化工原理8學(xué)時

1、1 第一章 流體流動1.4 流體流動的基本方程1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程1.4.2 總能量衡算方程2三、對伯努利方程的討論式1-38表明，理想流體在管路中作定態(tài)流動而又無外功加入時，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的總機(jī)械能相等，換言之，各種機(jī)械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，但其總量不變。 1.2211221222upupgzgz(1-38a) 能量轉(zhuǎn)換063三、對伯努利方程的討論2.有效功率：輸送機(jī)械在單位時間內(nèi)所作的有效功稱為有效功率，用下式計算 emePq W(1-39) 4三、對伯努利方程的討論3.伯努利方程的其他形式：將的各項(xiàng)均除以重力加速度g /,eeffHWgHhg 22efupzH

2、Hgg 2211221222efupupzHzHgggg令式1-38變?yōu)榛?1-40) (1-40a) 52211221222efupupzHzHgggg(1-40a) 位頭速度頭動壓頭壓力頭壓頭損失總壓頭外加壓頭三、對伯努利方程的討論64.若流動中既無外加壓頭又無壓頭損失，則任一截面上的總壓頭為常數(shù)22tupHzgg常數(shù)三、對伯努利方程的討論75. 如果流體靜止，2211221222efupupgzWgzh流體靜止僅是流體運(yùn)動的特例。1212ppgzgz三、對伯努利方程的討論8 第一章 流體流動1.4 流體流動的基本方程1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程1.4.2 總能量衡算方程1.4.3

3、機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用9在應(yīng)用機(jī)械能衡算方程與質(zhì)量衡算方程解題時，要注意下述幾個問題：1.衡算范圍的劃定2. 控制面的選取3. 基準(zhǔn)面的確定4. 單位一致性機(jī)械能衡算方程的應(yīng)用10 第一章 流體流動1.5 動量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動量傳遞本節(jié)目的：分析阻力產(chǎn)生的根源11層流分子動量傳遞()()xxdududydy 對于牛頓型不可壓縮流體的層流流動，牛頓定律可以寫成(1-43) 考察式1-43各項(xiàng)物理量的因次：123x3/ kg m sukg mm sm動量體積2222/Nkg m skg m smmms動量面積 時間 單位時間通過單位面積的動量，稱為動量通量(momentum flux)

4、 單位體積具有的動量，稱為動量濃度 層流分子動量傳遞1332 kg mmm s kgs()xdudy為動量濃度梯度 稱為動量擴(kuò)散系數(shù)（momentum diffusivity） 層流分子動量傳遞14用文字表述為：分子動量通量=動量擴(kuò)散系數(shù)動量濃度梯度 ()()xxdududydy(1-43) 據(jù)此可將式1-43層流分子動量傳遞15 第一章 流體流動1.5 動量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動量傳遞1.5.2 湍流特性與渦流傳遞16一、湍流的特點(diǎn)與表征1、質(zhì)點(diǎn)的脈動 2、湍流的流動阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流3、由于質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動與混合，使得在與流動垂直的方向上流體的速度分布較層流均勻。湍流的特點(diǎn)17圖1-1

5、4 圓管中流體的速度分布一、湍流的特點(diǎn)與表征181.時均量與脈動量圖1-15 湍流中的速度脈動一、湍流的特點(diǎn)與表征19xxxuuu除流速之外，湍流中的其它物理量，如溫度、壓力、密度等等也都是脈動的，亦可采用同樣的方法來表征。一、湍流的特點(diǎn)與表征從上圖可知,以x方向?yàn)槔}動速度(fluctuation velocity)瞬時速度(instantaneous velocity)時均速度(time mean velocity) 20 1011xxuu dxux方向的時均速度定義為：一、湍流的特點(diǎn)與表征212湍流強(qiáng)度222()/3xyzxuuuIu 湍流強(qiáng)度是表征湍流特性的一個重要參數(shù)，其值因湍流狀況

6、不同而異。例如，流體在圓管中流動時，I值范圍為0.010.1，而對于尾流、自由射流這樣的高湍動情況下，I值有時可高達(dá)0.4 。 湍流強(qiáng)度的定義：湍流強(qiáng)度的定義： 一、湍流的特點(diǎn)與表征22二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞湍流時的動量傳遞不再服從牛頓黏性定律。但仍可以牛頓黏性定律的形式表達(dá)()rxdudy(1-48) 渦流動量通量渦流動量擴(kuò)散系數(shù) X 時均濃度梯度 湍流應(yīng)力（雷諾應(yīng)力）23湍流流動中的總動量通量可表示為()()trxdudy（1-49） ：渦流運(yùn)動黏度(eddy viscosity)或渦流動量擴(kuò)散系數(shù)(eddy diffusivity)，m2/s。渦流運(yùn)動黏度不是流體物理性質(zhì)的函數(shù)，而是隨湍

7、流強(qiáng)度、位置等因素改變。 二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞24 第一章 流體流動1.5 動量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動量傳遞1.5.2 湍流特性與渦流傳遞1.5.3 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象25一、邊界層的形成與發(fā)展遠(yuǎn)離壁面的大部分區(qū)域壁面附近的一層很薄的流體層 實(shí)際流體與固體壁面間相對運(yùn)動 速度變化很小可視為理想流體必須考慮粘性力的影響，由于流體的粘性作用，存在速度梯度26圖1-17 平板壁面上的邊界層 一、邊界層的形成與發(fā)展27層流邊界層過渡區(qū)湍流邊界層 一、邊界層的形成與發(fā)展邊界層壁面附近速度梯度較大的流體層主流區(qū)邊界層之外，速度梯度接近于零的區(qū)域邊界層28湍流邊界層層流內(nèi)層或?qū)恿鞯讓?緩沖層

8、湍流主體或湍流核心 速度梯度大居中小 一、邊界層的形成與發(fā)展29一、邊界層的形成與發(fā)展由層流邊界層開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x。臨界距離cx0Rexxu依照雷諾數(shù)定義依照雷諾數(shù)定義臨界雷諾數(shù)臨界距離所對應(yīng)的0Reccxx u30對于光滑的平板壁面，臨界雷諾數(shù)的范圍為 562 10Re3 10cx 一、邊界層的形成與發(fā)展31管內(nèi)流動邊界層 圖1-18 圓管內(nèi)的流動邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展32 可將管內(nèi)的流動分為兩個區(qū)域：一是邊界層可將管內(nèi)的流動分為兩個區(qū)域：一是邊界層匯合以前的流動，稱之為匯合以前的流動，稱之為進(jìn)口段進(jìn)口段流動；另一是邊流動；另一是邊界層匯合以后的流動，稱之為界層匯合以后的流動

9、，稱之為充分發(fā)展了的流動充分發(fā)展了的流動。 對于層流，進(jìn)口段長度可采用下式計算 0.0575fLRed(1-53) 一、邊界層的形成與發(fā)展進(jìn)口段長度33二、邊界層分離與形體阻力 邊界層的一個重要特點(diǎn)是，在某些情況下，會出現(xiàn)邊界層與固體壁面相脫離的現(xiàn)象。 此時邊界層內(nèi)的流體會倒流并產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致流體的能量損失。此種現(xiàn)象稱為邊界層分離，它是黏性流體流動時能量損失的重要原因之一。 產(chǎn)生邊界層分離的必要條件是：流體具有黏性和流動過程中存在逆壓梯度。 34圖1-19 邊界層分離示意圖 二、邊界層分離與形體阻力分離點(diǎn)35 第一章 流體流動1.5 動量傳遞現(xiàn)象1.5.1 層流分子動量傳遞1.5.2 湍流特性與渦流傳遞1.5.3 邊界層與邊界層分離現(xiàn)象1.5.4 動量傳遞小結(jié)36動量傳遞小結(jié) 由于流體的粘性，當(dāng)流體運(yùn)動時內(nèi)部存在著剪切應(yīng)力。該剪切應(yīng)力是流體分子在流體層之間作隨機(jī)運(yùn)動從而進(jìn)行動量交換所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦的宏觀表現(xiàn)，分子的這種摩擦與碰撞將消耗流體的機(jī)械能。在湍流情況下，除了分子隨機(jī)運(yùn)動要消耗能量外，流體質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動與宏觀混合，還要產(chǎn)生比前者大得多的湍流應(yīng)力，消耗更多的流體的機(jī)械能。這二者便是摩擦阻力產(chǎn)生的主要根源。 37 另一方面，當(dāng)產(chǎn)生邊界層分離時，由于逆壓作用的結(jié)果，流體將發(fā)生倒流形成尾渦，在尾渦區(qū)，流體質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈碰撞與混合而消耗能量。這種由于局部產(chǎn)生