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流体知识学习总结 1 流体是液体和气体及等离子态的总称 航空航天 空气动力学 石油和天然气开采 渗流力学 燃烧过程 化学流体力学 化工产业 多相流体力学 等离子体运动 电磁流体力学 血液流动 生物流体力学 工作中重要的匀浆涂布工序 流体静力学 流体运动学 流体动力学 理想流体动力学 粘性流体动力学 可 不可压缩流体动力学 非牛顿流体力学 流体作用力的角度 不同 力学模型 角度 2 目录 第1章流体力学基础知识 第2章流体粘性 第3章流体运动 第4章流体搅拌 3 1 1 流体质点与连续介质模型 把流体视为由无数个流体微团 或流体质点 所组成 这些流体微团紧密接触 彼此没有间隙 这就是连续介质模型 流体微团 或流体质点 宏观上足够小 以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点 同时微观上足够大 它里面包含着许许多多的分子 其行为已经表现出大量分子的统计学性质 第1章流体力学基础知识 4 流体的流动是由充满整个流动空间的无限多流体质点的运动所构成的 我们把充满运动着的流体的空间称为流场 场论是流体力学的数学基础 1 2 1标量 向量 张量及场的概念 标量场 物理量为标量 1个元素表示 如温度场 向量场 物理量为向量 即3个元素表示的既有大小又有方向的量 如速度场 加速度场 张量场 物理量为张量 n阶张量场由3n元素表示的场 如应力场和应变场等 场的概念 设在空间中的某个区域内或全部区域内定义某一个函数 将物理量作为空间点位置和时间t的函数 则称定义在此空间区域内的函数为场 场是具有物理量的空间 1 2学习流体力学知识储备 5 1 2 2场论的几个概念 梯度 描述场物理参数的变化率 描述场内空间不均匀性 散度 描述场内单元单位体积变化率 运动中集中叫辐合 发散称为辐散 描述流场中的扩散 旋度 描述流场内的旋转运动 6 1 3流体物理特性 密度 比容 重度 比重 一 易流动性 切应力作用下流体能产生连续变形 流动 二 粘性 后续单独介绍 三 压缩性 流体的密度或容积随压力或温度变化的性质 即单位质量占有的体积 即单位体积物质的重量 即相对密度 7 1 4作用在流体上的质量力和表面力 1 4 1质量力 体积力 透过物质传递的力 作用在研究流体质量中心 与质量成正比 取一流体微团质量为 m 其受的质量力 1 4 2表面力 外界对流体表面的作用力 与表面积大小成正比 取微小单元 S 其受的表面力 质量力的合力 表面力的合力 8 1 5流体的压强及其表示方法 1 压力单位 SI制中 N m2 Pa 称为帕斯卡 2 压力大小的两种表征方法 1atm 标准大气压 1 013 105Pa 760mmHg 10 33mH2O1at 工程大气压 9 807 104Pa 735 6mmHg 10mH2O 计示压强Pm 绝对压强 当地大气压Pa 真空度Pv 当地大气压 绝对压强 计示压强 流体的压强 流体垂直作用于单位面积上的力 称为流体的压强 用p表示 工程上习惯称之为压力 绝对压强 以绝对真空为基准 计示压强 以当地大气压为基准 绝对压强P 大气压强 计示压强 三者关系 9 第2章流体粘性 运动粘度 液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度 其值为相同温度下液体的动力粘度与其密度之比 在国际单位制 SI 中 运动粘度的单位以平方米 秒 m2 s 表示 通常使用的单位为平方毫米 秒 mm2 s 动力粘度 液体在剪切应力作用下流动时内磨擦力的量度 其值为所加于流动液体的剪切应力和剪切速率之比 在国际单位制 SI 中 动力粘度的单位以帕 秒 Pa s 表示 通常使用的单位为毫帕 秒 mPa s 胶液浆料粘度以此粘度衡量 2 1粘度的定义 10 1 粘压关系压强 其分子间距离 被压缩 内聚力 粘度 一般不考虑压强变化对粘度的影响 2 粘温关系温度 内聚力 粘度 液体 温度 交换能力 粘度 气体 温度变化时对流体粘度的影响必须给于重视 粘度与温度关系图 原因详解 这是因为气体的粘性力主要来自相邻流动层分子的横向动量交换的结果 温度升高 这种动量的交换也加剧 因而内摩擦力或 值将增大 但是 液体则不同 随着温度的升高 液体的 值将减小 原因在于液体的粘性力主要来自相邻流动层间分子的内聚力 随着温度的升高 液体分子热运动加剧 液体分子间的距离变大 因而分子间的内聚力将随之减小 2 2粘度影响因素 11 2 3流体类型 2 3 1理想流体与粘性流体 理想流体 0 即无粘性流体 粘性流体 0 2 3 2牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体 动力粘度 为不变数的流体 非牛顿流体 为变数的流体 12 0 dv dy o 膨胀型流体 牛顿流体 拟塑性流体 塑性流体 膨胀型流体 的增长率随dv dy的增大而增加拟塑性流体 的增长率随dv dy的增大而降低 高分子溶液 纸浆 血液等 塑性流体 克服初始应力 0后 才与速度梯度成正比 牙膏 新拌水泥砂浆 中等浓度的悬浮液等 2 3 3粘性流体分类 13 a 纯粘性流体在撤除剪切应力后 它们在受剪切应力作用期间的任何形变都不会回复 b 而粘弹性流体在撤除剪切应力后 它们在受剪切应力作用期间所产生的形变会完全或部分地得到回复 粘性流体的分类 流体触变性 恒定剪切速率下粘度随时间增加而降低的 14 第3章流体运动 3 1描述流体运动的两种方法 一 拉格朗日法 随体法 着眼于流场中具体流体质点的运动 即跟踪每一个流体质点 分析其运动参数随时间的变化规律 拉格朗日变数 a b c t 区分流体质点的标志 二 欧拉法 局部法 当地法 着眼于某瞬时流场内处于不同空间位置上的流体质点的运动规律 欧拉变数 x y z t 流体质点所在空间位置 欧拉变数x y z与L 法中质点位置x y z有所区别 空间点x y z是t独立变量即与t无关 而质点位置x y z是t的函数 15 3 2流体的运动属性 流量 体积流量 qV V t m3 s 质量流量 kg s qm qV 流速 体积流速 u qV A 质量流速 m s kg m2 s qm wA uA w u 16 流线 流线是流速场的矢量线 是某瞬时对应的流场中的一条曲线 该瞬时位于流线上的流体质点之速度矢量都和流线相切 流线是与欧拉观点相对应的概念 迹线 是流体质点运动的轨迹 是与拉格朗日观点对应的概念 流面 是由流线组成的空间曲面流管 在流场中 取一条不与流线重合的封闭曲线L 在同一时刻过L上每一点作流线 由这些流线围成的管状曲面称为流管流束 管内流体称为流束 17 3 3流体运动中的一些基本概念 层流 流体质点运动轨迹是有规则的光滑曲线 湍流 流体质点除了做有规则的光滑曲线运动 还做不规则的杂乱运动且互相碰撞 互相混和 稳定 定常 流动 流体流动过程中 任一截面上与流动相关的物理量 流速 压强 密度等 不随时间变化的流动 不稳定 非定常 流动 在流动过程中 流体在任一截面上的物理量随时间而变化的流动 18 3 4雷诺准数 19 运动着的流体涉及的能量形式有 单位质量 内能 位能 动能 静压能 热 功 3 5流体运动中的能量守恒 伯努利方程式 流体稳定流动时的能量衡算 输入能量 U1 g1Z1 u12 2 p1 1 Qe We 输出能量 U2 g2Z2 u22 2 p2 2 由能量守恒定律 输入能量 输出能量 20 假设 U1 g1Z1 u12 2 p1 1 Qe We U2 g2Z2 u22 2 p2 2 总能量衡算式 1 理想流体流动过程的能量衡算 理想流体 a 流体在流动时无摩擦 无能量损失b 不可压缩流体 Qe 0 We 0 gZ1 u12 2 p1 gZ2 u22 2 p2 常数 理想流体伯努利方程式 流体的机械能 21 2 实际流体流动 过程的能量衡算 假设 Qe 0 能量损失 Wf J kg 能量补充 We J kg gZ1 u12 2 p1 We gZ2 u22 2 p2 Wf 实际流体伯努利方程式 22 搅拌器类型 小直径高转速搅拌器 涡轮式搅拌器 推进式搅拌器 大直径低转速搅拌器 桨式搅拌器 锚式 框式搅拌器 螺带式搅拌器 第4章流体搅拌 4 1搅拌器类型 23 24 4 2搅拌槽内液体进行着几种流动 轴向流 流体轴向流入 轴向流出径向流 流体轴向流入 径向流出切向流 流体围绕搅拌轴作旋转运动 25 搅拌雷诺数 叶轮直径 搅拌器转速 液体黏度 液体密度 4 3搅拌雷诺数 26 Re 10 叶轮周围液体随叶轮旋转作周向流 远离叶轮的液体基本是静止的 属于完全层流 10 Re 30 液体的运动达到槽壁 并沿槽壁有少量上下循环流发生 此现象为部分层流 仍为层流范围 27 Re 103 流体达湍流状态 若槽壁处无挡板时 由于离心力的作用 搅拌轴附近会形成旋涡 搅拌器转速越大 形成的旋涡越深 这种现象称为 打旋 30 Re 103 桨