化工流體力學(xué)讀書筆記

1、學(xué)習(xí)好資料歡迎下載學(xué)習(xí)隨筆化工流體力學(xué)第一章流體運動規(guī)律的影響因素和研究方法1.1流體的物理屬性(1)連續(xù)介質(zhì)假定在流體力學(xué)中研究研究流體的運動規(guī)律時，考察的是大量分子組成的流體質(zhì)點的宏 觀運動規(guī)律，而不著眼于微觀分子的運動狀況，因此可以采用連續(xù)介質(zhì)來代替流體的真 實結(jié)構(gòu)。但是，在高空或真空等稀疏氣體條件下，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不再成立。在我們研究的鹽溶液運移造腔過程中可以采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。(2)密度、壓縮性密度：由于溫度、壓力、組分的差異可引發(fā)密度差，從而導(dǎo)致自然對流?？拷槐?、腔頂位置鹽溶液濃度高，而中心位置濃度低，在外部流體運動的帶動下 勢必造成濃度場的運移、變化。壓縮性：其中壓力對液體和低速氣

2、體的影響較小，可以近似的認為液體、氣體是不 可壓縮的。而我們所要關(guān)注的主要問題是溫度變化和鹽溶液濃度變化對造腔過程的影響、以及形成的溫度場和濃度場隨時間和腔體建造過程的變化情況。瓦斯抽采過程中密度和壓縮性同液體。(3)黏性、牛頓流體黏性：流體受到剪切力作用時抵抗變形的能力稱為黏性， 即流體運移時抵抗運移變形的內(nèi)摩擦力。一般情況下，流體的黏性可以忽略不計，像水、空氣等黏性很小，而 蜂蜜、甘油、樹脂等黏性較大?？疾爝\動流體時，黏性是很重要的屬性，既是傳遞動量的動力，又是抵抗運動的因黏度:剪切應(yīng)力和速度（或剪切速率）之比：類似虎克定律，表明了力和變形 duxdy之間的關(guān)系。式中，n黏度，Ns/m2或

3、Pas 或泊，1 泊=10-1N s/m2r yx相鄰層流之間的剪切應(yīng)力dux 速度梯度，剪切變形速率（簡稱剪切速率），以4=-變表示,即單dyy 出位時間內(nèi)夾角的變化。運動黏度 y = 單位 m2/s黏度與溫度、壓力的關(guān)系：低密度氣體的黏度隨溫度上升而增大，公式見 P5式1.1-5。液體的黏度隨溫度上升而降低。N = aet,其它公式見教材P6式1.16壓力對流體的黏度的影響一般可以忽略不計，極高壓力除外。運動黏度v =切P單位m2/so在常溫、常壓下，水的黏度較空氣大 2個數(shù)量級，但運動黏度卻小1個數(shù)量級。流體黏度是各類流體運動規(guī)律分析和計算中不可缺少的數(shù)據(jù)，常見的流體黏度可以通過手冊查找

4、。牛頓流體：滿足剪切應(yīng)力pyx與速度梯度（剪切速率）dux成正比關(guān)系的流體均稱為牛頓流體。 dy我們研究的鹽溶液或瓦斯流體為牛頓流體。賓漢流體：是指當(dāng)剪切應(yīng)力大到一定數(shù)量時流體的黏度規(guī)律同牛頓流體即：%x=，如T0。yxdy這類流體主要有泥漿、污水、顆粒懸浮液等。（4）導(dǎo)熱性、導(dǎo)熱率流體中存在溫度差，就會有熱量傳遞，表示流體導(dǎo)熱能力的物理性質(zhì)就是導(dǎo)熱率。q=Q j里A dy單位面積、單位時間所傳導(dǎo)的熱量稱為導(dǎo)熱通量或熱流強度: 中負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反， 該方程稱為傅立葉熱導(dǎo)定律，即熱通與溫度 梯度呈線性關(guān)系，k為熱導(dǎo)率，k-Jrdyd （二 cT）dy氣體的熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大

5、，大部分液體(水和甘油除外)的熱導(dǎo)率隨溫度的 升高而降低。液體中水的熱導(dǎo)最高。壓力對熱導(dǎo)率的影響不大。我們的研究適當(dāng)考慮熱 導(dǎo)率在不同層位之間的影響。a=三，c為比熱容，P為密度，則a為導(dǎo)溫系數(shù)或熱擴散系數(shù)，單位 m2/s； PcT . c為單位體積的能力。(5)擴散性，擴散系數(shù)混合流體，只要存在濃度差，就會產(chǎn)生擴散。費克定律：由A、B兩組分組成的混合物，A組分的擴散率，即單位時間經(jīng)單位面積擴散的A物質(zhì)量Ja,與擴散方向上的濃度梯度 叫 成正比，1人=Dab些，負號表 dydy示擴散是沿著濃度降低的方向進行的。Dab為擴散系數(shù)：Dab = J，表明在單位濃dCAdy度梯度下，A組分在B組分中擴

6、散的能力，其隨物系變化而變化，隨溫度、壓力、組分而變化。單位m2/so流體的擴散系數(shù)，是我們研究的主要問題之一，其直接影響了我們最終腔體建造數(shù)學(xué)模型的建立。同時對于瓦斯抽采、置換方面的研究也是關(guān)鍵問題。(6)表面張力cos1表面張力涉及到毛細現(xiàn)象，一般情況下水的毛細現(xiàn)象表達如下：Ho = 2()os-,：g水的表面張力0.0731N/m, p水的密度1000kg/m3, 8固液接觸面夾角50 , a細管半 徑。1.2 流動空間的幾何特征，流動問題腔體形狀決定了流體場的運動特性一一流型、速度分布、壓力分布、流體與固體表 面之間的作用力等。流體運動問題分類：外部問題(繞流)、內(nèi)部問題(1)內(nèi)部問題

7、、外部問題的基本差別在于邊界條件的給出： 外部問題，給出遠離邊界 處以及固體邊界上的速度等；內(nèi)部問題，給出中心線以及固體邊界或進出口處的 條件。(2)內(nèi)部問題限定于一定邊界范圍以內(nèi)， 通常流量是常數(shù)而且已知(指流動與時間無 關(guān)的定常情況)，通常計算平均速度和平均溫度。外部問題，流量一般不指定或未知，通常計算采用來流速度和來流溫度。(3)由于流體有黏性，因為固體邊界的存在，將使流體的運動受到阻滯，所以在管流 時，固體邊界對于整個運動流體將有顯著影響， 阻滯作用遍及整個流動空間。而 在繞流中，固壁的阻滯作用局限在固體壁附近的某一流體薄層內(nèi)，而在沿著物體流動的下游，其影響將加寬。1.3 引發(fā)流體運動

8、的方式、工藝過程的操作條件1.3.1 流體運動的發(fā)生分類(1)壓力流、泊謖流：用流體機械，風(fēng)機或泵，對流體施加一定的壓力，使流體在壓 力差的作用下運動。(2)拖拽流、庫特流：通過邊界運動或流體中物體的運動以推動流體運動。(3)自然對流：由于溫度、濃度等不同引起的流體運動。壓力流和自然對流對腔體建造影響較大，同時可以考慮采用拖動方式增加流體能量。1.3.2 流體運動的狀態(tài)(1)層流:層流時，管道內(nèi)各個質(zhì)點流動狀態(tài)確定，軌跡明顯，較易研究其質(zhì)點的運動 特性。(2)湍流(紊流)：管道內(nèi)的質(zhì)點處于脈動狀態(tài)，其徑向脈動合速度為零。1.3.3 流動狀態(tài)的判別一一雷諾數(shù)管道內(nèi)的流體流動狀態(tài)由四個物理參數(shù)確定

9、：（1）平均流速（2）管道直徑d （3）流體密度p （4）流體黏度炫 雷諾數(shù)是判斷流體狀態(tài)的無量綱參數(shù)，通過它可以換算出不同管道下的臨界速度等參 數(shù)。在工程上，圓管中流體流動時的臨界（Re）cr=2100.Ud : UdRe = u 運動黏度P v雷諾數(shù)的高低對于流體模型的建立具有指導(dǎo)意義， 其主要作用力將有本質(zhì)變化。而 我們研究的腔體建造基本是高雷諾數(shù)下的大尺寸、低黏度、較高速度的運動，其邊界層 流是研究的重點。1.4 研究流體運動規(guī)律的基本途徑1.4.1 理論解析法步驟：（1）通過實驗、觀察，分析流體的物理特性及運動特性，建立合理的模型； （2）運用牛頓運動定理、質(zhì)量守恒定理、能量守恒定律

10、、動量定理等建立流體運動方 程，確定初始條件和邊界條件；（3）根據(jù)實際需要簡化方程、求解；（4）檢驗結(jié)果，確 定適用范圍。目前，數(shù)學(xué)的發(fā)展水平限制了理論解析法的應(yīng)用。1.4.2 實驗觀測法測試技術(shù)有激光測速（LDA）、粒子圖像測速（PIV）示蹤法：（1）示蹤劑：壁面顯示法一一涂膜法，在壁面涂涂料或油及顏料的混合物， 當(dāng)流體流經(jīng)壁面時形成條紋；線簇法，在壁面上粘柔細線簇，指示流體流向、劇烈程度 等。（2）直接注入法。（3）化學(xué)反應(yīng)法，在水中置一導(dǎo)線作陰極，通以直流電，將產(chǎn)生 的氣泡（氫氣）作為示蹤劑。1.4.3 數(shù)值計算法計算流體力學(xué)（CFD）第二章流體運動學(xué)、理想流體運動2.1 流體運動的表示

11、方法（1）拉格朗日法：同剛體力學(xué)方法相似；（2）歐拉法：同表示電磁場的方法相似。2.1.1 拉格朗日法這種方法著眼于個別質(zhì)點的運動。這種跟蹤質(zhì)點的方法，對分析流體運動是比較復(fù) 雜的。形成軌線。在實際工程中，要了解的是流體通過空間各點時有關(guān)物理的變化，通 常采用歐拉法。2.1.2 歐拉法（1）基本方法：考察速度以及其它物理量（壓力、密度、速度）等在流體運動的全部空間內(nèi)的分布（流場）,以及隨時間的變化。速度方程如下:Ux = Fi(x, y,z,t) Uy = F2(x,y,z,t) jz = F3(x,y,z,t)(D同樣壓力可以表達為p = p(x, y, z,t)流線的微分方程”=電UxUy

12、色，解微分方程可得Uzi(x,y,x,z,t,G,Q)= 0曰式中Ci、C2是兩F2(x,y,x,z,t,Q) = 0個積分常數(shù)，時間t為參數(shù)。當(dāng)給定c值,并指定t時，可得到指定時刻的流線簇。流線希速度小，切線方向為速度方向。2.1.3 隨體導(dǎo)數(shù)流場中質(zhì)點加速度表達式:ay：UxUx+ .：Ux .+.：Ux：UxUz.x；:yUy:zft：UyUx+：UyUy+：Uy一 Uz：Uy:x二 y.z二 tDux DtDuyDt質(zhì)點加速度用 必表示，表明了追隨流體質(zhì)點所進行的導(dǎo)數(shù)計算，稱為隨體導(dǎo)數(shù)。共有Dt兩部分組成，前一部分表示位置變化，稱為變位導(dǎo)數(shù)或?qū)α鲗?dǎo)數(shù)；后一部分是位置不變, 因時間變化所引起的，稱為當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)或局部導(dǎo)數(shù)。2.1.4 定常流與非定常流相對運動原理在流體運