化工原理8學(xué)時(shí)

1、1 第一章 流體流動(dòng)1.4 流體流動(dòng)的基本方程1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程1.4.2 總能量衡算方程2三、對(duì)伯努利方程的討論式1-38表明，理想流體在管路中作定態(tài)流動(dòng)而又無(wú)外功加入時(shí)，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的總機(jī)械能相等，換言之，各種機(jī)械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，但其總量不變。 1.2211221222upupgzgz(1-38a) 能量轉(zhuǎn)換063三、對(duì)伯努利方程的討論2.有效功率：輸送機(jī)械在單位時(shí)間內(nèi)所作的有效功稱為有效功率，用下式計(jì)算 emePq W(1-39) 4三、對(duì)伯努利方程的討論3.伯努利方程的其他形式：將的各項(xiàng)均除以重力加速度g /,eeffHWgHhg 22efupzH

2、Hgg 2211221222efupupzHzHgggg令式1-38變?yōu)榛?1-40) (1-40a) 52211221222efupupzHzHgggg(1-40a) 位頭速度頭動(dòng)壓頭壓力頭壓頭損失總壓頭外加壓頭三、對(duì)伯努利方程的討論64.若流動(dòng)中既無(wú)外加壓頭又無(wú)壓頭損失，則任一截面上的總壓頭為常數(shù)22tupHzgg常數(shù)三、對(duì)伯努利方程的討論75. 如果流體靜止，2211221222efupupgzWgzh流體靜止僅是流體運(yùn)動(dòng)的特例。1212ppgzgz三、對(duì)伯努利方程的討論8 第一章 流體流動(dòng)1.4 流體流動(dòng)的基本方程1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程1.4.2 總能量衡算方程1.4.3

3、機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用9在應(yīng)用機(jī)械能衡算方程與質(zhì)量衡算方程解題時(shí)，要注意下述幾個(gè)問(wèn)題：1.衡算范圍的劃定2. 控制面的選取3. 基準(zhǔn)面的確定4. 單位一致性機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用10 第一章 流體流動(dòng)1.5 動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動(dòng)量傳遞本節(jié)目的：分析阻力產(chǎn)生的根源11層流分子動(dòng)量傳遞()()xxdududydy 對(duì)于牛頓型不可壓縮流體的層流流動(dòng)，牛頓定律可以寫(xiě)成(1-43) 考察式1-43各項(xiàng)物理量的因次：123x3/ kg m sukg mm sm動(dòng)量體積2222/Nkg m skg m smmms動(dòng)量面積 時(shí)間 單位時(shí)間通過(guò)單位面積的動(dòng)量，稱為動(dòng)量通量(momentum flux)

4、 單位體積具有的動(dòng)量，稱為動(dòng)量濃度 層流分子動(dòng)量傳遞1332 kg mmm s kgs()xdudy為動(dòng)量濃度梯度 稱為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)（momentum diffusivity） 層流分子動(dòng)量傳遞14用文字表述為：分子動(dòng)量通量=動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)動(dòng)量濃度梯度 ()()xxdududydy(1-43) 據(jù)此可將式1-43層流分子動(dòng)量傳遞15 第一章 流體流動(dòng)1.5 動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動(dòng)量傳遞1.5.2 湍流特性與渦流傳遞16一、湍流的特點(diǎn)與表征1、質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng) 2、湍流的流動(dòng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流3、由于質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動(dòng)與混合，使得在與流動(dòng)垂直的方向上流體的速度分布較層流均勻。湍流的特點(diǎn)17圖1-1

5、4 圓管中流體的速度分布一、湍流的特點(diǎn)與表征181.時(shí)均量與脈動(dòng)量圖1-15 湍流中的速度脈動(dòng)一、湍流的特點(diǎn)與表征19xxxuuu除流速之外，湍流中的其它物理量，如溫度、壓力、密度等等也都是脈動(dòng)的，亦可采用同樣的方法來(lái)表征。一、湍流的特點(diǎn)與表征從上圖可知,以x方向?yàn)槔}動(dòng)速度(fluctuation velocity)瞬時(shí)速度(instantaneous velocity)時(shí)均速度(time mean velocity) 20 1011xxuu dxux方向的時(shí)均速度定義為：一、湍流的特點(diǎn)與表征212湍流強(qiáng)度222()/3xyzxuuuIu 湍流強(qiáng)度是表征湍流特性的一個(gè)重要參數(shù)，其值因湍流狀況

6、不同而異。例如，流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，I值范圍為0.010.1，而對(duì)于尾流、自由射流這樣的高湍動(dòng)情況下，I值有時(shí)可高達(dá)0.4 。 湍流強(qiáng)度的定義：湍流強(qiáng)度的定義： 一、湍流的特點(diǎn)與表征22二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞湍流時(shí)的動(dòng)量傳遞不再服從牛頓黏性定律。但仍可以牛頓黏性定律的形式表達(dá)()rxdudy(1-48) 渦流動(dòng)量通量渦流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù) X 時(shí)均濃度梯度 湍流應(yīng)力（雷諾應(yīng)力）23湍流流動(dòng)中的總動(dòng)量通量可表示為()()trxdudy（1-49） ：渦流運(yùn)動(dòng)黏度(eddy viscosity)或渦流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)(eddy diffusivity)，m2/s。渦流運(yùn)動(dòng)黏度不是流體物理性質(zhì)的函數(shù)，而是隨湍

7、流強(qiáng)度、位置等因素改變。 二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞24 第一章 流體流動(dòng)1.5 動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動(dòng)量傳遞1.5.2 湍流特性與渦流傳遞1.5.3 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象25一、邊界層的形成與發(fā)展遠(yuǎn)離壁面的大部分區(qū)域壁面附近的一層很薄的流體層 實(shí)際流體與固體壁面間相對(duì)運(yùn)動(dòng) 速度變化很小可視為理想流體必須考慮粘性力的影響，由于流體的粘性作用，存在速度梯度26圖1-17 平板壁面上的邊界層 一、邊界層的形成與發(fā)展27層流邊界層過(guò)渡區(qū)湍流邊界層 一、邊界層的形成與發(fā)展邊界層壁面附近速度梯度較大的流體層主流區(qū)邊界層之外，速度梯度接近于零的區(qū)域邊界層28湍流邊界層層流內(nèi)層或?qū)恿鞯讓?緩沖層

8、湍流主體或湍流核心 速度梯度大居中小 一、邊界層的形成與發(fā)展29一、邊界層的形成與發(fā)展由層流邊界層開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x。臨界距離cx0Rexxu依照雷諾數(shù)定義依照雷諾數(shù)定義臨界雷諾數(shù)臨界距離所對(duì)應(yīng)的0Reccxx u30對(duì)于光滑的平板壁面，臨界雷諾數(shù)的范圍為 562 10Re3 10cx 一、邊界層的形成與發(fā)展31管內(nèi)流動(dòng)邊界層 圖1-18 圓管內(nèi)的流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展32 可將管內(nèi)的流動(dòng)分為兩個(gè)區(qū)域：一是邊界層可將管內(nèi)的流動(dòng)分為兩個(gè)區(qū)域：一是邊界層匯合以前的流動(dòng)，稱之為匯合以前的流動(dòng)，稱之為進(jìn)口段進(jìn)口段流動(dòng)；另一是邊流動(dòng)；另一是邊界層匯合以后的流動(dòng)，稱之為界層匯合以后的流動(dòng)

9、，稱之為充分發(fā)展了的流動(dòng)充分發(fā)展了的流動(dòng)。 對(duì)于層流，進(jìn)口段長(zhǎng)度可采用下式計(jì)算 0.0575fLRed(1-53) 一、邊界層的形成與發(fā)展進(jìn)口段長(zhǎng)度33二、邊界層分離與形體阻力 邊界層的一個(gè)重要特點(diǎn)是，在某些情況下，會(huì)出現(xiàn)邊界層與固體壁面相脫離的現(xiàn)象。 此時(shí)邊界層內(nèi)的流體會(huì)倒流并產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致流體的能量損失。此種現(xiàn)象稱為邊界層分離，它是黏性流體流動(dòng)時(shí)能量損失的重要原因之一。 產(chǎn)生邊界層分離的必要條件是：流體具有黏性和流動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。 34圖1-19 邊界層分離示意圖 二、邊界層分離與形體阻力分離點(diǎn)35 第一章 流體流動(dòng)1.5 動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動(dòng)量傳遞1.5.2 湍流特性與渦流傳遞1.5.3 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象1.5.4 動(dòng)量傳遞小結(jié)36動(dòng)量傳遞小結(jié) 由于流體的粘性，當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部存在著剪切應(yīng)力。該剪切應(yīng)力是流體分子在流體層之間作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)從而進(jìn)行動(dòng)量交換所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦的宏觀表現(xiàn)，分子的這種摩擦與碰撞將消耗流體的機(jī)械能。在湍流情況下，除了分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)要消耗能量外，流體質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動(dòng)與宏觀混合，還要產(chǎn)生比前者大得多的湍流應(yīng)力，消耗更多的流體的機(jī)械能。這二者便是摩擦阻力產(chǎn)生的主要根源。 37 另一方面，當(dāng)產(chǎn)生邊界層分離時(shí)，由于逆壓作用的結(jié)果，流體將發(fā)生倒流形成尾渦，在尾渦區(qū)，流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈碰撞與混合而消耗能量。這種由于局部產(chǎn)生