化工流體力學 第一章

1、總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束影響化工設備中流體流動規(guī)律的因素：l 流體的物理屬性l 流動空間l 引發(fā)流體運動的條件第一章第一章 流體運動規(guī)律的影響因素和研流體運動規(guī)律的影響因素和研 究方究方法法總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束本章目錄本章目錄第一節(jié)第一節(jié) 流體的物理屬性流體的物理屬性第三節(jié)第三節(jié) 引發(fā)流體運動的方式、工藝過程的操引發(fā)流體運動的方式、工藝過程的操作條件作條件第四節(jié)第四節(jié) 液膜流動液膜流動第二節(jié)第二節(jié) 流動空間的幾何特征，流動問題分類流動空間的幾何特征，流動問題分類總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束第一節(jié)第一

2、節(jié) 流體的物理屬性流體的物理屬性連續(xù)介質(zhì)假定連續(xù)介質(zhì)假定密度，壓縮性密度，壓縮性粘性，牛頓流體粘性，牛頓流體導熱性，熱導率導熱性，熱導率擴散性，擴散系數(shù)擴散性，擴散系數(shù)表面張力表面張力總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束連續(xù)介質(zhì)假定連續(xù)介質(zhì)假定 從微觀角度看：流體分子之間存在空隙，流體物理量的分布在空間和時間上都是不連續(xù)的。 流體力學中，感興趣的是流體的宏觀特性，即有連續(xù)介質(zhì)假設的提出。總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束l 連續(xù)介質(zhì)假定：連續(xù)介質(zhì)假定：假設流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點組成的介質(zhì)。假設流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點組成的介質(zhì)。 (1) 可用連續(xù)

3、性函數(shù)B (x, y, z, t) 描述流體質(zhì)點物理量的空間分布和時間變化； (2)由物理學基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。l 連續(xù)介質(zhì)假設是對物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的宏觀數(shù)學抽象，就象幾何學是自然圖形的抽象一樣。l 除了稀薄氣體、激波外的絕大多數(shù)流動問題，均可用連續(xù)介假設作理論分析?？偰夸浛偰夸浄祷乇菊路祷乇菊路祷乇竟?jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束密度，壓縮性密度，壓縮性n密度是表征流體最基本的物理量。密度是表征流體最基本的物理量。n氣體和液體的密度可以相差幾個數(shù)量級。如氣體和液體的密度可以相差幾個數(shù)量級。如277277K時，時，n流體體積或密度隨壓力變化的性能稱為壓縮流體體積或密

4、度隨壓力變化的性能稱為壓縮 性。一般性。一般來說，液體比氣體的壓縮性小得多。來說，液體比氣體的壓縮性小得多。n是否考慮流體的壓縮性，需要根據(jù)具體情況來決定是否考慮流體的壓縮性，需要根據(jù)具體情況來決定（水錘現(xiàn)象，則需要考慮液體的可壓縮性）（水錘現(xiàn)象，則需要考慮液體的可壓縮性） 3=1000kg/m水3=1.226kg/m空氣總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束粘性粘性 流體不能保持一定的形狀，處于靜止狀態(tài)的流體不能流體不能保持一定的形狀，處于靜止狀態(tài)的流體不能抵抗剪切力，任何微小的剪切力都可以使流體發(fā)生任意抵抗剪切力，任何微小的剪切力都可以使流體發(fā)生任意大的變形。當變形速度大

5、時，流體則呈現(xiàn)出一定的抵抗大的變形。當變形速度大時，流體則呈現(xiàn)出一定的抵抗力。力。運動一旦停止，抵抗力便消失，流體受到剪切力作運動一旦停止，抵抗力便消失，流體受到剪切力作用時抵抗變形用時抵抗變形速率速率的能力成為粘性。的能力成為粘性。 理想流體：理想流體：黏性可被忽略的流體。黏性可被忽略的流體。 無滑移現(xiàn)象無滑移現(xiàn)象：緊靠壁面的一層流體，將不做相對器壁：緊靠壁面的一層流體，將不做相對器壁的宏觀運動。的宏觀運動。 總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束牛頓黏性定律牛頓黏性定律=xyxyxdudy上式稱為牛頓黏性定律式中： 動力粘度，簡稱黏度；xdudy速度梯度，也可理解為剪切變

6、形速率，簡稱 剪切速率，以 表示。yx總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束從牛頓黏性定律可看出：從牛頓黏性定律可看出： 黏性流體運動時的剪切應力和速度梯度（剪切速率）呈正比 粘性切應力由相鄰兩層流體之間的速度梯度決定,而不是由速度決定 流體粘性只能影響流動的快慢，卻不能停止流動總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束黏度黏度 黏度 又稱動力黏度，定義為剪切應力和速度梯度或剪切速率之比。據(jù)牛頓黏性定律可得 ： 黏度的單位在SI制中是帕秒（Pas), CGS制中是泊(P)， 1Pas = 10P 液體的粘度隨溫度升高而減小，氣體的粘度則相反，隨溫度升高而增大。

7、d /duy總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束溫度升高時溫度升高時: : 液體液體分子間平均距離增大，內(nèi)聚力減小，使粘分子間平均距離增大，內(nèi)聚力減小，使粘 度相應減小度相應減小 (b);氣體氣體分子運動加劇，動量交換激烈，使粘度相應增分子運動加劇，動量交換激烈，使粘度相應增大大(a)?？偰夸浛偰夸浄祷乇菊路祷乇菊路祷乇竟?jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束常溫常壓下水的粘度是空氣的常溫常壓下水的粘度是空氣的55.455.4倍倍粘度與密度的比值稱為粘度與密度的比值稱為運動粘度運動粘度 在在SI制中運動粘度的單位是制中運動粘度的單位是m 2 / s (cm 2 / s ) ;常溫常壓下空氣的

8、運動粘度是水的常溫常壓下空氣的運動粘度是水的15倍倍6221 10 m /s0.01cm /s 52215 10 m /s0.15cm /s水水空氣空氣31 10 Pa s 0.01P 51.8 10 Pa s 0.00018P 水水空氣空氣總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束牛頓流體牛頓流體：切應力與速度梯度之間呈切應力與速度梯度之間呈線性關(guān)系線性關(guān)系，即動力粘性，即動力粘性 系數(shù)為常數(shù)。系數(shù)為常數(shù)。非牛頓流體：非牛頓流體：切應力在變形速率保持恒定時要隨時間發(fā)生切應力在變形速率保持恒定時要隨時間發(fā)生 變化。切應力隨時間增加為流變形流體，反變化。切應力隨時間增加為流變形流體

9、，反 之為觸變性流體。之為觸變性流體。廣義牛頓切應力公式廣義牛頓切應力公式：對于牛頓流體對于牛頓流體非牛頓流體非牛頓流體(,)dufdyxydudy總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束典型的非牛頓流體典型的非牛頓流體1.冪流流體 黏度 與剪切速率成冪指數(shù)關(guān)系，可采用如下方程表示：1nxxyxdudumdydy式中，m稠度系數(shù)，22s /Nmn流動行為指數(shù)，與1的偏差表示該流體 偏離牛頓流體行為的程度（1）n=1，m= ；牛頓流體（2）n1； 假塑性流體（3）n1； 膨脹流體總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束2. 黏塑性流體u 若 ， 若 ， 服從上兩式

10、的液體稱為黏塑性流體，也叫賓漢流體。u特點為：（1）所受應力小于 時，流體不流動；（2）所受應力大于 時，其流動行為就和牛頓流體一樣。0yx=0 xdudy0yx00=xyxdudy00總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束導熱性，熱導率導熱性，熱導率熱量熱量傳遞方式傳遞方式導熱導熱對流對流熱輻射熱輻射n流體中存在溫度差，就會有熱量傳遞，需考慮流體的導熱能力流體中存在溫度差，就會有熱量傳遞，需考慮流體的導熱能力n表示流體導熱能力的物理性質(zhì)是表示流體導熱能力的物理性質(zhì)是熱導率熱導率總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束傅里葉定律傅里葉定律l 單位時間內(nèi)所傳導的

11、熱量l 單位面積、單位時間所傳導的熱量稱為導熱通量或熱流強度 這一方程稱為傅里葉導熱定律。負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。 dTQkAdy QdTqkAdy 總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束l 比例系數(shù)k是熱導率，定義為（1）空氣中氫氣的熱導率最高，液體中水的熱導率最高（2）氣體的熱導率隨溫度的升高而增大（3）大部分液體（水和甘油除外）的導熱率隨溫度的升高而 降低。/()dTkqdy總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束擴散性，擴散系數(shù)擴散性，擴散系數(shù) 如果流體是混合物，且其中存在濃度差，就會產(chǎn)生擴散。表示流體這種性質(zhì)的是擴散系數(shù)。 物質(zhì)必然從濃度

12、高擴散到濃度低處，從而產(chǎn)生了物質(zhì)傳遞?？偰夸浛偰夸浄祷乇菊路祷乇菊路祷乇竟?jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束費克定律費克定律 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 成正比，即： 上述方程稱為費克擴散定律。中負號表示擴散是沿著濃度降低的方向進行的。 比例系數(shù)DAB稱為擴散系數(shù)，AdCdyAAABdCJDdy AABAJDdCdy總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束表面張力表面張力1.1. 表面張力通常是指液體表面張力通常是指液體 與氣體交界面上的張應力與氣體交界面上的張應力2. 2. 表面張力現(xiàn)象：表面張力現(xiàn)象： 肥皂泡肥皂泡 洗潔劑洗潔劑 毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象 2pR

13、 1211()pRR 總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束第二節(jié)第二節(jié) 流動空間的幾何特征，流動問題流動空間的幾何特征，流動問題分類分類流體運動問題的分類 總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一頁上一頁結(jié)束結(jié)束第三節(jié)第三節(jié) 引發(fā)流體運動的方式、工藝過程引發(fā)流體運動的方式、工藝過程的操作條件的操作條件 化工設備中流動的發(fā)生：泊謖（Poiseuille）流與庫特（Coutte）流 流體的兩種基本狀態(tài)：層流和湍流 流動狀態(tài)的判別：雷諾數(shù)Re 低雷諾數(shù)（爬流）與高雷諾數(shù)（邊界層流） Re2000， 層流 2000Re4000，過度流 Re4000 湍流總目錄總目錄返回本章返回本章返回本節(jié)下一