow
• 套用學科：航空科技（一級學科）
• 特點：流動參數不隨時間變化
• 又稱：恆定流
• 相對狀態：非定常流

定義

在流場中的任何一點處，如果流體微團流過時的流動參數——速度、壓力、溫度、密度等不隨時間變化，這種流動就稱為定常流。

受流體作用力

定常流(也稱恆定流)即流場中任一點的物理量(如速度、壓強、溫度、密度等)不隨時間改變的流動。在實際工程中，不少非定常流問題的運動要素隨時間變化非常緩慢，可視為定常流。許多實際情況中，流的速度剖面隨深度的變化也是緩慢的，例如，由長潮汐波的傳播所引起的純潮汐流即是如此。而且，一般認為，在海床以上1米處的水質點速度和加速度未受海床的影響，並將海床至該處的區域假設為邊界層。

當定常流經過靜止柱體時，對柱體產生作用力，包括阻力、慣性力和升力。同時，柱體也會反作用於流場，對流場產生一定影響。

阻力

當水流質點流經柱體時，流經柱體的速度會產生摩擦阻力和壓差阻力，合稱阻力，也叫速度力，摩擦阻力占總阻力的比例常不足5%。阻力方向與流速相同。當固定柱體與流速垂直時，通常認為所受流體阻力與流速的平方成正比。

慣性力

慣性力只有一個表達式，但事實上，可認為慣性力是由兩部分組成的。一部分純粹由流場中的壓力梯度造成。壓力梯度由場內流體的加速流動產生，並且，因圓柱特徵尺度小，故認為此時流體的流動不受柱體存在的影響，也就是說，在考慮流體運動時，認為柱體不存在。壓力梯度在圓柱直徑的尺度範圍內可合理地看作常數，它對流場中的圓柱體施加一個力，該力在數值上等於圓柱體所排開的流體質量與流體加速度的乘積，即由單位長度圓柱體所受慣性力第一部分。

慣性力的第二部分是圓柱體誘導的附加質量力。事實上，當我們假定流場未被圓柱體擾動時，等於假定了有流體流經圓柱體壁面。這在物理上是不現實的。因此，圓柱體必須能建立一個壓力場，它產生的流體速度在圓柱壁面上能恰好抵消流動產生的法向速度。尋找這一附加壓力場問題等價於圓柱體以一定加速度運動的流體動力問題。這樣，總的來說將沒有流體質點穿透圓柱體壁面。

升力

當流體接近圓柱形柱體的前緣時，因受阻而壓力增加，這一增高的壓力使圍繞柱體表面的邊界層(普朗特在1904年的國際數學家大會上提出，流體粘性的影響主要表現在壁面附近的薄層里，一般為1 Omm左右，壁面遠處的流體可視為理想流體，粘性影響可忽略不計)沿兩側向下游發展。但當雷諾數Re較高時，這一壓力不足以使邊界層擴展到圓柱體背後一面，而在結構斷面寬度最大點附近產生分離點(即表面速度由正到負的轉折點)。在分離點後，因反向壓力梯度，導致流體沿柱體表面產生回流，邊界層在分離點脫離結構表面，並形成向下游延展的自由剪下層，兩剪下層之間即為回流區。在剪下層範圍內，由於接近自由流區的外側部分，流速大於內側，所以流體便發生旋轉，有形成漩渦的趨勢。漩渦在柱體上下兩側交替產生並瀉入尾流，在圓柱體後面尾流區形成著名的Karman渦街，它一直伸展到下游約80倍圓柱直徑遠才瓦解。

二維流路特性

對聚合物溶液和表面活性劑構成的非牛頓流體在二維流路內的減阻和湍流傳熱現象的研究有很多。二維流路是具有矩形截面的流路，通常稱為二維通道。研究發現，不同形狀的二維通道可以獲得不同的傳熱和減阻效果。

董方正等人研究了二維矩形通道,添加表面活性劑既可以減少阻力係數，同時也能使傳熱性能發生變化。採用測壓差裝置和熱電偶測溫系統分別對通道內減阻流體的減阻性能、傳熱性能進行實驗，結果表明表面活性劑減阻流體的傳熱係數因子與阻力係數之比和水的情況有較大差異;當減阻流體的減阻率穩定時，隨著雷諾數的增大，傳熱係數因子與阻力係數之比緩慢下降;達到臨界雷諾值，傳熱係數因子與阻力係數之比波動較大，並且比值迅速增大到接近沒有添加減阻劑的水平。這表明在低雷諾數下添加劑具有很好的傳熱效果，但減阻效果不好。

西安交大的肖青等人對聚丙烯酞胺在周期性突擴突縮通道中的流動阻力特性進行研究。結果表明在200~1400wppm濃度範圍內，聚丙烯酞胺在周期性突擴突縮通道內無明顯的減阻現象。不同濃度聚丙烯酞胺溶液在二維通道內的阻力係數介於牛頓流體和Virk漸近線之間，隨著濃度的增加，減阻效果增大。當濃度為500wppm時，減阻效率可達到12%~13%，濃度為1400wppm時，減阻率達到40%。PAM在充分發展段的阻力係數隨雷諾數的變化。首先PAM阻力係數隨Re數的增加而增大，慢慢地趨於穩定，這意味著流動進入阻力平方區，但對於不同濃度的PAM來講，減阻不明顯，因而減阻效應在此通道內不存在。對於這一現象可以用湍流能量傳遞來解釋。理論認為在湍流時，壁面附近由於強的剪下鏈狀分子伸展開來與流動方向呈平行排列，因而阻礙了主流的加入，抑制了摩擦耗散的能量；但是由於周期性通道截面形狀的突擴突縮使壁面附近的邊界層不斷被破壞，層流底層的厚度也無法增加，此時摩擦損耗的能量大大低於漩渦碰撞耗散的能量，這樣高分子聚合物通過增大層流底層厚度抑制縱向能量傳遞，從而達到減小摩擦阻力的效應也就不明顯或者喪失了。

三維流路特性

聚合物溶液在三維管路中的流動特性也得到了廣泛的關注。M. P. Escudier等人實驗研究了聚合物在三維圓管流動中的減阻特性，分別考察了PAM, CMC, XG(黃原膠)在圓管中流動的f-Re曲線、平均流速、壁面剪下速率分布、軸向速度波動等。結果表明在高剪下速率下，聚合物溶液的粘彈性隨著濃度的增大而增加，XG的粘彈性效果最佳，PAM的效果最差;在低剪下速率下，CMC的效果最佳，PAM最差;另外發現，對於PAM, XG來說，儘管很難從f-Re曲線中區分層流與湍流，但與牛頓流體相比，過渡流區域轉恨點對應的雷諾數延遲了。Gadd}33}第一個指出，聚合物添加劑的湍流減阻是由拉伸應變產生，這種減阻抑制了臨近壁面區域的主流形成與破壞。實驗證實了第一法向應力差與溶液剪下應力基本呈線性關係，即第一法向應力差隨剪下應力的增加而增大。非牛頓流體，尤其粘彈性流體的測量可由第一法向應力差來測量，第一法向應力差是表征粘彈性流體流動中法向應力效應的重要參數。目前測量第一法向應力差的方法主要有射流漲大法、孔壓誤差法、出口壓力法。如圖1.12所示的流變曲線表明PAM, CMC,XG的剪下粘度隨剪下速率的變化基本一致，即隨著剪下速率的增加而減小，最終保持不變，這與二維通道得出的結論基本一致。實驗測得的f-Re曲線表明，在層流區，各種聚合物的摩擦阻力係數f與Re數的關係基本一致，無明顯的減阻現象;但在紊流區，減阻現象非常明顯，0.2%的PAM減阻效果最好，接近於Virk漸近線值，而0.3%的CMC減阻效果最差。另外在徑向固定位置測得的軸向速度波動是觀察流體進入過渡區域的指示器。

西安交大的張根廣等人採用較粗水平圓管對兩種溫度多種濃度的黃原膠溶液進行較系統的研究，套用了Metzner-Reed廣義雷諾數定義，對流路內不同流動狀態的廣義雷諾數進行計算，得到了Fanning係數和廣義雷諾數的關係。發現黃原膠溶液從層流到湍流轉抿點對應的Re數隨著溶液濃度的升高而增大，給出了轉披點對應的廣義雷諾數與溶液濃度變化的關係表達式。此外還發現:在層流區，黃原膠溶液的Fanning阻力係數與廣義雷諾數之間具有良好的線性關係，與牛頓流體的摩擦阻力係數一致;在紊流區，黃原膠溶液具有明顯的減阻效應，減阻效應隨著溶液濃度的升高而增大。