传输原理：第一部分：动量传输

1、传输原理,第一部分：动量传输,流体流动条件下的动量传递过程，其实质是流体流动过程中力、能平衡问题,动量传输 研究对象,移植自“流体力学”，即将流体视为连续介质，取流体微团或质点为最小的解析对象,研究模型,2,第二章 流体的性质 流体的基本概念 连续介质假设 流体的主要性质 流体粘性和内摩擦定律,1.流体的概念,4,物质的几种状态： 固体 液体 气体 等离子体,流体,流体：自然界中能够流动的物质，如液体和气体 在任何微小剪切应力的持续作用下能够连续不断变形的物质称为流体,基本特性,流动性（剪切力作用下连续变形,粘性（阻滞流动的性质,表面张力,压缩性(膨胀性,5,1.流体的概念,可流动性,当受到剪

2、切力持续作用时，固体变形有限，流体则能产生无限大变形； 固体内的剪切应力由变形量决定，流体内的剪切应力由变形速率决定； 当剪切力停止作用时，固体变形能完全恢复或部分恢复，流体停止继续变形但是不做任何恢复,固体与流体的受力变形与恢复,1.流体的概念,可压缩性,在压力的作用下(温度一定)，流体体积会发生明显变化的特性称为可压缩性(compressibility,压缩系数,体积弹性模量,可压缩流体：在压力作用下流体密度场的相对变化不可忽略的一类流体 不可压缩流体：在压力作用下流体密度场的相对变化很小，可以忽略不计的一类流体,1.流体的概念,液体分子间距很小（液体,分子间距很大，只有在缩小 很多时才产

3、生斥力(气体,可压缩流体 不可压缩流体,液体与气体的差异,8,1.流体的概念,2.连续介质模型,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,液体,气体,9,流体的微观特性： 随机性 不连续性,不做随机热运动，只做宏观运动 统计平均微团物理量,流体是由在空间和时间上连续分布的流体微团组成的介质,2.连续介质模型的意义,连续介质模型和流体微团是对流体分子结构的宏观数学抽象，通过这种数学抽象排除了流体分子运动复杂性对动量传输研究的影响,把流体看作连续介质后，表征流体性质的密度、速度、压强和温度等物理量在

4、流体中也连续分布。因此，可以将流体的各种物理量视为时空坐标的连续函数，从而能够用解析函数等数学工具分析流体的平衡和运动规律,*长度尺寸分子间距、平均分子自由程,连续介质模型的应用条件,连续介质模型成立的基本要求是：流体微团在空间分布上满足微观充分大、宏观充分小，在时间分布上满足微观充分长、宏观充分短,下列哪一种研究可以应用连续介质模型进行分析 (1)气流在10-6atm 压强下通过直径20cm 的孔隙。 (2)1nm 厚度滑润剂层的剪切应力计算。 (3)空气在0和1atm 下掠过停在停车场的跑车。 (4)卫星在150 公里高空中飞行时大气的流动,连续介质模型的应用,例1,比较流体分子距的数量级

5、(气体为气体平均分子自由程，液体为液体分子有效直径)和物体特征尺寸L 的数量级可以确定能否应用连续介质模型进行分析。 (1)10-6atm 的真空中理想气体的平均分子自由程约为7cm，与孔隙尺寸的数量级相当，不能应用连续介质模型进行分析。 (2)原子的典型半径为0.1nm，因此润滑剂分子的尺寸为纳米级，与润滑剂薄膜厚度的数量级相当，不能应用连续介质模型进行分析。 (3)正常压强条件下理想气体的平均分子自由程约为10-7m，远远小于跑车特征尺寸对应的数量级，可以应用连续介质模型进行分析。 (4)150 公里高度处的大气为稀薄气体，相应的平均分子自由程约为100m，与卫星特征尺寸对应的数量级相当，

6、不能应用连续介质模型进行分析,下列哪一种研究可以应用连续介质模型进行分析 (1)气流在10-6atm 压强下通过直径20cm 的孔隙。 (2)1nm 厚度滑润剂层的剪切应力计算。 (3)空气在0和1atm 下掠过停在停车场的跑车。 (4)卫星在150 公里高空中飞行时大气的流动,例1,动量传输的研究方法,理论分析方法的一般过程为：建立物理模型；运用物理学的基本定律结合流动特点推导相应数学方程；用数学分析方法结合定解条件求解方程；检验和解释求解结果。 实验研究方法的一般过程为：在相似理论的指导下，在实验室内建立模型实验装置；用流体测量技术测量模型实验中的流动参数；处理和分析实验数据并将它归纳为经

7、验公式。 数值模拟方法的一般过程为：采用理论分析方法建立相关数学模型；采用各种方法(有限差分法、有限元法等)对数学方程作简化和数值离散化，编制程序进行数值计算；将计算结果与实验或理论解析结果进行比较,密度,对于非均匀流体，某一点密度为,3.流体的主要物理性质,相对密度 无量纲数,14,气体的密度,等熵指数,15,比体积 单位质量流体所具有的体积,重度,非均匀流体某一点的重度为,16,例2： 大多数现代温度计采用无水乙醇，而旧温度计常常采用水银。水在常温常压下的重度是9.81kN/m3，水银的相对密度是13.56，试求水的密度、水银的重度和密度。如果水银温度计中的体积为50mm3，计算温度计中水

8、银的重量,17,压缩性（膨胀性,液体,液体分子距离较近，压缩时，排斥力增大，难以压缩；T，略有膨胀，膨胀系数1/1000。 V受T、P的影响不大，在工程上一般视为不可压缩流体,流体的压缩性及膨胀性,一）等温压缩率（1/Pa） （二）体胀系数（1/K,18,气体分子间距较大，吸引力较小，V受T、P的影响较大。对于理想气体而言，其关系式可用状态方程表示,气 体,Vm=22.4m3/kmol，R0(通用气体常数)=8.314kJ/kmolk,v为比体积，m3/kg，R(气体常数)= R0/相对分子质量量， J/kgk,1kmol气体,1kg气体,1,19,式中： P绝对压力，Pa；R气体常数；T热力

9、学温度，K,20,2） 等温压缩,21,3） 恒压膨胀,式中 vttC下的比体积；v0标态比体积,气体膨胀系数,kg/m3,N/m3,22,1千克气体体积,流速,m3,流量,热气体流动情况下,m/s,m3/s,23,4) 绝热压缩,可压缩流体：气体受压时密度变化较大，如高压气体流出，煤气、空气自喷嘴流出,不可压缩流体：压力所引起的密度变化可忽略不计，如常压气体流动、通风系统,气体,24,4. 流体的粘性和内摩擦定律,一、流体粘性的概念,粘性(viscosity)：阻滞（相对）流动的性质,流体的粘性流体流层间产生切应力 粘性力（内摩擦力,流体在运动时所表现出的抵抗剪切变形的能力称为粘性 粘性是流

10、体的固有属性，是运动流体产生机械能损失的根源,粘性产生原因,液体,气体,流体分子间的内聚引力,流体分子的热运动,两平行平板，中间充满流体，平板的面积为A，其间的流体均匀，高为H。且HA 叫无限大平板,粘性实验,二、牛顿粘性定律,对稳定层流流动,任意两流层,速度梯度,表述：流体的粘性阻力F与速度v0成正比，与两平板间距离H成反比，与接触面积A成正比，与流体的粘度有关,单位面积上的粘性力（切应力,二、牛顿粘性定律,N/m2,动量通量的方向与速度梯度方向相反,x方向的动量沿着y方向传输，是x方向的动量在y方向的“动量通量”。速度梯度是动量的“驱动力,从动量传输角度看牛顿粘性定律,单位时间通过单位面积

11、所传递的动量（粘性动量通量,动力粘性系数，动力粘度,单位,物理意义,时，单位面积上的粘性力，流体阻滞流动的能力， ，阻滞作用,影响因素,运动粘度,m2/s,三、粘度,衡量流体粘性力时用动力粘度，衡量流体流动性时用运动粘度,粘度与温度,液体：分子间内聚力为主。温度， 间隙，内聚力，,气体：分子热运动。温度， 热运动加剧，,思考,粘性动量通量与粘性力的不同之处,传递方向,粘性动量：高速流层向低速流层(y)。 粘性力：流体流向(x) 。快速流层与流向相反；慢速流 层，与流向相同,牛顿流体：满足牛顿粘性定律的流体,非牛顿流体：不满足牛顿粘性定律的流体,牛顿流体与非牛顿流体,非牛顿流体,常见非牛顿流体,例2-3 以下情况是否可以使用牛顿粘性定律？请说明理由。 (1)从填缝枪中出来的缝隙流。 (2)从喷枪中喷出的水流。 (3)从涡轮喷