传输原理教案 (第1章) 流体.ppt

1、1.第一篇文章动量传递(p3)是本文研究的内容：(1)流动物体在各种条件下的动量分布(即流速分布)；(2)动量传递定律；(3)速度随时间和空间的变化。流体中动量传递的起源：及其对传热和传质的影响：(1)流体不同部分的粒子或粒子群的流速不一致。(2)不一致的流速将不可避免地导致不均匀的动量分布。然后动量交换或转移发生。(3)这种动量传递将影响热量和质量的传递过程。本章(动量传递)包括以下章节：第1章流体及其流动(流体特性、粘度、层流、湍流等)。)第2章流体静力学(欧拉方程、压力测量等)。)第三章流体层流(动量通量、动量率、动量平衡方程、质量平衡方程等。)第4章流体的紊流(紊流)管道和平板表面的紊

2、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6章流体运输设备(泵和风扇等)。)、第1章动量传递、第1章流体及其流动(p4)、1.1流体特性(1)流体概念：能够流动它是一种粒子间接触很少的物体，粒子在空间中的相互位置容易改变(即变形或流动)。(2)流体包括：液体和气体；此外，气体有固相颗粒和液相颗粒；含有固体颗粒、液体颗粒和微气泡的液体(如悬浮液、乳液等)。)。(3)流体的力学性质(与固体相比):(1)它不能传递拉力，(2)它能承受压力，传递压力和剪切力，并在压力和剪切力下流动。(可持续流动)(c)当流体流动时，在具有不同流速的相邻颗粒之间发生位移，导致内部摩擦。静态流体没有

3、内耗。第一章动量传输第一章流体及其流动，4。(4)气液差异：微观：不同的分子间距和不同的自由运动路径；宏观：液体有一定的体积和自由表面，而气体填充容器没有自由表面。气体具有高压缩性。第一章是流体及其流动。自由运动路径是流体运动的微观现象尺度，指流体(液体、气体、等离子体、粒子)在与其他粒子碰撞之前的平均行程。动量、能量和质量的传递、耗散和传输本质上是分子运动的结果。气体分子之间的距离约为分子直径的10倍，气体分子在空间中自由运动，除了相互碰撞或与壁碰撞之外，没有任何外力。第1章动量传递第1章流体及其流动第1章流体及其流动第4页，1.1.1流体的连续介质模型简介(第4页)(1)流体的物理量本质上

4、是不连续的：流体和固体一样，也是由大量分子组成的，分子之间的间隙比分子本身的尺寸大得多。同时，由于每个分子都在不断地运动，从(2)可以假定流体的物理量是连续的：但在动量传递中，只研究流体的宏观运动，其特征尺度(米、厘米和毫米)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，而不是单个分子的值。在这种情况下，流体可以用连续介质模型近似处理。(3)连续介质模型：根据连续介质模型，物质在它所占据的整个空间中是连续分布的，物理参数(密度、速度、压力、粘度等)也是连续分布的。)的宏观运动是连续分布的，这是空间和时间的可微连续函数。因此，连续函数分析法可以用来研究流体的动量传递。第一部分

5、：动量传递。连续介质模型(摘要)，事实上，流体分子之间是有间隙的，而流体物理量是不连续的。流体连续性的基本假设是假设流体粒子之间没有间隙。也就是说，流体被认为是由占据一定空间的无限数量的流体胶束(颗粒)组成的致密且无间隙的连续介质。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。)，第1章流体及其流动，第1章：动量传递，第7章，第1章流体及其流动，1.1.2流体的可压缩性和热膨胀性(p4) 1。液体(1)流体的可压缩性：指流体被挤压时体积变小的特性。(2)流体热膨胀：指流体自身温度升高时，其体积增大的特性。(3)液体的可压缩性用“体积可压缩性”k表示：第1部分：动量传递

6、、DV3360减小体积(m3) V:液体原始体积(m3)；在dp:中，k的正值可以通过在液体压力增加值(Pa)之前加上一个负号来保证。或表示为：8，第1章流体及其流动，(4)液体的热膨胀用“温度膨胀系数”表示：它是温度升高1时液体体积的增加率。第一部分：动量传递、dT:温升。例如，9:液态水的体积压缩系数为0。不同压力下水的价值。如果压力在0.5兆帕时增加0.1兆帕，则体积减少仅约为0.5 。第1章：动量传递，第1章流体及其流动，10，例如：液态水的热膨胀系数，温度T=1020，压力P=0.1兆帕水当温度变化T1K，第1章：动量传递，第1章：流体及其流动，11。实际上，在工程中，水可以被认为是

7、不可压缩的。类似地，其他液体可以被认为是不可压缩的。工程中一般不考虑液体的热膨胀。在特殊情况下(如液体体积大、压力突然变化)，必须考虑液体的可压缩性。第一章：动量传递，第一章流体及其流动，12，(理想气体状态方程)1摩尔理想气体：p绝对压力(Pa)，v比容(m3/kg)，气体密度，=1/VR气体常数，空气R=287J/kgK，T热力学温度(K) RR/m气体常数推论a .当温度恒定时，得到玻意耳定律(T=常数)，b .当压力恒定时，得到盖卢斯萨克定律，第一部分：动量传递，第一章流体及其流动，1气体，13，由，P.5 (1-5)，P，T0，0，P，T1，1，恒压3360，第1章：动量传递，第1章

8、流体及其流动，a .恒压条件3360，14，工程标准配置P=1atm，T0=273K，然后气体温度膨胀系数：第一章：动量传递，第一章流体及其流动，15，绝热条件：绝热指数(空气，一般为1.4)，热力学第一定律：U=Q W绝热： Q=0，所以W=U，dU=n Cv，m dT，u n cv，m t w PV n cv，m t nrtv。R=CP，m cv，m cv，m dt (CP，m cv，m) TDV/v，第1章：动量传递，第1章流体及其流动，16，气体具有明显的可压缩性和热膨胀性。在工程中考虑气体的压缩性和热膨胀性时，往往根据过程的特点进行简化。(第6页)如果气体在管道中流动或固体在静止气体

9、中运动，只要它们之间的相对速度小于声速，气体密度变化很小，那么气体压缩可以忽略不计，气体密度可以视为常数。第1部分：动量传递，第1章流体及其流动，第17章，第1章流体及其流动1.1.3流体的粘度p7，牛顿粘性定律过程描述：两个无限平行板之间的距离很小，两个板之间有流体。下板静止不动，上板以速度Vx在x方向移动。由粘滞力引起的上下板之间的流体颗粒只在X方向运动。每个平行流体层的运动速度在y方向上具有速度梯度dVx/dy。流动层两侧的切向粘滞力(剪应力)可表示为：动态粘滞系数：流动层之间出现相对流速时的内摩擦特性。第一章：动量传递、18、各种物理量的关系构成了牛顿粘性定律(Newton，1686)

10、，它表明流动过程中流体层之间产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。这个定律不同于固体表面的摩擦定律。yx是剪应力，第一个脚标y表示剪应力的法线方向(速度梯度方向)，第二个脚标表示剪应力的方向(速度方向)。牛顿粘度定律概述：(1)流体阻力损失的根本原因：流动的流体具有抵抗内部正向流动的特性，这种特性称为粘度。由于粘度，流体中两个相邻流体层之间的内摩擦力是阻力损失的根本原因。(2)牛顿流体和非牛顿流体：剪切应力和速度梯度之间的关系完全符合牛顿粘度定律的流体称为牛顿流体，所有气体和大多数液体都属于这一类。所有不遵循牛顿粘度定律的流体统称为非牛顿流体。(3)温度和压力对粘度的影响：压力对流体粘

11、度的影响很小，通常可以忽略不计。气体：当温度t升高时，粘度增加，这是由气体分子的强化运动引起的。液体：当温度升高时，粘度降低，这是由于液体之间的分子间作用力减小。(4)牛顿粘性定律表明，流体在流动过程中产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。这个流体定律不同于固体表面的摩擦定律。第1章：动量传递，第1章流体及其流动1.1.3流体粘度，20。流体粘度的原因分析：(1)分子间的内聚力(吸引力)。(2)它是由流体分子在垂直流动方向上的热运动(动量交换)引起的。(3)液体的粘度主要是由于分子间的内聚力，液体的粘度随着温度的升高而降低。随着温度的升高，分子间的距离增加，分子间的吸引力降低。(4)气

12、态流体的粘度主要是“垂直流动方向的热运动”，气体的粘度随着温度的升高而增加。因为温度升高，分子热运动增加。第一章：动量传递，第一章流体及其流动1.1.3流体粘度，21，运动粘度系数：动力粘度系数除以密度，运动粘度系数的单位：=/Ns /m2(即Pas)是m2/s，而粘度(粘度系数)取决于流体的类型，是一个物理参数。对于给定的流体，粘度随温度和压力而变化。22，流体粘度与温度的关系：气体：液体：S苏塞克斯常数(k)，水：(泊肃叶公式)，温度(T)，23，流体粘度与压力的关系：p9，气体：压力对粘度影响不大，所以可以忽略。液体：当压力变化很小时(5兆帕)，对粘度的影响可以忽略不计。当压力变化较大时

13、：0，24，例如：气缸内壁直径D=12cm厘米，活塞直径d=11.96cm厘米，活塞长度L=14cm厘米，活塞往复速度1m/s，润滑油的动粘度系数=0.1帕斯卡，求出作用在活塞上的粘滞力。解决方案：A:活塞接触面积，N3360距离，D，D，L，25，理想流体：它是一种理想化的模型，不可压缩的流体没有摩擦和粘性，这就是所谓的理想流体。液体不容易被压缩，所以在不精确的研究中它可以被认为是理想的流体。在研究气体时，如果气体的密度没有明显的变化，它也可以被认为是理想的流体。理想流体没有粘度，流体的机械能不会在流动中转化为内能。第一章：动量传递，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

14、，26。牛顿流体：剪切应力(粘性力)和速度梯度之间的关系完全符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿流体。也就是说，所有遵循牛顿内耗定律的气体和大多数液体都属于这一类。非牛顿流体：任何不遵循牛顿粘度定律的流体统称为非牛顿流体。第一章：动量传递，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(水、大多数轻油、气体等)。)、牛顿流体特性曲线、28、(1)假塑性流体和扩容流体(见图的下部)、n 1、扩容(淀粉糊、含沙水流)、“非牛顿流体”特性曲线、29、“非牛顿流体”特性曲线、(2)塑性粘性流体在克服初始应力0后与速度梯度成正比(见图的上部)、n 1、屈服扩容流体

15、、塑性粘性流体包括牙膏、新鲜水泥砂浆、中等浓度悬浮液等。30，“非牛顿流体”的特征曲线，(3)触变流体的粘度随流动条件而变化。31，1。表面张力：由分子的内聚力引起，单位为n/m。它发生在液气接触、液固接触和不同液体接触的周界。2.毛细现象：液固接触时，液体与固体的粘附力大于液体的内聚力(上升)，液体与固体的粘附力小于液体的内聚力(下降)。第一章：动量传递，第一章：流体及其流动1.1.5液体的表面张力及其导数现象(p11)，32，第一章：流体及其流动，1.2流体流动p13 1.2.1流体流动模式的雷诺实验(雷诺，1882)，实验装置设计如下：第一部分：动量传递，33，第一章：流体及其流动，1.

16、2流体流动1.2.1流体流动模式的雷诺实验过程(层流、过渡带和湍流(湍流)的详细图)表明当过渡区水流速度增加时，红色液体振荡，流线弯曲。振荡随着流速的增加而增加。湍流(紊流)速度增加到一定程度，液体混合在一起。这表明水流非常紊乱。34，第1章流体及其流动，1.2流体流动1.2.1流体流动模式层流概念：当液体沿管道轴线流动时，流体或流体层不会相互混合，颗粒不会径向移动，而是保持其自身的流线运动。这种流动状态称为“层流运动”。紊流概念：如果管道中的流速稍微增加，或者有其他外部干扰和振动，有色液体将破裂并混合成无序状态。这种运动状态被称为“湍流运动”。流体颗粒流动时，层流和湍流的形成是由惯性力和粘滞力的比值决定的。粘性力层流。由于粘度的原因，管道中流动的流体自然分层流动，流体分层只是相对滑动，不会相互混合。大惯性力湍流。流体不再保持分层流动，流动显得无序和不稳定。第一部分：动量传递，第一章流体及其流动，1.2流体流动1.2.1流体流动模