1 动量传输基本概念

1、1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 1 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 2 动量传输动量传输 基基 本本 概概 念念 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 3 概述 冶金过程：是物理化学过程、动量、热冶金过程：是物理化学过程、动量、热 量、质量传输过程的组合过程。量、质量传输过程的组合过程。 传输理论的基础：质量守恒定律；动量传输理论的基础：质量守恒定律；动量 守恒定律；能量守恒定律。守恒定律；能量守恒定律。 研究的目的：研究速率过程（动量、热研究的目的：研究速率过程（动量、热 量、质量）量、质量） 本学科的现状与发展本学科的现状与发展 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 4

2、 一 单位制： 工程单位制 ； 基本单位：长度，时间，力 国际单位制； 基本单位：长度，时间，质量 工程单位制规定：质量为1kg的物体在标准重力加速度处 所受的引力为1kgf。缺点g随地点的不同而异，力不能作 为基本单位，且kg与Kgf是不同的概念。 国际单位制： 基本单位： 米（m） 公斤（kg）秒（s）度（）（K） 导出单位： 力牛顿（1N=1kgm/S） 能量焦耳（1J=1kg/S） 压力（强）帕斯卡（Pa=N/） 功率瓦（W=J/s） 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 5 二二 单位换算：单位换算： 力 : 1kgf=9.807 N 1N=0.102kgf 压力（强）:1atm=

3、1.01325105 Pa 1atm=760mmHg=10332mmH2O 1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807104 Pa 1mmH2O=1kgf/=9.8Pa 能量: 1kJ=0.239kcal 1kcal=4.187kJ 1w=1J/s=0.86kcal/h 1kcal/h=1.163w 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 6 1.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 1、流体的定义: 在切向力的作用下会发 生连续的变形的物质。 从物质受力和运动的特征来分： 切向力流动 流体 固体 宏观的研究流体受力和运动规律的科学 流体力学 变形速度 1. 动量传输基本

4、概念动量传输基本概念 7 1.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 2、不可压缩流体: 可压缩流体 液体可以随其容器形状 不同而改变其形状，且 在相当大的压力下不改 变其体积。 自由界面 气体具有很大的的压缩 性和膨胀性，可以在压 力下体积缩小或无限膨 胀，没有自由表面。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 8 1.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 3、连续介质模型: 气温随时间变化 自由落体的位移 连续函数 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是 空间及时间的可微连续 函数。对于连续介质模 型，微积分等现代数学 工具可以加予应用。 xfy 1. 动量

5、传输基本概念动量传输基本概念 9 1.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 1.2.1 惯性惯性 流体的密度 对于均质流体 V m V m v 0 lim V 从宏观上看应足够小， 而从微观上看应足够大。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 10 1.2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 只有当流体是连续介质时，流体的一切物理属性 均可以看作是坐标和时间的连续函数。可以用微 积分来处理问题。 即密度的倒数。 kg m m V 31 流体的密度流体的密度 流体的比容流体的比容 流体的重度流体的重度 =g 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 11 对于气体可以当作理 想气体来处理，

6、即气 体满足理想气体状态 方程。 R0：气体常数， 工程单位制中： 国际单位制 1.2.1 流体的惯性流体的惯性 RTvP P M R R 0 Kkmol mkgf R 848 0 Kkmol mN R 8314 0 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 12 1.2.2 流体的压缩性流体的压缩性 流体的压缩性流体的压缩性 1、液体的压缩性 等温压缩 对于液体而言， 由于p很小， 一般不记其压缩性。 注意压缩性是一相对的 概念 体积压缩系数 其倒数为体积弹性模数 dP dV V p 1 dp dV V E v 0 dP dV 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 13 1.2.2 流体的压

7、缩性流体的压缩性 对于气体： 1、等温时 （T1=T2） 2、等压时 （P1=P2） 1 2 12 P P 2 1 12 P P tT T t t 1 00 0 2 1 12 T T 1 2 12 T T =1/273=1/273 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 14 1.2.2 流体的压缩性流体的压缩性 当气体的压力不太高（10kPa) ,或速度不太高 (70m/s)时，可认为是不可压缩的。 3、绝热时：当气体没有摩擦，又没有热交换时， 可认为是绝热可逆过程 ： kk PP 1 1 1 1 1 1 k k k k T P T P 单原子气体单原子气体 k=1.6k=1.6； 双原子气

8、体双原子气体 k=1.4k=1.4（如氧气、空气）；（如氧气、空气）； 多原子气体多原子气体 k=1.3(k=1.3(如过热蒸汽）；如过热蒸汽）； 干饱和蒸汽干饱和蒸汽 k=1.135k=1.135 K:K:气体的绝热指数气体的绝热指数 K=Cp/CvK=Cp/Cv 绝热指数仅与气体的分子结构绝热指数仅与气体的分子结构 有关有关 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 15 1.3 流体的粘性流体的粘性 1.3.1 粘性的概念粘性的概念 实验一 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H A 叫无限大平板 0 v x y F H x（y） 稳定 开始 v 固定固

9、定 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 16 将下面的一块平板作匀速直线运动，连续测定使这块平板 作匀速直线运动所需的力。实验测得稳定后F=Const。 实验结果： 1 0与F不变时，FA 2 A=Const 时：F 0 /H （唯一的单增函数） 结果的表达式为： v xx y x d vFd v FA d yAd y v yx yx下标： 下标：x x为运动方向；为运动方向；y y为在该方向上有速度梯度为在该方向上有速度梯度 式中：式中： 流体的动力粘度系数，其单位为流体的动力粘度系数，其单位为 PaPaS S 1.3.1 粘性的概念粘性的概念 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 1

10、7 1.3.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 a. a. 正负号的意义正负号的意义 由于粘性应力的方向与流动方向平行，则yx与dvx/dy 的方向无关（梯度是矢量）粘性应力是一对大小相等， 方向相反的力。亦是一矢量，正负号表示力的方向。同 时也可表为粘性动量通量。 2 () x yx dvN dym 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 18 1.3.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 b.b.粘性动量通量粘性动量通量： 通过单位面积在单位时间内传递的动量。 运动粘性系数，单位：m2/s 粘性动量通量的大小与动量梯度成正比，方向总是 从高速流层传向低速流层。既粘性动量的传递方向指向 速度梯度的负值方向

11、。使得计算结果中，粘性动量通量 总是大于等于零。 即：粘性动量通量 xxx yyy vv x 0 y v 粘 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 19 1.3.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 例题：两平板相距例题：两平板相距3.2mm3.2mm，下板不动，而，下板不动，而 上板以上板以1.52m/sde1.52m/sde速度运动。欲使上板保速度运动。欲使上板保 持匀速运动状态，需要施加持匀速运动状态，需要施加2.39N/m2.39N/m2 2的力，的力， 求板间流体的动力粘性系数。求板间流体的动力粘性系数。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 20 小结小结 1. 流体。 2. 不可压缩

12、流体和可压缩流体。 3. 连续介质模型。 4. 流体的主要物理性质 5. 粘度：流体在切向力的作用下会发生变形， 粘度就是表征流体抵抗变形的能力， 即流体粘性的大。 动力粘性系数 dyd x yx Pa s 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 21 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 2 () x yx dvN dym yx yx：粘性动量通量； ：粘性动量通量； yx yx下标： 下标：x x为运动方向；为运动方向；y y为在该方向上有速度梯度为在该方向上有速度梯度 ：流体的动力粘度系数，其单位为：流体的动力粘度系数，其单位为 PaPaS S 当流体的流层之间存在相对位移，即存在速度梯度时，由当流

13、体的流层之间存在相对位移，即存在速度梯度时，由 于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间所产生于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间所产生 的粘性力的大小与速度梯度和接触面积成正比，并与流的粘性力的大小与速度梯度和接触面积成正比，并与流 体的粘性有关。体的粘性有关。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 22 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 1.1.粘性动量通量的大小与动量粘性动量通量的大小与动量( (速度速度) )梯度成正比。梯度成正比。 2.2.方向总是从高速流层传向低速流层。方向总是从高速流层传向低速流层。 3.3.当当dvdvx x/ /dydy为负值时，符号取负号。为负值时，符号取

14、负号。 4.4.当当dvdvx x/ /dydy为正值时，符号取正号。为正值时，符号取正号。 动量通量动量通量yx yx始终为正值。 始终为正值。 5.5.：流体的动力粘度系数，表征流体的粘度。：流体的动力粘度系数，表征流体的粘度。 是流体温度和压强的函数。是流体温度和压强的函数。 在工程常用的温度和范围内，粘度主要依温度而定。在工程常用的温度和范围内，粘度主要依温度而定。 分析：分析： 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 23 1.3.4 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体：满足牛顿粘性定律的流体。 两个含义：1 、当速度梯度为零时，粘性力为零。 2 、粘性力与速度梯度呈

15、线性关系。 非牛顿流体： 凡不满足牛顿粘性定律的流体均称 为非牛顿流体。 1、宾海姆流体 dy dv 0 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 24 1.3.4 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 当 时， 不符合第一个条件 ，如：沙浆，矿浆等 2、屈服-伪塑流型流体：其特征为 两个条件均不满足 3、伪塑流型流体： 注意：我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。 0 dy dv 0 n dy dv )( 0 n dy dv )( 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 25 1.3.5 粘性流体与理想流体粘性流体与理想流体 实际流体都是具有粘性的，都是粘性流体。 不具有粘性的流体称为理想流体

16、，这是客观世 界上并不存在的一种假想流体。 （1）在静止流体和速度均匀、直线运动的流体 中，流体的粘性表现不出来。 （2）在许多场合下，想求得粘性流体的精确解 是很困难的。可以先不计粘性的影响，使问题 的分析大为简化，从而有利于掌握流体流动的 基本规律。至于粘性的影响则可通过试验加以 修正。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 26 1.4 作用在流体上的力作用在流体上的力 1.4.1 表面力表面力 如法向力（压力），切向力（粘性力） 表面力的大小与其表面积的大小呈正比，是作用在 表面上的力。 1.4.2 体积力体积力（质量力） 如重力、惯性力、电磁力等 质量力的大小与其质量的大小呈正比，

17、它可以远距 离作用在流体内部的每一个质点上。故称远程力。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 27 1.4.3 流体的静压力及其特点流体的静压力及其特点 流体的静压力：静止流体垂直作用于单 位表面上的力。 物理学：压强 流体的静压来源于作用在流体上的力。 静压力的特点 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 28 1.4.3 流体的静压力及其特点流体的静压力及其特点 1、流体静压力的作用方向与 作用面垂直，并由外向内指 向作用面。 用反证法来证明 假定移去如图所示的一团流 体的上部后，作用力F 的方向不 垂直于作用面A，则F可分解为法 向力和切向力，而由于切向力的 存在这团流体就不会保持平

18、衡而 产生流动，所以，Fn必然是法向 力。 F Fn F 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 29 1.4.3 流体的静压力及其特点流体的静压力及其特点 2、流体中任意点上的静压力在各方向上均相 等而与方向无关。 依据静压的第二个特性：当需要测量流体中某一 点的压力时，可不必选择方向，只需在该点确定的位 置上进行测量即可。 3、绝对压力：以绝对真空作为零压而计算。 相对压力：超出大气压力的部分=P绝- P大气 真空度：负压的绝对值=|P绝- P大气| 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 30 1.4.4 表面张力表面张力 水滴悬挂在墙上或水龙头出口上，水银在平滑 表面上呈球形滚动等现象，这些现象表明液体 自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起 这种收缩趋势的力称为表面张力。 将单位长度上所受到的这种拉力定义为表面张 力，以表示，它的单位是N/m。 毛细现象：毛细现象：当把直径很小两端开口的细管插入 液体中时，表面张力的作用将使管内液体出现 升高或下降的现象，我们称之为毛细现象。这 种足以形成毛细现象的细管称为毛细管。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念 31 1.5 体系与控制体体系与控制体 体系（系统