傳輸原理基本概念

第一篇?jiǎng)恿康膫鬏敹庞t制作概述煙氣的流動(dòng)、大氣的流動(dòng)、流體的輸送等都是動(dòng)量傳輸動(dòng)量傳輸研究流體的性質(zhì)與流動(dòng)特性流動(dòng)特性：流動(dòng)性、壓縮性、粘滯性研究動(dòng)量傳輸有何用處？概述研究流體流動(dòng)的學(xué)科即流體力學(xué)，也稱動(dòng)量傳輸流體流動(dòng)特性流體靜力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)研究流體流動(dòng)過程中力或能量的平衡與傳遞§1動(dòng)量傳輸?shù)幕靖拍顚W(xué)習(xí)要點(diǎn)1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、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)方法、物理意義及單位概述生產(chǎn)設(shè)備工藝過程流體流動(dòng)（動(dòng)量傳輸）對流傳熱、對流傳質(zhì)（熱量、質(zhì)量傳輸）驗(yàn)證規(guī)律改進(jìn)相互影響§1動(dòng)量傳輸?shù)幕靖拍?/p>

1.1流體及連續(xù)介質(zhì)模型1流體的定義: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)分布的流體質(zhì)點(diǎn)組成的物質(zhì)。

2流體包括：液體、氣體通常液體稱為不可壓縮流體，氣體稱為可壓縮流體。1.1流體及連續(xù)介質(zhì)模型3連續(xù)介質(zhì)模型（1753年Euler提出）:將流體看成是由無限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所組成的密集而無間隙的連續(xù)介質(zhì)。流體中物質(zhì)的分子<<流體質(zhì)點(diǎn)<<流體運(yùn)動(dòng)空間流體的宏觀特性：分子統(tǒng)計(jì)的平均特性1.2流體密度與比容1流體的密度定義：單位體積流體所具有的質(zhì)量，即流體的密度，用表示，單位：kg/m31.2.1流體的密度2流體的密度的表達(dá)式1）對于質(zhì)量分布不均勻的流體，密度的定義式：

ΔV

從宏觀上看應(yīng)足夠小，而從微觀上看應(yīng)足夠大。

limΔVmΔV=dmdV（kg/m3）2）對于均質(zhì)流體，密度的定義式：m：流體的質(zhì)量，kg；V：流體的體積，m3（kg/m3）3)流體混合物密度的表達(dá)式對于液體混合物，密度m的計(jì)算式：m

xWi/Wi)-1kg/m3,i=1,…,n式中：W1，W2，……，Wn為液體混合物中各組分的密度，kg/m3；xW1，xW2，……，xWn為液體混合物中各組分的質(zhì)量百分率，%對于氣體混合物，密度m的計(jì)算式：m

xViVikg/m3,i=1,…,n式中：V1，V2，……，Vn為氣體混合物中各組分的密度，kg/m3；xV1，xV2，……，xVn為氣體混合物中各組分的體積百分率，%

1.2.2流體的比容定義與表達(dá)式計(jì)算公式：=1/=V/m單位質(zhì)量流體所具有的體積------流體的比容，即密度的倒數(shù)。用表示，單位：m3/

kg1.3流體的壓縮性與膨脹性1流體的壓縮性與膨脹性定義：流體在壓力的作用下發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性，流體的壓縮性可用體積壓縮系數(shù)表示流體在溫度的作用下發(fā)生體積膨脹的性質(zhì)稱為流體的膨脹性，流體的膨脹性可用體積膨脹系數(shù)表示流體的壓縮程度取決于流體的性質(zhì)和外界條件2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)，對于氣體可以當(dāng)作理想氣體來處理，即氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程：

PV=nR0T=（m/M）R0T即R0：普適氣體常數(shù)工程單位制：國際單位制：對于氣體：等溫時(shí)（T1=T2）對于氣體：等壓時(shí)（P1=P2）

β=1/2733液體的壓縮性與膨脹性對于液體而言，體積壓縮系數(shù)βp和膨脹系數(shù)βt的定義式：βt==dV/V

dT–d/

dTβp==–dV/V

dpd/

dp例1體積為5m3的水，在溫度不變的條件下，壓強(qiáng)從1大氣壓增加到5大氣壓，體積減小了1L，求水的壓縮系數(shù)和彈性系數(shù)值。（1大氣壓=9.807N/m2）4流體的壓縮性與不可壓縮性依據(jù)上面的分析得出結(jié)論：當(dāng)氣體的壓力不太高（<10kPa),或速度不太高(<70m/s)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。除此之外氣體是可壓縮的對于液體而言，由于βp、βt很小，一般不記其壓縮性實(shí)際上，流體都具有可壓縮性1.4流體的粘性與理想流體

1.4.1流體的粘性1流體粘性定義流體粘性：流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生剪切力以反抗相對運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。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)（P5-6)2流體粘性產(chǎn)生物理原因：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1.4.2牛頓粘性定律u0u+duuFy0x-FFAdyu+du牛頓粘性定律推導(dǎo)示意圖1牛頓粘性定律牛頓經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)流體的流層之間存在相對位移，由于流體的粘性作用，在其速度不相等的流層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成正比，并與流體的粘性有關(guān)。結(jié)果的表達(dá)式為：F=±Adyduxyx=F/A=±dydux2牛頓粘性定律表達(dá)式3牛頓粘性定律討論1）式中：x為運(yùn)動(dòng)方向；y為存在速度梯度的方向。2）τyx：單位面積的內(nèi)摩擦力或單位面積的粘性力，即粘性應(yīng)力，單位N?m-2。

由于粘性應(yīng)力的方向與流動(dòng)方向平行，則τyx與dux/dy的方向無關(guān)（梯度是矢量）粘性應(yīng)力是一對大小相等，方向相反的力

3）正負(fù)號表示力的方向。dux/dy為速度梯度，梯度是矢量，正向與y坐標(biāo)正方向一致。dux

牛頓粘性定律討論

4）μ

：流體的動(dòng)力粘度系數(shù)或粘度，其單位為Pa?S1Pa?S=1N?S/㎡=1Kg/ms粘性系數(shù)粘性系數(shù)μ大小與什么有關(guān)？（a）物質(zhì)種類；（b）溫度；液體——T升高時(shí)μ下降,

氣體——T升高時(shí)μ升高（c）組分

牛頓粘性定律討論對液體混合物，有

lg=

xi

lgi對氣體混合物，有m=yi

Mi1/2i=1nyi

i

Mi1/2i=1n

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)μ與流體密度ρ的比值稱為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，以υ表示，SI制單位：m2/s，工程中用St（沲）為單位。1St=10-4m2/s它的數(shù)值越大隨分子擴(kuò)散而發(fā)生的動(dòng)量傳輸越大，流體的流動(dòng)性越差。

牛頓粘性定律討論6）粘性動(dòng)量通量：通過單位面積在單位時(shí)間內(nèi)傳遞的動(dòng)量。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。即粘性動(dòng)量的傳遞方向指向速度梯度的負(fù)值方向。－－－牛頓粘性定律討論7）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。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。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稱為非牛頓流體。濱海姆流體當(dāng)d/dy=0時(shí)，=不符合第一個(gè)條件，如：沙漿，礦漿等牛頓粘性定律討論屈服塑脹流體：其特征為

兩個(gè)條件均不滿足牛頓粘性定律討論似塑性流體：

注意：我們以后所討論的流體均為牛頓流體。圖1-4牛頓流體與非牛頓流體1.4.3理想流體1定義不具有粘性的流體稱為理想流體。這是客觀世界上并不存在的一種假想流體，也就是說實(shí)際流體都是具有粘性的，都是粘性流體。理想流體2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)的流體中，流體的粘性表現(xiàn)不出來。

在許多場合下，想求得粘性流體的精確解是很困難的?？梢韵炔挥?jì)粘性的影響，使問題的分析大為簡化，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試驗(yàn)加以修正。1.5作用在流體上的力1作用在流體上的力:表面力和體積力表面力:如法向力（壓力），切向力,粘性力表面力的大小與其表面積的大小呈正比，是作用在所研究流體表面上的力。體積力（質(zhì)量力）:如重力、慣性力、電磁力等.是作用在流體內(nèi)部的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上且大小與其質(zhì)量呈正比的力。是一種非接觸力。2流體的靜壓力特點(diǎn)：1)

流體靜壓力的作用方向與作用面垂直，并由外向內(nèi)指向作用面。FFnFτ2)流體中任意點(diǎn)上的靜壓力在各方向上均相等而與方向無關(guān)。3流體的壓強(qiáng)