傳輸原理：基本概念

1、第一篇第一篇 動(dòng)量的傳輸動(dòng)量的傳輸概概 述述煙氣的流動(dòng)、大氣的流動(dòng)、流體的輸煙氣的流動(dòng)、大氣的流動(dòng)、流體的輸送等都是動(dòng)量傳輸送等都是動(dòng)量傳輸動(dòng)量傳輸研究動(dòng)量傳輸研究流體的性質(zhì)與流動(dòng)特性流體的性質(zhì)與流動(dòng)特性流動(dòng)特性：流動(dòng)性、壓縮性、粘滯性流動(dòng)特性：流動(dòng)性、壓縮性、粘滯性研究動(dòng)量傳輸研究動(dòng)量傳輸有何用處？有何用處？概概 述述研究研究流體流動(dòng)的學(xué)科即流體力學(xué)，也稱(chēng)動(dòng)量傳輸流體流動(dòng)的學(xué)科即流體力學(xué)，也稱(chēng)動(dòng)量傳輸流體流體流動(dòng)流動(dòng)特性特性流體流體靜力學(xué)靜力學(xué)流體流體動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)研究流體流動(dòng)研究流體流動(dòng)過(guò)程中過(guò)程中力或能量的力或能量的平衡與傳遞平衡與傳遞1動(dòng)量傳輸?shù)幕靖拍顚W(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)1掌握流體的定義、

2、流體連續(xù)介質(zhì)模型的概念掌握流體的定義、流體連續(xù)介質(zhì)模型的概念2掌握流體的壓縮性、膨脹性、粘性的表達(dá)式、掌握流體的壓縮性、膨脹性、粘性的表達(dá)式、物理意義、相關(guān)定律物理意義、相關(guān)定律3掌握流體上的作用力、能量、動(dòng)量的表達(dá)方掌握流體上的作用力、能量、動(dòng)量的表達(dá)方法、物理意義及單位法、物理意義及單位概概 述述生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備工藝過(guò)程工藝過(guò)程流體流動(dòng)流體流動(dòng)（動(dòng)量傳輸）（動(dòng)量傳輸）對(duì)流傳熱、對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳熱、對(duì)流傳質(zhì)（熱量、質(zhì)量傳輸）（熱量、質(zhì)量傳輸）驗(yàn)證規(guī)律驗(yàn)證規(guī)律改改 進(jìn)進(jìn)相互影響相互影響1動(dòng)量傳輸?shù)幕靖拍?1.1流體及連續(xù)介質(zhì)模型流體及連續(xù)介質(zhì)模型1流體的定義流體的定義: 在剪切應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)

3、生在剪切應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生連續(xù)的變形的物質(zhì)，或由連續(xù)分布的流連續(xù)的變形的物質(zhì)，或由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)組成的物質(zhì)。體質(zhì)點(diǎn)組成的物質(zhì)。 2流體包括：液體、氣體流體包括：液體、氣體通常液體稱(chēng)為不可壓縮流體，氣體稱(chēng)為可通常液體稱(chēng)為不可壓縮流體，氣體稱(chēng)為可壓縮流體。壓縮流體。1.1流體及連續(xù)介質(zhì)模型流體及連續(xù)介質(zhì)模型3連續(xù)介質(zhì)模型（連續(xù)介質(zhì)模型（1753年年Euler提出）提出）:將流體看成是由無(wú)限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的密集將流體看成是由無(wú)限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的密集而無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。而無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。流體中物質(zhì)的分子流體中物質(zhì)的分子流體質(zhì)點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)流體運(yùn)動(dòng)空間流體運(yùn)動(dòng)空間流體的宏觀特性：分子統(tǒng)計(jì)的平均

4、特性流體的宏觀特性：分子統(tǒng)計(jì)的平均特性1.2流體密度與比容流體密度與比容1流體的密度定義：流體的密度定義： 單位體積流體所具有的質(zhì)量，即流體單位體積流體所具有的質(zhì)量，即流體的密度，用的密度，用 表示，單位：表示，單位： kg/m31.2.1 流體的密度流體的密度2流體的密度的表達(dá)式流體的密度的表達(dá)式1）對(duì)于質(zhì)量分布不均勻的流體，）對(duì)于質(zhì)量分布不均勻的流體，密度的定義式：密度的定義式： V 從宏觀上看應(yīng)足夠小，從宏觀上看應(yīng)足夠小，而從微觀上看應(yīng)足夠大。而從微觀上看應(yīng)足夠大。 limV mV=dmdV（kg/m3）2）對(duì)于均質(zhì)流體，密度的定義式：）對(duì)于均質(zhì)流體，密度的定義式：Vm m：流體的質(zhì)量，

5、：流體的質(zhì)量，kg；V：流體的體積，：流體的體積，m3（kg/m3）3) 流體混合物密度的表達(dá)式流體混合物密度的表達(dá)式對(duì)于液體混合物，密度對(duì)于液體混合物，密度 m的計(jì)算式：的計(jì)算式： m xWi / Wi )-1 kg/m3, i=1, , n式中：式中： W1 ， W2， ， Wn為液體混合物為液體混合物中各組分的密度，中各組分的密度，kg/m3；xW1，xW2 ， ， xWn為液體混合物中各組分的質(zhì)量百分率，為液體混合物中各組分的質(zhì)量百分率，%對(duì)于氣體混合物，密度對(duì)于氣體混合物，密度 m的計(jì)算式：的計(jì)算式： m xVi Vi kg/m3, i=1, , n式中：式中： V1 ， V2， ，

6、 Vn為氣體混合物中為氣體混合物中各組分的密度，各組分的密度，kg/m3；xV1，xV2 ， ， xVn為氣體混合物中各組分的體積百分率，為氣體混合物中各組分的體積百分率，% 1.2.2 流體的比容定義與表達(dá)式流體的比容定義與表達(dá)式計(jì)算公式：計(jì)算公式： = 1/ = V/m單位質(zhì)量流體所具有的體積單位質(zhì)量流體所具有的體積-流體的比容，流體的比容，即密度的倒數(shù)。用即密度的倒數(shù)。用 表示，單位：表示，單位： m3 / kg1.3流體的壓縮性與膨脹性流體的壓縮性與膨脹性1 流體的壓縮性與膨脹性定義：流體的壓縮性與膨脹性定義：流體在壓力的作用下發(fā)生體積縮小的性質(zhì)流體在壓力的作用下發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱(chēng)為

7、稱(chēng)為流體的壓縮性，流體的壓縮性，流體的壓縮性可用體流體的壓縮性可用體積壓縮系數(shù)表示積壓縮系數(shù)表示流體在溫度的作用下發(fā)生體積膨脹的性質(zhì)流體在溫度的作用下發(fā)生體積膨脹的性質(zhì)稱(chēng)為稱(chēng)為流體的膨脹性，流體的膨脹性，流體的膨脹性可用體流體的膨脹性可用體積膨脹系數(shù)表示積膨脹系數(shù)表示流體的壓縮程度取決于流體的性質(zhì)和外界條件流體的壓縮程度取決于流體的性質(zhì)和外界條件2氣體的壓縮性與膨脹性氣體的壓縮性與膨脹性 當(dāng)壓力不太高或溫度不太低時(shí)，對(duì)于氣體當(dāng)壓力不太高或溫度不太低時(shí)，對(duì)于氣體可以當(dāng)作理想氣體來(lái)處理，即氣體滿足理想氣可以當(dāng)作理想氣體來(lái)處理，即氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程：體狀態(tài)方程： RTvPP MRR0 P V

8、= n R0 T=（m/M） R0 T即即R0：普適氣體常數(shù)：普適氣體常數(shù)工程單位制：工程單位制：國(guó)際單位制：國(guó)際單位制：KkmolmkgfR 8480KkmolmNR 83140對(duì)于氣體：對(duì)于氣體：等溫時(shí)（等溫時(shí)（T1=T2）1212PP 2112PP 對(duì)于氣體：等壓時(shí)（對(duì)于氣體：等壓時(shí)（P1=P2）tTTtt 10002112TT 1212TT =1/2733 液體的壓縮性與膨脹性液體的壓縮性與膨脹性 對(duì)于液體而言，體積壓縮系數(shù)對(duì)于液體而言，體積壓縮系數(shù)p和膨脹和膨脹系數(shù)系數(shù)t的定義式：的定義式：t = = dV/V dT d / dTp = = dV/V dp d / dp例例1 體積為

9、體積為5m3的水，在溫度不變的條的水，在溫度不變的條件下，壓強(qiáng)從件下，壓強(qiáng)從1大氣壓增加到大氣壓增加到5大氣壓，大氣壓，體積減小了體積減小了1L，求水的壓縮系數(shù)和彈性，求水的壓縮系數(shù)和彈性系數(shù)值。（系數(shù)值。（ 1大氣壓大氣壓=9.807 N/m2）4流體流體的壓縮性與的壓縮性與不可壓縮不可壓縮性性依據(jù)上面的分析得出結(jié)論：依據(jù)上面的分析得出結(jié)論：當(dāng)氣體的壓力不太高（當(dāng)氣體的壓力不太高（10kPa) ,或速度不太高或速度不太高(70m/s)時(shí)，氣體的密度變化不大，體積變化時(shí)，氣體的密度變化不大，體積變化可忽略，可認(rèn)為氣體是不可壓縮的。除此之外可忽略，可認(rèn)為氣體是不可壓縮的。除此之外氣體是可壓縮的氣

10、體是可壓縮的對(duì)于液體而言，由于對(duì)于液體而言，由于p 、t很小，一般不記其很小，一般不記其壓縮性壓縮性實(shí)際上，流體都具有可壓縮性實(shí)際上，流體都具有可壓縮性1.4流體的粘性與理想流體流體的粘性與理想流體 1.4 .1流體的粘性流體的粘性1流體粘性定義流體粘性定義流體粘性：流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因流體粘性：流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生剪切力以反抗相對(duì)運(yùn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生剪切力以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。動(dòng)的性質(zhì)?；蛄黧w在變形、流動(dòng)時(shí)，其本身所具有或流體在變形、流動(dòng)時(shí)，其本身所具有的阻滯變形、流動(dòng)的性質(zhì)（的阻滯變形、流動(dòng)的性質(zhì)（P5-6)2 流體粘性產(chǎn)生物理原因：流體粘性產(chǎn)生物理原因：一是分子作不規(guī)則

11、運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換形成一是分子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換形成的粘性阻力，即分子擴(kuò)散形成的粘性的粘性阻力，即分子擴(kuò)散形成的粘性阻力阻力二是兩層流體之間吸引力所形成的阻力，二是兩層流體之間吸引力所形成的阻力，即分子內(nèi)聚力形成的粘性阻力即分子內(nèi)聚力形成的粘性阻力1.4.2 牛頓粘性定律牛頓粘性定律u0u+duuFy0 x- FFAdyu+du牛頓粘性定律推導(dǎo)牛頓粘性定律推導(dǎo)示意圖示意圖1 牛頓粘性定律牛頓粘性定律牛頓經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)證明：牛頓經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)流體的流層之間存在相對(duì)位移，由于流當(dāng)流體的流層之間存在相對(duì)位移，由于流體的粘性作用，在其速度不相等的流層體的粘性作用，在其速度不相等的流層之間以及流體與

12、固體表面之間所產(chǎn)生的之間以及流體與固體表面之間所產(chǎn)生的粘性阻力的大小與速度梯度和接觸面積粘性阻力的大小與速度梯度和接觸面積成正比，并與流體的粘性有關(guān)。成正比，并與流體的粘性有關(guān)。結(jié)果的表達(dá)式為：結(jié)果的表達(dá)式為： F = Adydux yx = F/A = dydux2 牛頓粘性定律表達(dá)式牛頓粘性定律表達(dá)式3 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論1）式中：式中： x為運(yùn)動(dòng)方向；為運(yùn)動(dòng)方向；y為存在速度梯度為存在速度梯度的方向。的方向。2）yx：?jiǎn)挝幻娣e的內(nèi)摩擦力或單位面積的：?jiǎn)挝幻娣e的內(nèi)摩擦力或單位面積的 粘性力，即粘性力，即粘性應(yīng)力，粘性應(yīng)力，單位單位Nm-2 。 由于粘性應(yīng)力的方向與流動(dòng)方向平由

13、于粘性應(yīng)力的方向與流動(dòng)方向平 行，則行，則yx與與dux /dy 的方向無(wú)關(guān)（梯的方向無(wú)關(guān)（梯 度是矢量）粘性應(yīng)力是一對(duì)大小相等，度是矢量）粘性應(yīng)力是一對(duì)大小相等， 方向相反的力方向相反的力3）正負(fù)號(hào)表示力的方向。正負(fù)號(hào)表示力的方向。 dux /dy為速度梯為速度梯度，度，梯度是矢量，正向與梯度是矢量，正向與y坐標(biāo)正方向一致。坐標(biāo)正方向一致。2()xyxdvNdym dux 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論4） ：流體的動(dòng)力粘度系數(shù)或粘度，其單位：流體的動(dòng)力粘度系數(shù)或粘度，其單位為為 Pa S 1Pa S=1N S/ =1Kg/ms粘性系數(shù)粘性系數(shù)粘性系數(shù)粘性系數(shù)大小與什么有關(guān)？大小與什么有關(guān)

14、？ （a）物質(zhì)種類(lèi)；）物質(zhì)種類(lèi)； （b）溫度；液體）溫度；液體T 升高時(shí)升高時(shí) 下降下降 , 氣體氣體T 升高時(shí)升高時(shí) 升高升高 （c） 組分組分 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論對(duì)液體混合物，有對(duì)液體混合物，有 lg = xi lg i對(duì)氣體混合物，有對(duì)氣體混合物，有 m = yi Mi1/2i=1n yi i Mi1/2i=1n 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論5）流體粘性的另一種表示法：粘性系數(shù)流體粘性的另一種表示法：粘性系數(shù)與流與流體密度體密度的比值稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，以的比值稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，以表示，表示，SI制制單位：?jiǎn)挝唬簃2/s，工程中用，工程中

15、用St（沲）為（沲）為單位單位。1 St=10-4 m2/s它的數(shù)值越大隨分子擴(kuò)散而發(fā)生的動(dòng)量傳輸越它的數(shù)值越大隨分子擴(kuò)散而發(fā)生的動(dòng)量傳輸越大，流體的流動(dòng)性越差。大，流體的流動(dòng)性越差。 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論6）粘性動(dòng)量通量粘性動(dòng)量通量：通過(guò)單位面積在單位時(shí)間內(nèi)傳：通過(guò)單位面積在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的動(dòng)量。遞的動(dòng)量。粘性動(dòng)量通量的大小與動(dòng)量梯度成正比粘性動(dòng)量通量的大小與動(dòng)量梯度成正比方向：總是從高速流層傳向低速流層。即粘性方向：總是從高速流層傳向低速流層。即粘性動(dòng)量的傳遞方向指向速度梯度的負(fù)值方向。動(dòng)量的傳遞方向指向速度梯度的負(fù)值方向。xxxyyyvv 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論7）

16、牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：滿足牛頓粘性定律的流體。牛頓流體：滿足牛頓粘性定律的流體。兩個(gè)含義：兩個(gè)含義： 當(dāng)速度梯度為零時(shí)，粘性力為零。當(dāng)速度梯度為零時(shí)，粘性力為零。 粘性力與速度梯度呈線性關(guān)系。粘性力與速度梯度呈線性關(guān)系。牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論非牛頓流體：凡不滿足牛頓粘性定律的流體均非牛頓流體：凡不滿足牛頓粘性定律的流體均稱(chēng)為非牛頓流體。稱(chēng)為非牛頓流體。濱海姆流體濱海姆流體當(dāng)當(dāng) d /dy=0時(shí)，時(shí)， = 不符合第一個(gè)條不符合第一個(gè)條件件 ，如：沙漿，礦漿等，如：沙漿，礦漿等dydv 0牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論屈服塑脹流體：其特征為屈服塑脹流體：其特

17、征為 兩個(gè)條件均不滿足兩個(gè)條件均不滿足ndydv)(0 牛頓粘性定律討論牛頓粘性定律討論似塑性流體：似塑性流體： 注意：我們以后所討論的流體均為牛頓流體。注意：我們以后所討論的流體均為牛頓流體。ndydv)( 圖圖1-4 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體例例2長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為L(zhǎng)=30的兩個(gè)的兩個(gè)同心圓管，其半徑分同心圓管，其半徑分別為別為r1=15cm , r2=15.5cm ，縫隙之間充滿某種液體，縫隙之間充滿某種液體，如圖（如圖（1-2）所示。外管）所示。外管被固定，內(nèi)管以被固定，內(nèi)管以n=60r/min轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，已知作用在它上轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，已知作用在它上面的外力距為面的外力距為M=0.9

18、8Nm，試確定此流體的，試確定此流體的 （由于間（由于間隙厚度與圓柱周長(zhǎng)相比為小量，故假定其間速度分布為隙厚度與圓柱周長(zhǎng)相比為小量，故假定其間速度分布為直線型）。直線型）。r1r2V 1.4.3 理想流體理想流體1 定義定義不具有粘性的流體稱(chēng)為理想流體不具有粘性的流體稱(chēng)為理想流體。這是客觀世界上并不存在的一種假想流這是客觀世界上并不存在的一種假想流體，也就是說(shuō)體，也就是說(shuō)實(shí)際流體都是具有粘性的，實(shí)際流體都是具有粘性的，都是粘性流體。都是粘性流體。理想流體理想流體2 實(shí)際流體假想為理想流體的條件：實(shí)際流體假想為理想流體的條件：在靜止流體和速度均勻、直線運(yùn)動(dòng)的在靜止流體和速度均勻、直線運(yùn)動(dòng)的流體中

19、，流體的粘性表現(xiàn)不出來(lái)。流體中，流體的粘性表現(xiàn)不出來(lái)。 在許多場(chǎng)合下，想求得粘性流體的精在許多場(chǎng)合下，想求得粘性流體的精確解是很困難的?？梢韵炔挥?jì)粘性的確解是很困難的?？梢韵炔挥?jì)粘性的影響，使問(wèn)題的分析大為簡(jiǎn)化，從而影響，使問(wèn)題的分析大為簡(jiǎn)化，從而有利于掌握流體流動(dòng)的基本規(guī)律。至有利于掌握流體流動(dòng)的基本規(guī)律。至于粘性的影響則可通過(guò)試驗(yàn)加以修正。于粘性的影響則可通過(guò)試驗(yàn)加以修正。1.5 作用在流體上的力作用在流體上的力1 作用在流體上的力作用在流體上的力:表面力和體積力表面力和體積力 表面力表面力 :如法向力（壓力），切向力如法向力（壓力），切向力,粘性力粘性力表面力的大小與其表面積的大小呈正比，是表面力