動量傳輸?shù)幕靖拍钫n件

1、第一篇 動量傳輸Part I Momentum Transport周瑞2009.21第1頁，共29頁。動量傳輸研究的對象與性質(zhì)動量傳輸是研究流體在外界作用下（力的作用下）的運動規(guī)律的一門科學流體力學。 可流動性：指流體在任意小的切應力的作用下都會發(fā)生明顯的變形。 可壓縮性：指在壓力作用下，流體體積會發(fā)生明顯的變化。 2第2頁，共29頁。 本篇的重點在于從傳輸?shù)慕嵌?，研究流體的運動規(guī)律。主要掌握流體流動的連續(xù)方程和伯努利方程在冶金和材料熱加工過程中的應用。 要學習流體的動量傳輸?shù)膯栴}，首先就要了解流體的基本性質(zhì)及其流動特點和有關(guān)的定義。3第3頁，共29頁。第一章 動量傳輸?shù)幕靖拍?第4頁，共2

2、9頁。Contents1. 流體的概念2. 流體的主要物理性質(zhì)密度比容流體的壓縮性3. 流體粘性牛頓粘性定律流體的粘度理想流體與粘性流體4. 流體的壓強5第5頁，共29頁。1. 流體的概念 Concepts of Fluids 工程上將只能抵抗壓力而在一定的切應力作用下會產(chǎn)生連續(xù)不斷變形（即流動）的物質(zhì)統(tǒng)稱為流體。 流體包括：氣體和液體 與固體相比，流體不能傳遞拉力，但可承受壓力，傳遞壓力和切力，并在壓力和切力作用下流動。這種流動一直可持續(xù)下去，直到撤去壓力或切力為止。6第6頁，共29頁。流體的連續(xù)性 雖然任何流體在原子/分子的微觀尺度上看，流體物質(zhì)的性質(zhì)是間斷的。而我們所研究的流體的動量傳輸

3、，以及流體的熱量和質(zhì)量問題，如密度、壓力、速度、溫度和成分則是宏觀尺度的物理量，是由大量分子/原子的行為和作用的平均效果。因而可以認為我們所研究的動量傳輸介質(zhì)流體的所有物理性質(zhì)和物理量是連續(xù)的，這樣就可以用連續(xù)函數(shù)的解析方法（微積分學）研究流體的靜力學和動力學。7第7頁，共29頁。 定量描述流體的流動行為及動量傳輸，需要了解和定義流體有關(guān)的物理性質(zhì)和參數(shù)。 (1)密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，用表示，對質(zhì)量分布不均勻的流體，某點的密度定義為 式中： 流體的密度 kg/m3 ； m 流體微元的質(zhì)量 kg； V 流體微元的體積 m3； 2.流體的物理性質(zhì) Physical Prop

4、erties of Fluids 8第8頁，共29頁。 對于均勻分布的流體，密度為 式中： 流體的密度 kg/m3 ； m 流體的質(zhì)量 kg； V 流體的體積 m3； 各種流體的密度值可由物理、化學手冊查得，液體的密度基本不隨壓力變化，但隨溫度略有變化，查液體密度時，要注意所指溫度。 9第9頁，共29頁。 (2)比容：單位質(zhì)量流體所具有的體積，對于均質(zhì)流體比容為： 一般情況下，流體的密度是可變的 （受T, P影響）在某些情況下，密度的變化會對流動狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響，如：溫度梯度和濃度梯度影響下的自然對流。 比容與密度互為倒數(shù)10第10頁，共29頁?；旌衔锏拿芏?對于液體混合物，各組分的濃度常用

5、質(zhì)量分率表示，以1kg混合液體為基準，若各組分在混合前后的體積不變，則1kg混合物的體積等于各組分單獨存在時的體積之和： 式中A，B， ， n分別為混合物中各純組分的密度（kg/m3），xWA, xWB, ， xWn為液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。11第11頁，共29頁。混合物的密度 對于氣體混合物，各組分的濃度常用體積分率表示，以1m3混合氣體為基準，若各組分在混合前后質(zhì)量不變，則1m3混合氣體的質(zhì)量等于各組分的質(zhì)量之和 式中，xVA，xVB，xVn為氣體混合物中各組分的體積分率。12第12頁，共29頁。 （3）流體的壓縮性：在壓力的作用下，流體體積發(fā)生明顯的變化。 流體的體積一般隨所受壓力

6、的增加而減小，或隨溫度的升高而增大。液體的壓縮性不顯著，如水在020 ，1500個大氣壓范圍內(nèi)，每增加一個大氣壓，水的體積只改變1/20000左右，所以工程上一般將液體視為不可壓縮流體。 13第13頁，共29頁。 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：式中： T絕對溫度 P絕對壓力 R氣體常數(shù) V比體積 m氣體的質(zhì)量 M氣體的分子量氣體與液體有很大的差別，當壓力或溫度變化時，其體積和密度都相應的發(fā)生變化。14第14頁，共29頁。 等壓過程的氣體的體積膨脹特性。由密度變化表示為： 其中，=1/273，0為氣體在標準狀態(tài)下的密度，t 為攝氏度。實際流體都是可壓縮的，不可壓縮流體是為了便于處理，而當流體密度變化較小

7、時所作的假設(shè)。15第15頁，共29頁。3. 流體的粘性 Viscosity of Fluids流體的粘性流體的粘性是指流體在變形或流動時，其本身所具有的阻滯流動或變形的性質(zhì)。流體粘性產(chǎn)生的原因流體的粘性是由流體分子間的內(nèi)聚力和分子的擴散造成的，流體的粘性用粘度來衡量。自然界中的流體都具有一定的粘性，稱為粘性流體或?qū)嶋H流體。16第16頁，共29頁。3. 流體的粘性 Viscosity of Fluids 牛頓提出了描述粘性流體不均勻流動時內(nèi)摩擦力F與速度變化率之間的關(guān)系，即牛頓流體粘性定律的假說，可由下式表示： 式中:F 內(nèi)摩擦力或粘性力 N；A 層間的接觸面積 m2；du 上下層的相對速度 m

8、s dy層間垂直距離 m； 牛頓粘性定律17第17頁，共29頁。 將上式改變形式，并引入系數(shù) ，可得到如下微分形式的牛頓流體粘性定律表達式：式中： 表示單位面積上的內(nèi)摩擦力或稱粘性力N/m2pa; du/dy 為流動速度在垂直方向上的變化率，即速度梯度。 比例常數(shù)，稱作動力粘度(dynamic viscosity) Pa.s Ns/m2 18第18頁，共29頁。 粘度表征流體抵抗連續(xù)變形的能力，是流體的一個物理參數(shù)，決定于流體的物理狀態(tài)和性質(zhì)。在動量傳輸分析與計算中，在取由牛頓粘性定律引出的動力粘度(dynamic viscosity) 時，也常取運動粘度 (kinematic viscosi

9、ty)： = / 單位為m2/s， 和通常是溫度的函數(shù)，壓力對它們也有一定的影響，在計算中常將動力粘度和運動粘度取為常數(shù)。流體的粘度19第19頁，共29頁。在相同的流速下，動力粘度越大的流體所產(chǎn)生的粘性力也越大，即流體因克服阻力而損耗的能量也越大，所以對于粘度較大的流體所選用的流速應比粘度小的低些。運動粘度也是動量傳輸中的基本物理參數(shù)，它的數(shù)值越大，則隨分子擴散而發(fā)生的動量傳輸越難，故流體的流動性越差。例如水的動力粘度雖然比空氣大的多，但運動粘度卻反而比空氣的小，說明水比空氣的流動性好。 20第20頁，共29頁。粘度的影響因素溫度對流體的粘性影響很大，溫度升高時液體的粘度降低，流動性增強，氣體

10、則相反。21第21頁，共29頁。粘度的影響因素壓力變化對動力粘度的影響不大，因此一般只考慮溫度的影響。而運動粘度則不然，因為它和密度有關(guān)，壓力的變化會引起可壓縮性流體密度變化，所以對可壓縮流體更多是采用而不是。22第22頁，共29頁?；旌衔锏恼扯?冶金生產(chǎn)中常遇到各種流體的混合物，計算混合物粘度時，不能簡單地按組分疊加，只能用適當?shù)慕?jīng)驗公式估計，如液體混合物粘度可計算為 式中1，2，n為各組分的粘度，x1，x2，xn為液體各組分的摩爾分數(shù)。23第23頁，共29頁?；旌衔锏恼扯?低壓氣體混合物的粘度可用下式計算： 式中，m為氣體混合物的粘度，yi為氣體混合物i組分的摩爾分數(shù)；i為氣體混合物中i組

11、分的粘度，Mi為氣體混合物中i組分的分子量。24第24頁，共29頁。粘性流體(Newtonian fluids)：具有粘性的流體統(tǒng)稱為粘性流體。理想流體(ideal fluid)：假定完全沒有粘性即=0的不可壓縮的流體。引入理想流體的概念，在研究實際流體運動規(guī)律時很有作用，這是由于粘性的存在給流體流動的數(shù)學描述和處理帶來很大困難。理想流體和粘性流體25第25頁，共29頁。4. 流體的壓強 Pressure Intensity of Fluids壓強：垂直作用于單位面積流體上的壓力。 壓強的單位是Pa。工程上經(jīng)常使用其它單位，常用壓力的換算關(guān)系為： 1 atm=1.013105Pa = 10.33 mH2O = 760mmHg 26第26頁，共29頁。絕對壓強：用絕對零壓作為起點的壓強。相對壓強：在工程設(shè)備中，流體各部分同時受到大氣壓的作用而相互抵消，所以工程中所關(guān)心的是超出大氣壓的部分，稱作相對壓強。一般測壓儀表都是測定相對壓強，故相對壓強又成為表壓強，計算式為： 式中，PM，P與Pat分別表示表壓強、絕對壓強及當?shù)卮髿鈮骸?7第27頁，共29頁。真空度：當流體絕對壓強小于當?shù)卮髿鈮簳r，相對壓強（P-Pat）為負值，稱為負壓。其差值的絕對值稱為真空度。 例如某設(shè)備內(nèi)