化工流體力學(xué)第一章

化工流體力學(xué)第一章第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三本章目錄第一節(jié)流體的物理屬性第三節(jié)引發(fā)流體運(yùn)動(dòng)的方式、工藝過程的操作條件第四節(jié)液膜流動(dòng)第二節(jié)流動(dòng)空間的幾何特征，流動(dòng)問題分類第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)流體的物理屬性連續(xù)介質(zhì)假定密度，壓縮性粘性，牛頓流體導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率擴(kuò)散性，擴(kuò)散系數(shù)表面張力第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三連續(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(shí)間上都是不連續(xù)的。流體力學(xué)中，感興趣的是流體的宏觀特性，即有連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的提出。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三連續(xù)介質(zhì)假定：假設(shè)流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)組成的介質(zhì)。

(1)可用連續(xù)性函數(shù)B(x,y,z,t)描述流體質(zhì)點(diǎn)物理量的空間分布和時(shí)間變化；(2)由物理學(xué)基本定律建立流體運(yùn)動(dòng)微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是對(duì)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的宏觀數(shù)學(xué)抽象，就象幾何學(xué)是自然圖形的抽象一樣。除了稀薄氣體、激波外的絕大多數(shù)流動(dòng)問題，均可用連續(xù)介假設(shè)作理論分析。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三密度，壓縮性密度是表征流體最基本的物理量。氣體和液體的密度可以相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。如277K時(shí)，流體體積或密度隨壓力變化的性能稱為壓縮性。一般來說，液體比氣體的壓縮性小得多。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）

第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三粘性流體不能保持一定的形狀，處于靜止?fàn)顟B(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)生任意大的變形。當(dāng)變形速度大時(shí)，流體則呈現(xiàn)出一定的抵抗力。運(yùn)動(dòng)一旦停止，抵抗力便消失，流體受到剪切力作用時(shí)抵抗變形速率的能力成為粘性。

理想流體：黏性可被忽略的流體。

無滑移現(xiàn)象：緊靠壁面的一層流體，將不做相對(duì)器壁的宏觀運(yùn)動(dòng)。

第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三牛頓黏性定律上式稱為牛頓黏性定律式中：——?jiǎng)恿φ扯?，?jiǎn)稱黏度；——速度梯度，也可理解為剪切變形速率，簡(jiǎn)稱剪切速率，以表示。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三從牛頓黏性定律可看出：黏性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力和速度梯度（剪切速率）呈正比粘性切應(yīng)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(dòng)的快慢，卻不能停止流動(dòng)第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三黏度黏度又稱動(dòng)力黏度，定義為剪切應(yīng)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（Pa·s),CGS制中是泊(P)，1Pa·s=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。

第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三溫度升高時(shí):液體分子間平均距離增大，內(nèi)聚力減小，使粘

度相應(yīng)減小

(b);氣體分子運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)量交換激烈，使粘度相應(yīng)增大(a)。第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三常溫常壓下水的粘度是空氣的55.4倍粘度與密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)粘度

在SI制中運(yùn)動(dòng)粘度的單位是m2/s(cm2/s);常溫常壓下空氣的運(yùn)動(dòng)粘度是水的15倍水空氣水空氣第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三

牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體：切應(yīng)力與速度梯度之間呈線性關(guān)系，即動(dòng)力粘性系數(shù)為常數(shù)。非牛頓流體：切應(yīng)力在變形速率保持恒定時(shí)要隨時(shí)間發(fā)生變化。切應(yīng)力隨時(shí)間增加為流變形流體，反之為觸變性流體。廣義牛頓切應(yīng)力公式：對(duì)于牛頓流體非牛頓流體第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三典型的非牛頓流體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：式中，m——稠度系數(shù)，n——流動(dòng)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）n＜1；假塑性流體（3）n＞1；膨脹流體第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三2.黏塑性流體若，若，服從上兩式的液體稱為黏塑性流體，也叫賓漢流體。特點(diǎn)為：（1）所受應(yīng)力小于時(shí)，流體不流動(dòng)；（2）所受應(yīng)力大于時(shí)，其流動(dòng)行為就和牛頓流體一樣。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率流體中存在溫度差，就會(huì)有熱量傳遞，需考慮流體的導(dǎo)熱能力表示流體導(dǎo)熱能力的物理性質(zhì)是熱導(dǎo)率熱量傳遞方式導(dǎo)熱對(duì)流熱輻射第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三傅里葉定律單位時(shí)間內(nèi)所傳導(dǎo)的熱量單位面積、單位時(shí)間所傳導(dǎo)的熱量稱為導(dǎo)熱通量或熱流強(qiáng)度

這一方程稱為傅里葉導(dǎo)熱定律。負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反。

第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三比例系數(shù)k是熱導(dǎo)率，定義為（1）空氣中氫氣的熱導(dǎo)率最高，液體中水的熱導(dǎo)率最高（2）氣體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大（3）大部分液體（水和甘油除外）的導(dǎo)熱率隨溫度的升高而降低。第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三擴(kuò)散性，擴(kuò)散系數(shù)如果流體是混合物，且其中存在濃度差，就會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散。表示流體這種性質(zhì)的是擴(kuò)散系數(shù)。物質(zhì)必然從濃度高擴(kuò)散到濃度低處，從而產(chǎn)生了物質(zhì)傳遞。第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三費(fèi)克定律單位時(shí)間經(jīng)單位面積擴(kuò)散的A物質(zhì)量JA，與擴(kuò)散方向上的濃度梯度成正比，即：

上述方程稱為費(fèi)克擴(kuò)散定律。中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散是沿著濃度降低的方向進(jìn)行的。

比例系數(shù)DAB稱為擴(kuò)散系數(shù)，第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三表面張力表面張力通常是指液體與氣體交界面上的張應(yīng)力2.表面張力現(xiàn)象：⑴肥皂泡⑵洗潔劑⑶毛細(xì)現(xiàn)象第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)流動(dòng)空間的幾何特征，流動(dòng)問題分類流體運(yùn)動(dòng)問題的分類

外部流動(dòng)（繞流）：管外流動(dòng)內(nèi)部流動(dòng)：管內(nèi)流動(dòng)典型的化工設(shè)備攪拌槽：鼓泡塔：固定床：流化床；第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)引發(fā)流體運(yùn)動(dòng)的方式、工藝過程的操作條件化工設(shè)備中流動(dòng)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(dòng)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）Re＜2000，層流

2000＜Re＜4000，過度流