[高等教育]传输原理教案 第1章 流体.ppt

1 第一篇动量传输 p3 本篇学习和研究的内容 研究在各种条件和情况下 1 流动物体中的动量分布情况 即流动速度分布 2 动量传输规律 3 流速随时间和空间的变化规律 流体中动量传输起因 以及对热量 质量传输的影响 1 流体内部不同部位的质点或集团的流动速度不一致 2 流动速度的不一致 必然导致动量分布不均匀 继而发生动量的交换或传递过程 3 这样的动量传递 就会影响到热量和质量的传输过程 第一篇动量传输 2 本篇 动量传输 包括以下几章内容 第一章流体及其流动 流体特性 粘性 层流 紊流等 第二章流体静力学 欧拉方程 压力计量测量等 第三章流体的层流流动 动量通量 动量率 动量平衡方程 质量平衡方程等 第四章流体的紊流流动 紊流流动特征 管道 平板表面紊流等 第五章流体流动的能量守恒 能量守恒 伯努利方程等 第六章流体输送设备 泵与风机等设备 第一篇动量传输 第一篇动量传输 3 第一章流体及其流动 p4 1 1流体的特性 1 流体 Fluid 概念 能够流动的物体 一般指气体或液体 是一种质点间联系很小 质点在空间的相互位置很容易改变 即变形或流动 的物体 2 流体包括 液体和气体 另外带有固相颗粒 液相颗粒的气体 含有固相颗粒 液相颗粒 微小气泡的液体 如悬浊液 乳浊液等 3 流体的力学性质 与固体比较 A 不能传递拉力 B 可承受压力 传递压力和切力 并且在压力和切力下出现流动 流动可持续 C 流体流动时 流速不同的相邻质点间出现位移 导致产生内摩擦力 静止流体没有内摩擦力 第一篇动量传输第1章流体及其流动 4 4 气体和液体的区别 微观 分子间距不同运动自由程不同 宏观 液体有一定体积 有自由表面 气体充满容器 无自由表面 气体可压缩性较大 第一章流体及其流动 运动自由程是流体运动的微观现象尺度 是指流体 液体 气体 等离子体 粒子 在与其它粒子发生碰撞前的平均行程 动量 能量 质量的传递 耗散和输运本质上都是分子运动的结果 气体分子间距离约是分子直径的10倍 除相互碰撞或与器壁碰撞外 气体分子不受力的作用 在空间自由移动 第一篇动量传输第1章流体及其流动 5 第一章流体及其流动p4 1 1 1流体的连续介质模型介绍 p4 1 流体的物理量本质上是不连续的 流体如同固体一样 也是由大量的分子所组成 而分子间都存在比分子本身尺度大得多的间隙 同时 由于每个分子都不停的在运动 因此 从微观的角度看 流体的物理量在空间分布上是不连续的 且随时间而不断变化 2 可以假设流体物理量连续 但在动量传输中 仅限于研究流体的宏观运动 其特征尺度 米 厘米 毫米量级 比分子自由程大得多 描述宏观运动的物理参数 是大量分子的统计平均值 而不是个别分子的值 在这种情形下 流体可近似用连续介质模型处理 3 连续介质模型 连续介质模型认为 物质连续地分布于其所占有的整个空间 物质宏观运动的物理参数 密度 速度 压力 粘度等 是连续分布的 是空间及时间的可微连续函数 从而实现用连续函数的解析方法来研究流体的动量传输 第一篇 动量传输 6 连续介质模型 总结 事实上 流体分子间是有间隙的 流体物理量是不连续的 流体连续性基本假设 假设流体质点之间没有空隙 即把流体看成占有一定空间的无限多个流体微团 质点 组成的密集无间隙的连续介质 反映宏观流体的物理量也是空间坐标的连续函数 密度 压力 粘度 流速等等 第一章流体及其流动 第一篇 动量传输 7 第一章流体及其流动 1 1 2流体的压缩性和热胀性 p4 一 液体 1 流体的压缩性 是指流体四周受压时 其体积变小的特性 2 流体的热胀性 是指流体在其本身温度提高时 其体积增大的特性 3 液体压缩性用 体积压缩系数 k表示 第一篇 动量传输 dV 缩小的体积 m3 V 液体原体积 m3 dp 液体受压的增加值 Pa 前面加负号 可以保证k为正值 或者表示为 8 第一章流体及其流动 4 液体的热胀性用 温度膨胀系数 表示 是温度升高1 时 液体体积的增大率 第一篇 动量传输 dT 温度的升高量 9 例 液体水的体积压缩系数0 水在不同压力下的 值 0 5MPa时 若压力增大0 1MPa 则 此时体积的减小只有约万分之0 5 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 10 例如 液体水的热膨胀系数 温度T 10 20 压力P 0 1MPa 水 1 5 10 4K 1 当温度变化 T 1K时 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 11 实际在工程上 可以认为水是不可被压缩的 类似地 其他液体也可认为不可压缩 液体的热胀性在工程上一般也不考虑 特殊情况 比如液体体积较大 而压力变化突然 必须考虑液体的压缩性 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 12 理想气体状态方程 1mol理想气体 P 绝对压力 Pa V 比体积 m3 kg 气体密度 1 VR 气体常数 空气的R 287J kg K T 热力学温度 K R R m 气体常数 空气 R 287N m kg K 推论A 温度不变时 T const 得波义耳 Boyle 定律 B 若压力不变时 得盖吕萨克 Gaylussac 定律 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 1 1 2流体的压缩性和热胀性二 气体 13 由 得 令 有 体积和温度变化为 所以 于是 P 5 1 5 p T0 0 p T1 1 恒压 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 A 恒压条件 14 工程上取标准态P 1atm T0 273K 则气体温度膨胀系数 B 等压条件 即 1atm压力下 温度从273K每升高1K 体积就增加273K时体积的1 273 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 15 C 绝热条件 绝热指数 空气 一般取1 4 热力学第一定律 U Q W绝热 Q 0 所以W U dU nCv mdT U nCv m T W p VnCv m T nRT V V R Cp m Cv mCv mdT Cp m Cv m TdV V 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 16 气体有明显的压缩性和热胀性 在工程上考虑气体的压缩性和热胀性时 常根据过程的特点做一些简化处理 P 6 如气体在管道中流动 或固体在静止气体中运动时 只要它们之间相对速度小于音速 气体的密度变化很小 这时可以忽略气体的压缩 把气体密度视为常数 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 17 第一章流体及其流动1 1 3流体的粘性p7 牛顿粘性定律过程描述 两无限大平行板间距很小 两板间有流体 下板静止 上板在x方向以速度Vx移动 由粘性力引起的上 下板间流体的质点只产生x方向运动 流体各个平行层运动速度在y方向上有速度梯度dVx dy 流层两面上切向粘性力 切应力 可以表示为 是动力粘度系数 流层间出现相对流速时的内摩擦特性 第一篇 动量传输 18 各物理量关系构成牛顿粘性定律 Newton 1686 牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产生的切应力与法向速度梯度成正比 与压力无关 这一规律与固体表面的摩擦力规律不同 yx为切应力 第一个脚标y表示切应力的法线方向 速度梯度方向 第二个脚标表示切应力的方向 速度方向 19 牛顿粘性定律总结 1 流体产生阻力损失的根本原因 流动着的流体内部有一种抗拒内在向前流动的特性 称为粘性 由于粘性的作用使得流体内部相邻两流体层间产生作用力 内摩擦力 它是产生阻力损失的根本原因 2 牛顿型与非牛顿型流体 剪应力与速度梯度关系完全符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 所有气体和多数液体都属于这一类 凡不遵循牛顿粘性定律的流体 统称为非牛顿型流体 3 温度压力对粘度的影响 压力对流体粘度影响很小 通常可忽略不计 气体 当温度t升高时 粘度增大 是气体分子运动加剧所致 液体 当温度t升高时 粘度降低 是液体间分子间作用力减小所致 4 牛顿粘性定律说明 流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比 与压力无关 流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动1 1 3流体的粘性 20 流体出现粘性的原因分析 1 分子间内聚力 引力 所引起 2 流体分子的垂直流动方向热运动 出现动量交换 所引起 3 液态流体出现粘性以分子间内聚力为主 而且液体粘度随温度升高而减小 因为温度升高导致分子间距增大 分子间引力减小 4 气态流体出现粘性以 垂直流动方向热运动 为主 且气体粘度随温度升高而增大 因为温度升高导致分子热运动增强 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动1 1 3流体的粘性 21 运动粘度系数 动力粘度系数 除以密度 得到运动粘度系数 的单位N s m2 也就是Pa s 的单位是m2 s 粘度 粘性系数 取决于流体种类 是一个物性参数 对于给定流体 粘度随温度和压力变化 22 流体粘度与温度的关系 气体 液体 s 苏士兰常数 K 水 泊肃叶公式 t 温度 23 流体粘度与压力的关系 p9 气体 压力对粘度影响不大 可以不计 液体 压力变化较小 5MPa 时 对粘度的影响可以不计 压力变化较大时 24 例 汽缸内壁的直径D 12cm 活塞的直径d 11 96cm 活塞长度L 14cm 活塞往复运动的速度为1m s 润滑油的动力粘度系数 0 1Pa s 求作用在活塞上的粘性力 解 A 活塞接触面积 n 距离 d D L 25 理想流体 是一种理想化的模型 无摩擦力 没有粘滞性 不可压缩的的流体 称为理想流体 液体不容易被压缩 在不太精确的研究中 可以认为是理想流体 研究气体时 如果气体的密度没有明显变化 也可以认为是理想流体 理想流体没有粘滞性 流体在流动中机械能不会转化为内能 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动1 1 4理想流体 牛顿流体 非牛顿流体 26 牛顿流体 剪应力 粘性力 与速度梯度关系完全符合牛顿粘性定律之流体称为牛顿型流体 也就是说 服从牛顿内摩擦定律的流体所有气体和多数液体都属于这一类 非牛顿流体 凡不遵循牛顿粘性定律的流体 统称为非牛顿型流体 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动1 1 4理想流体 牛顿流体 非牛顿流体 27 牛顿流体 服从牛顿内摩擦定律的流体 水 大部分轻油 气体等 牛顿流体特性曲线 28 1 假塑性流体和胀流性流体 看图的下部分 n1 胀流性 假塑性流体 的增长率随dv dz的增大而降低 高分子溶液 纸浆 血液等 胀流性流体 的增长率随dv dz的增大而增加 淀粉糊 挟沙水流 非牛顿流体 的特性曲线 29 非牛顿流体 的特性曲线 2 塑粘性流体 克服初始应力 0后 才与速度梯度成正比 看图的上部分 n1 屈服 胀流性流体 塑粘性流体有 牙膏 新拌水泥砂浆 中等浓度的悬浮液等 30 非牛顿流体 的特性曲线 3 触变性流体 粘性随流动状况改变 31 1 表面张力 由分子的内聚力引起 单位是 N m 发生在液气接触的周界 液固接触的周界 不同液体接触的周界 2 毛细现象 液固接触液固间附着力大于液体的内聚力 上升 液固间附着力小于液体的内聚力 下降 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动1 1 5液体的表面张力及其衍生现象 p11 32 第一章流体及其流动 1 2流体的流动p131 2 1流体的流动形态 雷诺实验 Reynald 1882 实验装置设计如下 第一篇 动量传输 33 第一章流体及其流动 1 2流体的流动1 2 1流体的流动形态雷诺实验过程 层流 过渡区 紊流 湍流 的详细图解 第一篇 动量传输 层流 Laminarflow 水流较慢时 红色液体不与周围的水混合 自己形成流线 表明各层水平行流动 过渡区水流速度加快时 红色液体振荡 流线弯曲 振荡随流速加大而加剧 紊流 Turbulentflow 湍流 流速增加到一定程度 液体出现混合 表明水流状况非常紊乱 34 第一章流体及其流动 1 2流体的流动1 2 1流体的流动形态层流概念 液体沿管轴方向流动时 流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂 质点没有径向的运动 都保持各自的流线运动 这种流动状态 称为 层流运动 紊流概念 管中流速再稍增加 或有其它外部干扰振动 则有色液体将破裂 混杂成为一种紊乱状态 这种运动状态 称为 紊流运动 第一篇 动量传输 35 层流与紊流的形成 是由流体质点流动时的惯性力和所受粘性力的比值决定的 粘性力大 层流 由于粘滞性的存在 在管道中流动的流体自然出现分层流动 各流体层只作相对滑动而彼此不相混合 惯性力大 紊流 流体不再保持分层流动 流动显得紊乱且不稳定 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 1 2流体的流动1 2 1流体的流动形态 36 层流与紊流可以用雷诺数来判别 圆管雷诺数 惯性力 粘性力 下临界雷诺数 层流开始变紊流 ReCr 2100 2320上临界雷诺数 稳定紊流 Re Cr 10000 13800ReCr Re Re Cr过渡区 非圆管的雷诺数 R 水力半径R 流体有效截面积 润湿周长 5 Re 500过渡区 明渠 300 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 1 2流体的流动1 2 1流体的流动形态 37 血液在血管中流动01500湍流 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 1 2流体的流动1 2 1流体的流动形态 38 1 2 2圆管中流体的流速分布 p15 圆管长度L 半径R 粘度 左端净压p 层流 流速v其中半径为r的圆柱面 其上粘性力 2 rL 压力 p r2 2 rL p r2 边界条件 r R时 v 0 积分得 把边界条件代入 得C pR2 4 L 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 1 20 得微分方程 39 平均流速 流量 亥根 泊肃叶公式 对于紊流 管壁流速为零 中心流速最大 经验式 第一篇 动量传输 第一章流体及其流动 1