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1、第一篇 动量传输 (p3) 本篇学习和研究的内容:研究在各种条件和情况下,(1)流动物体中的动量分布情况(即 流动速度分布);(2)动量传输 规律;(3)流速随时间和空间的变 化规律。流体中动量传输起因;以及对热量、质量传输的影响 : (1)流体内部不同部位的质点或集团的流动速度不一致。 (2)流动速度的不一致,必然导致动量分布不均匀。继而发 生动量的交换或传递过程。 (3)这样的动量传递,就会影响到热量和质量的传输过程。第一篇 动量传输1本篇(动量传输)包括以下几章内容:n第一章 流体及其流动 (流体特性,粘性,层流、紊流等)n第二章 流体静力学 (欧拉方程、压力计量测量等)n第三章 流体的
2、层流流动 (动量通量、动量率、动量平衡方程 、质 量平衡方程等)n第四章 流体的紊流流动 (紊流流动特征,管道、平板表面紊 流等)n第五章 流体流动的能量守恒 (能量守恒-伯努利方程等 )n第六章 流体输送设备 (泵与风机等设备)第一篇 动量传输第一篇 动量传输2第一章 流体及其流动(p4) 1.1 流体的特性 (1)流体(Fluid)概念:能够流动的物体(一般指气体或液 体)。是一种质点间联系很小,质点在空间的相互位置很 容易改变(即变形或流动)的物体。(2)流体包括:液体和气体;另外带有固相颗粒、液相颗粒 的气体;含有固相颗粒、液相颗粒、微小气泡的液体(如 悬浊液、乳浊液等)。(3)流体的
3、力学性质(与固体比较):n(A)不能传递拉力,n(B)可承受压力,传递压力和切力,并且在压力和切力 下出现流动。(流动可持续)n(C)流体流动时,流速不同的相邻质点间出现位移,导 致产生内摩擦力。静止流体没有内摩擦力。第一篇 动量传输 第1章 流体及其流动3(4)气体和液体的区别:n微观:分子间距不同运动自由程不同:n宏观:液体有一定体积,有自由表面,气体充满容器,无自由表面。气体可压缩性较大。第一章 流体及其流动运动自由程运动自由程 是流体运动的微观现象尺度,是指是流体运动的微观现象尺度,是指 流体(液体、气体、等离子体、粒子)在与其流体(液体、气体、等离子体、粒子)在与其 它粒子发生碰撞前
4、的平均行程。它粒子发生碰撞前的平均行程。动量、能量、质量的传递、耗散和输运本质上动量、能量、质量的传递、耗散和输运本质上 都是分子运动的结果。都是分子运动的结果。 气体分子间距离约是分子直径的10倍,除相互 碰撞或与器壁碰撞外,气体分子不受力的作用 ,在空间自由移动。第一篇 动量传输 第1章 流体及其流动4第一章 流体及其流动 p41.1.1 流体的连续介质模型介绍 (p4)(1)流体的物理量本质上是不连续的:流体如同固体一样,也是由大量的分子所组成,而分子间都存在 比分子本身尺度大得多的间隙,同时,由于每个分子都不停的在运动 ,因此,从微观的角度看,流体的物理量在空间分布上是不连续的, 且随
5、时间而不断变化。 (2)可以假设流体物理量连续:但在动量传输中,仅限于研究流体的宏观运动,其特征尺度(米 、厘米、毫米量级)比分子自由程大得多。描述宏观运动的物理参数 ,是大量分子的统计平均值,而不是个别分子的值。在这种情形下, 流体可近似用连续介质模型处理。(3)连续介质模型:连续介质模型认为,物质连续地分布于其所占有的整个空间,物 质宏观运动的物理参数(密度、速度、压力、粘度等)是连续分布的 ,是空间及时间的可微连续函数。从而实现用连续函数的解析方法来 研究流体的动量传输。 第一篇 : 动量传输5连续介质模型(总结)n事实上,流体分子间是有间隙的,流体物理量是 不连续的。n流体连续性基本假
6、设假设流体质点之间没有空 隙。即把流体看成占有一定空间的无限多个流体微团 (质点)组成的密集无间隙的连续介质。n反映宏观流体的物理量也是空间坐标的连续函数 。 (密度、压力、粘度、流速等等)第一章 流体及其流动第一篇 : 动量传输6第一章 流体及其流动1.1.2 流体的压缩性和热胀性 (p4)一.液体 (1)流体的压缩性:是指流体四周受压时,其体积变小的特 性。 (2)流体的热胀性 :是指流体在其本身温度提高时,其体 积增大的特性。 (3)液体压缩性用 “体积压缩系数” k 表示:第一篇 : 动量传输dV: 缩小的体积(m3) V: 液体原体积(m3); dp: 液体受压的增加值(Pa) 前面
7、加负号,可以保证k为正值。或者表示为:7第一章 流体及其流动(4)液体的热胀性用 “温度膨胀系数”表示 :是温度升高1时,液体体积的增大率 。第一篇 : 动量传输dT:温度的升高量。8例:液体水的体积压缩系数 0水在不同压力下 的值压力(MPa )0.51.02.04.05.0 (10-10 Pa-1) 5.395.3 75.325.245.150.5MPa时,若压力增大0.1MPa,则:此时体积的减小 只有约万分之0.5第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动9例如:液体水的热膨胀系数n温度 T = 1020 ,n压力 P = 0.1MPa 水1.5 10-4 K-1当温度变化T1K时,第一
8、篇 : 动量传输第一章 流体及其流动10n实际在工程上,可以认为水是不可被压缩 的。类似地,其他液体也可认为不可压缩 。n液体的热胀性在工程上一般也不考虑。n特殊情况(比如液体体积较大,而压力变 化突然),必须考虑液体的压缩性。第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动11(理想气体状态方程) 1mol理想气体:P 绝对压力(Pa),V 比体积 (m3/kg),气体密度, = 1/VR 气体常数,空气的 R=287J/kgK, T 热力学温度(K) RR / m 气体常数,空气:R=287 Nm / (kgK)推论 A. 温度不变时(T=const),得波义耳(Boyle) 定律:B. 若压力不
9、变时,得盖吕萨克(Gaylussac) 定律:第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动1.1.2 1.1.2 流体的压缩性和热胀性流体的压缩性和热胀性 二. 气体12由得令有体积和温度变化为:所以,于是,P.5 (1-5)p,T0, 0p,T1, 1恒压:第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动A. 恒压条件:13工程上取标准态 P=1atm, T0=273K,则气体温度膨 胀系数:B. 等压条件:即:1atm压力下,温度从273K每升高1K, 体积就增加273K时体积的1/ 273。第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动14C. 绝热 条件:绝热指数(空气,一般取1.4)热力学第一定律:U
10、 = Q W绝热 : Q = 0, 所以 W = U,dU = n Cv,m dT , U n Cv,m T W pVn Cv,m T nRTV / V, R = Cp,m Cv,mCv,m dT (Cp,m Cv,m) TdV / V第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动15n气体有明显的压缩性和热胀性。在工程上考虑 气体的压缩性和热胀性时,常根据过程的特点 做一些简化处理。(P.6)n如气体在管道中流动,或固体在静止气体中运 动时,只要它们之间相对速度小于音速,气体 的密度变化很小,这时可以忽略气体的压缩, 把气体密度视为常数。第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动16第一章 流体及其
11、流动 1.1.3 流体的粘性p7 牛顿粘性定律过程描述: 两无限大平行板间距很小 ,两板间有流体。下板静 止,上板在x方向以速度 Vx移动。 由粘性力引起的上、下板 间流体的质点只产生x方 向运动。流体各个平行层 运动速度在 y方向上有速 度梯度dVx/dy 。 流层两面上切向粘性力( 切应力)可以表示为:是动力粘度系数:流层间 出现相对流速时的内摩擦 特性。第一篇 : 动量传输Vx F0xV=0yYdVxdy平板间的流体速度分布 与粘性力(切应力)示意17各物理量关系构成 牛顿粘性定律 ( Newton, 1686)牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产 生的切应力与法向速度梯度成正比
12、,与压力无关。 这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。yx为切应力, 第一个脚标y表示切应力的法线方向(速度梯度方向), 第二个脚标表示切应力的方向(速度方向)。18牛顿粘性定律总结: (1)流体产生阻力损失的根本原因 :流动着的流体内部有一种抗拒内 在向前流动的特性,称为粘性。由于粘性的作用使得流体内部相邻两流体层间产生作用力内摩擦力,它是产生阻力损失的根本原因。(2)牛顿型与非牛顿型流体:剪应力与速度梯度关系完全符合牛顿粘 性定律的流体称为牛顿型流体,所有气体和多数液体都属于这一类。 凡不遵循牛顿粘性定律的流体,统称为非牛顿型流体。(3) 温度压力对粘度的影响: 压力对流体粘度影响很小,通常
13、可忽略不计。 气体:当温度t升高时,粘度增大,是气体分子运动加剧所致。 液体:当温度t升高时,粘度降低,是液体间分子间作用力减小所致 。(4)牛顿粘性定律说明:流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与 法向速度梯度成正比,与压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩 擦力规律不同。 第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动 1.1.3 流体的粘性 19n 流体出现粘性的原因分析: (1)分子间内聚力(引力)所引起。 (2)流体分子的垂直流动方向热运动(出现动量交换)所 引起。 (3)液态流体出现粘性以分子间内聚力为主,而且液体粘 度随温度升高而减小。因为温度升高导致分子间距增大, 分子间引力减小。
14、 (4)气态流体出现粘性以 “垂直流动方向热运动” 为主,且 气体粘度随温度升高而增大。因为温度升高导致分子热运 动增强。第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动 1.1.3 流体的粘性 20运动粘度系数 :动力粘度系数 除以密度得到 运动粘度系数 : = /的单位 Ns /m2 (也就是Pa s) 的单位是m2/s,粘度(粘性系数)取决于流体种类,是一个物性参数。 对于给定流体,粘度随温度和压力变化。21流体粘度与温度的关系:n气体:n液体:s 苏士兰常数 (K)水: (泊肃叶公式)t 温度()22流体粘度与压力的关系:p9n气体:压力对粘度影响不大,可以不计。n液体:压力变化较小( 1,胀
15、流性假塑性流体 的增长率随 dv/dz 的增大而降低(高分子溶液 、纸浆、血液等)胀流性流体的增长率随 dv/dz 的增大而增加。(淀粉糊、 挟沙水流)“非牛顿流体”的特性曲线28“非牛顿流体”的特性曲线(2)塑粘性流体克服初始应力0后,才与速度梯度成正比(看图的上部分)n 1, 屈服胀流性流体塑粘性流体有:牙膏、新拌水泥砂 浆、中等浓度的悬浮液等。29“非牛顿流体”的特性曲线(3)触变性流体粘性随流动状况改变。301.表面张力:由分子的内聚力引起, 单位是:N/m。 发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接 触的周界。2.毛细现象:液固接触 液固间附着力大于液体的内聚力(上升) 液固
16、间附着力小于液体的内聚力(下降)第一篇 : 动量传输第一章 流体及其流动 1.1.5 液体的表面张力及其衍生现象 (p11)31第一章 流体及其流动1.2 流体的流动 p131.2.1 流体的流动形态 雷诺实验 (Reynald, 1882), 实验装置设计如下:第一篇 : 动量传输32第一章 流体及其流动 1.2 流体的流动 1.2.1 流体的流动形态雷诺实验过程 (层流、过渡区、紊流(湍流)的详细图解)第一篇 :动量传输层流 (Laminar flow)水流较慢时,红色液体不与周围的水 混合,自己形成流线。表明各层水平 行流动。过渡区水流速度加快时,红色液体振荡, 流线弯曲。振荡随流速加大而加剧 。紊流 (Turbulent flow) (湍流)流速增加到一定程度,液体出现混 合。表明水流状况非常紊