備課_動(dòng)量傳輸(緒論+Chapter_1)-(2014)

1、任課教師：鄒友生辦公室：辦公室：339棟棟411室室Email人簡(jiǎn)介l受教育經(jīng)歷受教育經(jīng)歷2001/08 2005/06，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，博士1998/09 2001/03，東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，碩士1994/09 1998/07，東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，本科l研究工作經(jīng)歷研究工作經(jīng)歷2011/03 2012/03，英國(guó)布里斯托大學(xué)化學(xué)系，公派訪問(wèn)學(xué)者2009/06 2009/09，香港城市大學(xué)物理與材料科學(xué)系，研究員2008/01 至今，南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，副教授2005/06 2008/01，香港城市大學(xué)物理與材料科學(xué)系，博士后2007/08

2、2007/09，德國(guó)哥廷根大學(xué)物理系，訪問(wèn)學(xué)者2Memristor 2D semiconductorsDoped ZnOPhotodetectorElectronic structureDefects, dopants, surfaces, dimension1. 寬禁帶半導(dǎo)體納米晶、薄膜及光電器件2. 原子厚度二維半導(dǎo)體材料、物性及器件3. 低維光電材料的理論與計(jì)算模擬。課題組：l金剛石薄膜表面納米構(gòu)造、功能化修飾、電化學(xué)傳感l(wèi)碳基超硬薄膜及應(yīng)用l光電薄膜與器件l半導(dǎo)體納米晶及其光電器件研究平臺(tái)研究平臺(tái)l納米材料合成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)l納米器件組裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)l光電性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)l計(jì)算平臺(tái)必修：必修：4

3、8學(xué)時(shí)/3學(xué)分專業(yè)基礎(chǔ)課程：專業(yè)基礎(chǔ)課程：教材教材: : 金屬熱態(tài)成形傳輸原理金屬熱態(tài)成形傳輸原理，林柏年主編，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000課程介紹課程介紹:流體及其流動(dòng)、流體靜力學(xué)、流體的層流流動(dòng)、流體的紊流流動(dòng)、流體流動(dòng)的能量守恒 熱量傳輸基本概念、固體中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱質(zhì)量傳輸?shù)幕靖拍钆c擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散傳質(zhì)、對(duì)流傳質(zhì)、相間傳質(zhì)課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容:平板狀工程材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定 自然對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定 個(gè)實(shí)驗(yàn)：個(gè)實(shí)驗(yàn)： 傳輸原理是材料科學(xué)與工程、材料成形與控制等專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。 本課程主要面向金屬熱態(tài)成形過(guò)程，闡述動(dòng)量、熱量和質(zhì)量三種傳輸過(guò)程的基本概念、基本規(guī)律和計(jì)算解析

4、方法。 使學(xué)生掌握相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)、分析計(jì)算方法、技能，能夠分析各種參數(shù)對(duì)傳輸現(xiàn)象的影響，并將其應(yīng)用于金屬熱加工過(guò)程中，具備分析和解決相關(guān)實(shí)際問(wèn)題的能力。課程的性質(zhì)與作用課程的性質(zhì)與作用:課程教學(xué)目標(biāo)：課程教學(xué)目標(biāo)： 掌握動(dòng)量、熱量和質(zhì)量三種傳輸過(guò)程的基本概念概念、基本規(guī)律規(guī)律和解析方法方法，及傳輸理論在材料加工與成形過(guò)程中的應(yīng)用應(yīng)用。 掌握流體動(dòng)力學(xué)基本知識(shí)；熱傳導(dǎo)、對(duì)流及對(duì)流換熱、輻射換熱等熱量傳輸過(guò)程計(jì)算的基本方法；擴(kuò)散、對(duì)流等質(zhì)量傳輸?shù)幕疽?guī)律和相似原理。 了解三種傳輸現(xiàn)象的區(qū)別及聯(lián)系，為正確分析和解決有關(guān)問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。 該課程特點(diǎn)是運(yùn)用到較多高等數(shù)學(xué)和物理方面知識(shí)，課程難度較高、內(nèi)容深

5、。u 要求課前預(yù)習(xí)。u 課上認(rèn)真聽講，做好筆記，跟上。u 課后要及時(shí)復(fù)習(xí)與總結(jié)。u 多作習(xí)題、獨(dú)立完成作業(yè)，有疑難問(wèn)題多問(wèn)。課程教學(xué)基本要求：課程教學(xué)基本要求：其他參考教材：其他參考教材：1吳樹森，材料加工冶金傳輸原理，機(jī)械工業(yè)出版社2蘇華欽主編，冶金傳輸原理，東南大學(xué)出版社，19893沈頤身、李保衛(wèi)、吳懋林著，冶金傳輸原理基礎(chǔ)，20004朱愛民，流體力學(xué)基礎(chǔ)，中國(guó)計(jì)量出版社，20045趙鎮(zhèn)南主編，傳熱學(xué)，高等教育出版社，20026J.R.威爾特等編著、馬紫峰、吳衛(wèi)生等譯，動(dòng)量、 熱量和質(zhì)量傳遞原理物質(zhì)或能量從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉(zhuǎn)移的物理過(guò)程。垂直于流體流動(dòng)的方向上，動(dòng)量由高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)

6、移。熱量由高溫度區(qū)向低溫度區(qū)的轉(zhuǎn)移。體系中一個(gè)或幾個(gè)組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移。傳輸理論是以物理學(xué)中的3個(gè)基本定律（質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律和熱力學(xué)第一定律）為依據(jù)。 （2）傳輸現(xiàn)象：）傳輸現(xiàn)象：普遍存在于金屬熱態(tài)成形過(guò)程與冶金過(guò)程，這些過(guò)程都是在高溫下進(jìn)行、并且常有氣、液、固等多相參與，過(guò)程中必然伴隨著各種物質(zhì)傳遞或者熱量傳遞等物理過(guò)程。例如：鋼鐵冶金過(guò)程中的高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、鐵水脫硫都是一個(gè)高溫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。如何實(shí)現(xiàn)高溫？如何實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)？此外，傳輸現(xiàn)象還存在于制冷工程、機(jī)械工程、生物化學(xué)工程及環(huán)境工程等領(lǐng)域。 合金熔煉過(guò)程中組分的混合合金熔煉過(guò)程中組分的混合 沖天爐熔煉中焦炭的燃

7、燒沖天爐熔煉中焦炭的燃燒 熱處理過(guò)程中組分的擴(kuò)散熱處理過(guò)程中組分的擴(kuò)散合金液充型過(guò)程散熱、鑄件的冷卻及組分的再分配合金液充型過(guò)程散熱、鑄件的冷卻及組分的再分配 異質(zhì)合金焊接及焊接過(guò)程熱傳導(dǎo)異質(zhì)合金焊接及焊接過(guò)程熱傳導(dǎo)材料加工過(guò)程中的傳輸現(xiàn)象：材料加工過(guò)程中的傳輸現(xiàn)象：為什么把為什么把“三傳三傳”放在一起作為一個(gè)整體：放在一起作為一個(gè)整體： “三傳”具有共同的物理本質(zhì)：都是物理過(guò)程。 “三傳”具有類似的表述方程和定律。 在實(shí)際金屬熱態(tài)成形過(guò)程中往往包括有兩種或兩種以上傳輸現(xiàn)象，它們同時(shí)存在，又相互影響，是一個(gè)有機(jī)的整體。我國(guó)自1980年以來(lái)，冶金類院校就將傳輸原理作為冶金專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基

8、礎(chǔ)課程。1960 年前后，出現(xiàn)了“動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞”或“傳遞現(xiàn)象”這一課程。期間美國(guó)威斯康辛大學(xué)的R.B.伯德等人合著了傳遞現(xiàn)象一書，這是最早將動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳輸現(xiàn)象歸于一體的教材，用統(tǒng)一的理論進(jìn)行分析研究三種傳輸現(xiàn)象。在傳輸原理這一課程被提出之前，流體力學(xué)（動(dòng)量傳遞）、傳熱學(xué)（熱量傳遞）和傳質(zhì)學(xué)（質(zhì)量傳遞）是一些大學(xué)獨(dú)立開設(shè)的課程。（3）傳輸原理）傳輸原理課程發(fā)展歷程課程發(fā)展歷程動(dòng)量傳輸是研究流體在外界作用下運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，屬于流體力學(xué)。研究對(duì)象：流體為什么出現(xiàn)動(dòng)量傳輸？流動(dòng)中的物體內(nèi)部不同部位的質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)速度不一樣流動(dòng)物體中的動(dòng)量分布不均勻動(dòng)量交換流動(dòng)速度較大的流體質(zhì)點(diǎn)喪失動(dòng)量流動(dòng)

9、速度較小的流體質(zhì)點(diǎn)獲得動(dòng)量主要研究?jī)?nèi)容：研究各種條件下： 流動(dòng)物體中的動(dòng)量（也即流動(dòng)速度）分布情況；流動(dòng)物體中的動(dòng)量（也即流動(dòng)速度）分布情況； 動(dòng)量的傳輸規(guī)律；動(dòng)量的傳輸規(guī)律； 流動(dòng)物體的流速隨時(shí)空變化規(guī)律流動(dòng)物體的流速隨時(shí)空變化規(guī)律動(dòng)量傳輸是自然界和工程技術(shù)中普遍存在現(xiàn)象大氣的流動(dòng)；河流中的水流動(dòng)；煙氣流動(dòng)鋼液和鐵水的流動(dòng)；澆注過(guò)程中的金屬液的流動(dòng)；金屬液中的氣泡和渣上??；金屬熔煉爐或加熱爐中爐氣的流動(dòng)；金屬液對(duì)縮孔的補(bǔ)縮流動(dòng)傳輸理論（動(dòng)量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸）具有不同動(dòng)量的流體產(chǎn)生的動(dòng)量傳輸將影響到熱量和質(zhì)量傳輸，因此這三種傳輸有著緊密地聯(lián)系。l流體的一些特性流體的一些特性（連續(xù)介質(zhì)模

10、型、壓縮性、膨脹性、粘性）（連續(xù)介質(zhì)模型、壓縮性、膨脹性、粘性）l流體的流動(dòng)（層流、紊流、雷諾數(shù)）流體的流動(dòng)（層流、紊流、雷諾數(shù)） 1 1、1 1 流體的一些特性流體的一些特性1.1. 流體：流體：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)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)。通常指能夠流動(dòng)的物質(zhì)。一般為液體和氣體帶有固相顆粒、液相顆粒的氣體或液體也是為流體p 流體的力學(xué)性質(zhì)：流體的力學(xué)性質(zhì)：u流體可以承受壓力，傳遞壓力和切力，但不能傳遞拉力，并在壓力和切力作用下出現(xiàn)連續(xù)變形產(chǎn)生流動(dòng)。（流動(dòng)可持續(xù)流動(dòng)可持續(xù)）u流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)摩擦力，靜止流體沒有內(nèi)摩擦力。p 氣體和液體的區(qū)別氣體和液體的

11、區(qū)別: :液體的分子間距幾乎與分子的直徑相等。對(duì)液體施壓時(shí)，間距稍有縮小就會(huì)產(chǎn)生斥力而抵抗外壓力，即分子間距很難縮小，因此通常稱液體為不可壓縮流體。氣體分子間距大，常溫下約是分子直徑的10倍。常溫常壓下分子間距為3.3x10-7cm，分子有效直徑約為3.5x10-8cm。只有當(dāng)分子間距很小時(shí)才會(huì)出現(xiàn)斥力，因此，通常稱氣體為可壓縮流體。液體有一定體積，有自由表面(引力作用）；氣體充滿容器，無(wú)自由表面（引力小、熱運(yùn)動(dòng)）；液體幾乎不可壓縮； 氣體可壓縮性較大。傳遞過(guò)程離不開物質(zhì)（包括固體和流體，而流體又分為傳遞過(guò)程離不開物質(zhì)（包括固體和流體，而流體又分為液體和氣體），物質(zhì)都是由一些離散的、不斷地做雜

12、亂液體和氣體），物質(zhì)都是由一些離散的、不斷地做雜亂運(yùn)動(dòng)且互相碰撞的分子組成的。運(yùn)動(dòng)且互相碰撞的分子組成的。從微觀角度講，物質(zhì)的從微觀角度講，物質(zhì)的物理量在時(shí)間上和空間上都是不連續(xù)的。物理量在時(shí)間上和空間上都是不連續(xù)的。人們感興趣的不是物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)，而是一人們感興趣的不是物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)，而是一些宏觀的物理量，如壓力、密度、溫度等，因此有理由些宏觀的物理量，如壓力、密度、溫度等，因此有理由不以分子作為研究對(duì)象不以分子作為研究對(duì)象，而采用連續(xù)介質(zhì)模型。，而采用連續(xù)介質(zhì)模型。2 2 流體的連續(xù)介質(zhì)模型：流體的連續(xù)介質(zhì)模型：2 2 流體的連續(xù)介質(zhì)模型：流體的連續(xù)介質(zhì)模型： 流體連續(xù)

13、性基本假設(shè)：流體質(zhì)點(diǎn)之間沒有空隙沒有空隙。 即把流體看成占有一定空間的無(wú)限多個(gè)流體微團(tuán)(質(zhì)點(diǎn))組成的密集無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。 反映宏觀流體的物理量（密度、壓力、粘度、流速、濃度）也是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)。從而可以利用數(shù)學(xué)上連續(xù)函數(shù)的方法來(lái)定量描述。 研究區(qū)域與分子自由程處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，非常稀薄的空氣、高真空環(huán)境？3 3 流體的壓縮性和膨脹性：流體的壓縮性和膨脹性：壓縮性：四周受壓時(shí)體積變小特性；膨脹性：本身溫度升高時(shí)體積增大特性（1 1）液體）液體/dV Vkdp k:體積壓縮系數(shù)，Pa-1V: 液體原有體積，m3dV: 縮小的體積， m3dp:液體受壓增加的壓強(qiáng)，Pa含義：溫度一定時(shí)，每增加單

14、位壓強(qiáng)，液體體積變化的相對(duì)值。VP負(fù)號(hào)表示：（1-1）例：液體水的體積壓縮系數(shù)壓力（MPa）0.51.02.04.05.0k (10-10 Pa-1)5.395.375.325.245.15pVV/pVVpVV/1039. 51051039.5VV0.5MPa0.5MPa時(shí)，若壓力增大時(shí)，若壓力增大0.1MPa0.1MPa，體積變化量？，體積變化量？此時(shí)體積的減小只有約萬(wàn)分之0.5610101 . 01039. 5VV表1-1 0 oC水在不同壓力下的k值液體具有不可壓縮性液體具有不可壓縮性/dV VdT:溫度膨脹系數(shù)， -1dT：溫度升高值，（1-2）含義：壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度升高含義：壓強(qiáng)一定

15、時(shí)，溫度升高1 1 時(shí)液體體積的增大率。時(shí)液體體積的增大率。不考慮液體的膨脹性不考慮液體的膨脹性例：液體水的熱膨脹系數(shù)溫度 T = 1020 ，壓力 P = 0.1MPa，水1.510-4 K-1TVV/4105 . 1VV當(dāng)溫度變化T=1K時(shí)，p實(shí)際在工程上，可以認(rèn)為水是不可被壓縮的。類似地，其他液體也可認(rèn)為不可壓縮。p液體的熱脹性在工程上一般也不考慮。p特殊情況（比如液體體積較大，而壓力變化突然），必須考慮液體的壓縮性。（2 2）對(duì)氣體）對(duì)氣體（1-3）R：氣體常數(shù)，287.2（Nm/(kgK)）空氣理想氣體：pVRTpRTpconst（1-4）波義耳定律：溫度一定時(shí)，氣體的密度與壓力成正

16、比。蓋呂薩克定律：TconstV：比體積（m3/kg）=1/p：絕對(duì)壓力（Pa）T：熱力學(xué)溫度（K）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣（T=273K, p=101325Pa, V=0.774m3/kg)TT00constT由得令TTt0有00000001TTTTtt TVRTp溫度變化為：體積變化為：所以：于是：01t（密度和溫度的具體關(guān)系式）（密度和溫度的具體關(guān)系式）p, T0, 0p, T, 恒壓下推導(dǎo)恒壓下推導(dǎo)蓋呂薩克定律蓋呂薩克定律: :000/11VVRTp VT氣體膨脹系數(shù)0TT-Tp p tRTRTRtVVVp00,單位質(zhì)量氣體在273K時(shí)的體積為V0，溫度升高T后其體積為Vt，當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)，有：

17、00273273273273ttVVTVVT根據(jù)氣體膨脹系數(shù)的定義，有：0000(1)tVVVVVTVT 比較這兩式可得：1273壓力不變時(shí)，一定質(zhì)量氣體的體積隨溫度升高而膨脹。溫度升高1K，體積便增加273K時(shí)體積的1/273，此即蓋呂薩克定律。氣體膨脹系數(shù)恒壓下氣體膨脹系數(shù)的推導(dǎo)恒壓下氣體膨脹系數(shù)的推導(dǎo)：當(dāng)氣體沒有摩擦，又沒有熱交換時(shí)，可認(rèn)為是絕熱可逆過(guò)程 單原子氣體：k=1.6；雙原子氣體：k=1.4（如氧氣、空氣）多原子氣體：k=1.3(如過(guò)熱蒸汽）；干飽和蒸汽： k=1.135k: 氣體的絕熱指數(shù),僅 與氣體的子結(jié)構(gòu)有關(guān)k=Cp /CvCp ：定壓比熱容Cv：定容比熱容1111111

18、11kkkkkkkkkppconstTTppconstpVp VconstTVconst（1-6）氣體具有明顯的壓縮性和膨脹性，壓縮性與壓縮過(guò)程有關(guān)；氣體具有明顯的壓縮性和膨脹性，壓縮性與壓縮過(guò)程有關(guān)；當(dāng)氣體的壓力不太高（當(dāng)氣體的壓力不太高（10kPa) ,10kPa) ,或速度不太大或速度不太大(70m/s)(70m/s)時(shí)，可認(rèn)為是不可壓縮的。時(shí)，可認(rèn)為是不可壓縮的。（3 3）可壓縮流體和不可壓縮流體）可壓縮流體和不可壓縮流體不可壓縮流體不可壓縮流體：流體的k和都很小，可忽略，其密度和重量可看成常數(shù)?？蓧嚎s流體可壓縮流體：流體的k和都比較大，不能忽略，其密度和重量可變。液體視為不可壓縮流體

19、處理；氣體為可壓縮流體處理：氣體有明顯的壓縮性和熱脹性。在工程上考慮氣體的壓縮性和熱脹性時(shí)，常根據(jù)過(guò)程的特點(diǎn)做一些簡(jiǎn)化處理。（見P.6）如氣體在管道中流動(dòng)；或固體在靜止氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，只要它們之間相對(duì)速度小于音速，氣體的密度變化很小，這時(shí)可以忽略氣體的壓縮，視氣體密度為常數(shù)。例題例題2：常溫常壓下（：常溫常壓下（20，1atm），將），將10m3空氣等溫加空氣等溫加壓和絕熱加壓到壓和絕熱加壓到5atm時(shí)體積分別是多少？若將該氣體等容時(shí)體積分別是多少？若將該氣體等容升溫和絕熱升溫到升溫和絕熱升溫到1000 時(shí)，壓力為多少？時(shí)，壓力為多少？解解：（：（1）等溫加壓）等溫加壓311 122212,11

20、025PVconstPPVPVVVmP（2）絕熱加壓）絕熱加壓112121 1222121,()()kkkkkVPVPPVconst PVPVVPVP11311.42121()10 ( )3.167645kPVVmP（3）等容升溫：）等容升溫：12221121100027314.3447120273PPTPVnRTPPatmTTT （4）絕熱升溫：）絕熱升溫：111112211221121121.4111 1.4212()()()20273()1 ()170.94751000273kkkkkkkkkkkkPTconstPTPTTPPTTPPTTPPatmT 例例3：當(dāng)鍋爐內(nèi)的水溫：當(dāng)鍋爐內(nèi)的水

21、溫t1=70時(shí)，可注入時(shí)，可注入50m3的水，如果的水，如果當(dāng)鍋爐內(nèi)的水溫升到當(dāng)鍋爐內(nèi)的水溫升到t2=90時(shí)，能從鍋爐內(nèi)排送出的水時(shí)，能從鍋爐內(nèi)排送出的水量為多少？已知水的熱膨脹系數(shù)量為多少？已知水的熱膨脹系數(shù)=6.410-4K-1。解：解：/dV VdT由436.4 1050 200.64dVVdTm故排送出的總水量為V2=V1+dV=50+0.64=50.64m34 4 流體的粘性流體的粘性dxdyyxyx(a)(a)流體速度分布流體速度分布(b)(b)流體微圓體上的切應(yīng)力流體微圓體上的切應(yīng)力 兩平板之間充滿流體，上板以速度v0運(yùn)動(dòng)，下板固定速度為0。緊貼于上運(yùn)動(dòng)平板下方的一薄層流體也以同

22、一速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)vx不太大時(shí)，板間流體將保持成薄層流動(dòng)?？拷\(yùn)動(dòng)平板的流體比遠(yuǎn)離平板的流體具有較大的速度，且離運(yùn)動(dòng)平板越遠(yuǎn)的薄層，速度越小，至固定平板處速度降為零。流體運(yùn)動(dòng)情況：流體運(yùn)動(dòng)情況：yxvvv+dvdyv=0v0由粘性力所引起的上、下兩板間流體的質(zhì)點(diǎn)只產(chǎn)生；在流體中的粘性力帶動(dòng)下，下層流體出現(xiàn)流動(dòng)，并在，其分布如圖(a)；運(yùn)動(dòng)快的流體層帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)慢的流體層，流層之間 ，兩層流體之間存在反向的相互作用，阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種性質(zhì)，即流體的。yx兩平板之間流體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：兩平板之間流體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：（1 1）牛頓粘性定律：）牛頓粘性定律：dyvx+dvxvx流體層流流動(dòng)時(shí)，流層之間的內(nèi)摩擦力與以下

23、幾個(gè)因素有關(guān)：l與兩層流體的接觸面積A成正比；l與兩層流體的速度梯度成正比；l與流體的物理性質(zhì)有關(guān)xdvFAdy （1-7）xyxdvFAdy 流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力）為：1687年牛頓總結(jié)出了關(guān)于確定流體內(nèi)摩擦力的牛頓粘性定律由于粘性切應(yīng)力的方向與流動(dòng)方向平行，則yx與dvx/dy 的方向無(wú)關(guān)（梯度是矢量）是一對(duì)大小相等，方向相反的力。第一個(gè)角標(biāo)y表示切應(yīng)力的法線方向（速度梯度方向速度梯度方向），第二個(gè)角標(biāo)x表示切應(yīng)力方向（速度方向速度方向）。亦是一矢量，正負(fù)號(hào)表示力的方向。同時(shí)也可表為粘性動(dòng)量通量。：動(dòng)力粘度系數(shù)動(dòng)力粘度系數(shù)，表示流層間出現(xiàn)相對(duì)流速時(shí)的內(nèi)摩擦特性，表征了流體抵抗

24、變形的能力，即流體粘性的大小，Pas22/xdyNmN s mPa sdvmm sxyxdvFAdy 泊P=0.1Pas（2）運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)：）運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)：2(/ )ms是動(dòng)量傳輸?shù)囊环N量度單位換算： 1N=105dyn 1Pas = 1N s/m2 = 10 dyn s /cm2 =10P（泊 ），1P = 0.1Pas 運(yùn)動(dòng)粘度：1m2/s = 104 cm2/s =104 St（斯托克）323222/N s mkg m s s mmsmkgmkg流體的粘度愈大，所產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力也愈大，流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力也愈大。為了克服這種內(nèi)摩擦所造成的阻力，從而使流體維持運(yùn)動(dòng)，必須不斷供給流體一定的能量

25、，這就是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)必然有能量損失的一個(gè)原因。而當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，或流體層之間沒有相對(duì)速度，流體粘性就表現(xiàn)不出來(lái)了。 （3）流體粘性力產(chǎn)生物理原因：）流體粘性力產(chǎn)生物理原因：u垂直流動(dòng)方向分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換。垂直流動(dòng)方向分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換。由于分子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，各流體層之間互有分子遷移摻混，快層分子進(jìn)入慢層時(shí)給慢層以向前的碰撞，交換能量，使慢層加速，慢層分子遷移到快層時(shí)，給快層以向后碰撞，形成阻力而使快層減速。（氣體為主）（氣體為主）u 分子間引力（內(nèi)聚力）作用。分子間引力（內(nèi)聚力）作用。當(dāng)相鄰流體層有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層分子的引力拖動(dòng)慢層，而慢層分子的引力阻滯快層，這就是兩層

26、流體之間吸引力所形成的阻力。 （液體為主）（液體為主）（4）動(dòng)力粘度系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)與溫度和組成有關(guān)：）動(dòng)力粘度系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)與溫度和組成有關(guān)：= f （T，組成）= f （T，組成）對(duì)液體，溫度升高粘度減小對(duì)液體，溫度升高粘度減小對(duì)氣體，溫度升高粘度增大對(duì)氣體，溫度升高粘度增大為什么？3/20273ST()TS273Sutherland式：Andrade式：E /RTK e P8表表1-3壓力壓力對(duì)于液體的動(dòng)力粘度系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)的影響可忽略，對(duì)氣體的動(dòng)力粘度系數(shù)影響亦可忽略，但運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)與壓力成反比。粘度(粘性系數(shù))取決于流體種類,是一個(gè)物性參數(shù)。對(duì)于給定流體，粘度隨溫度和壓力變

27、化。溫度()動(dòng)力粘度103 （Pa.s)運(yùn)動(dòng)粘度106 （m2/s)溫度()動(dòng)力粘度103 （Pa.s)運(yùn)動(dòng)粘度106 （m2/s)01.7921.792500.5490.55651.5191.519600.4690.477101.3081.308700.4060.415201.0051.007800.3570.367300.8010.804900.3170.328400.6560.6611000.2840.296不同溫度下水的粘度不同溫度下空氣的粘度溫度()動(dòng)力粘度105 （Pa.s)運(yùn)動(dòng)粘度105 （m2/s)溫度()動(dòng)力粘度105 （Pa.s)運(yùn)動(dòng)粘度105 （m2/s)-201.61

28、1.15 401.90 1.68 01.71 1.32 602.00 1.87 101.76 1.41 802.09 2.09 201.81 1.50 1002.18 2.31 301.86 1.60 2002.58 3.45 例題例題3：兩平行板相距：兩平行板相距3.2mm，下板不動(dòng)，而上板以，下板不動(dòng)，而上板以1.52m/s的速度運(yùn)動(dòng)。欲使上板保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需的速度運(yùn)動(dòng)。欲使上板保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需施加施加2.39N/m2的力，求板間流體的動(dòng)力粘性系數(shù)？的力，求板間流體的動(dòng)力粘性系數(shù)？解：根據(jù)牛頓粘性定律xyxdvFAdy332.394.99 101.52/(3.2 10 )yxxPa

29、 sdvdy5 5 理想流體、牛頓流體和非牛頓流體理想流體、牛頓流體和非牛頓流體（1）理想流體：內(nèi)部無(wú)摩擦力、無(wú)粘性的流體。是一種假想流體。在靜止流體和速度均勻、直線運(yùn)動(dòng)的流體中，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確解是很困難的。可以先不計(jì)粘性的影響，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。至于粘性的影響則可通過(guò)試驗(yàn)加以修正。（2）牛頓流體：實(shí)際流體是有粘性的，滿足牛頓粘性定律的流體。xyxddy 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。粘性力與速度梯度呈線性關(guān)系。如水、空氣、大部分氣體、油類（3）非牛頓流體：不滿足牛頓粘性定律的流體。如橡膠、泥漿

30、、紙漿、油如橡膠、泥漿、紙漿、油漆和瀝青、高分子溶液漆和瀝青、高分子溶液常見有以下幾種非牛頓流體：a. 假塑性流體和脹流性流體假塑性流體和脹流性流體0()nxyxddy粘性力與速度梯度的關(guān)系：（1-13）0:0 xdvdy時(shí)的流體動(dòng)力粘度系數(shù)，也即零剪切強(qiáng)度。n1時(shí)為脹流性流體脹流性流體，b. 塑粘性流體塑粘性流體00()nxyxddy粘性力與速度梯度的關(guān)系：n1時(shí)為屈服脹流性流體n=1時(shí)為賓漢流體牛頓粘性定律的兩層含義都不滿足c. 觸變性流體觸變性流體粘性隨流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸變小到某一定值的流體。當(dāng)流體停止流動(dòng)時(shí)，其粘性又可逐步回增到某一定值。理想流體或牛頓流體1.1.5 液體的表面張力及其

31、衍生現(xiàn)象（P.1113） 自學(xué)自學(xué)液體與固體和氣體接觸時(shí)，在交界面上的液體存在表面張力。LGSGLSf2f1f3f3f1+q q氣液固LGSGLSf2f1f3f1+ f3氣液固q q(a)(b)f3f1液體潤(rùn)濕固體，并沿固體表面鋪開q90f390液體不能潤(rùn)濕固體表面cosSGLSLGq界面張力：f1：指向液體內(nèi)部受相鄰液體質(zhì)點(diǎn)吸引力的合力f2：受氣體質(zhì)點(diǎn)吸引力引起的作用力f3：垂直固體表面的受固體質(zhì)點(diǎn)吸引力引起的作用力 1 1、2 2 流體的流動(dòng)流體的流動(dòng)1.2.1 流體的流動(dòng)形態(tài)（1）雷諾實(shí)驗(yàn)：水流較慢時(shí)水流較慢時(shí)，紅色液體不與周圍的水混合，自己形成流線。表明各層水的質(zhì)點(diǎn)不相互混和，各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)

32、動(dòng)都是平行移動(dòng)。1882年，發(fā)現(xiàn)有三種流動(dòng)情況。水流速度加快時(shí)水流速度加快時(shí)，紅色液體振蕩，流線彎曲。振蕩隨流速加大而加劇。水流速度很大水流速度很大時(shí)，流動(dòng)中水的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)已經(jīng)變得雜亂無(wú)章，各層水相互干擾,液體出現(xiàn)混合。層流與紊流的形成，是由流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)時(shí)的層流與紊流的形成，是由流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)時(shí)的慣性力慣性力和所和所受受粘性力粘性力的比值決定的的比值決定的。由于粘滯性的存在，在管道中流動(dòng)的流體自然出現(xiàn)分層流動(dòng)，各流體層只作相對(duì)滑動(dòng)而彼此不相混合 。流體不再保持分層流動(dòng)，流動(dòng)顯得紊亂且不穩(wěn)定，且粘性力限制流體質(zhì)點(diǎn)作縱向脈動(dòng)，抑制紊流的出現(xiàn)。流體兩種流動(dòng)形態(tài)：流體兩種流動(dòng)形態(tài)：上臨界流速下臨界流速兩種流動(dòng)形態(tài)相互轉(zhuǎn)變（2）雷諾數(shù)判據(jù)：）雷諾數(shù)判據(jù)：A: 圓管中流體：圓管中流體：ReDD-圓管內(nèi)流體平均速度D-圓管直徑Re(1000013800)，紊流，紊流Re= (21002300)(1000013800)，過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)（1-16）流體的層流與紊流可通過(guò)雷諾數(shù)（Re）來(lái)判斷。慣性力慣性力/ /粘性力粘性力無(wú)量綱數(shù)無(wú)量綱數(shù) B. . 非圓管中流體：非圓管中流體：ReRR-非圓管內(nèi)流體平均速度R-水力半徑水力半徑Re500，紊流，紊流Re= 5500，過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)R