熱工基礎(chǔ)1.1,1.2

1、上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸1無(wú)機(jī)材料熱工基礎(chǔ)無(wú)機(jī)材料熱工基礎(chǔ) (1)動(dòng)量傳輸動(dòng)量傳輸 (2)熱量傳輸熱量傳輸 (3)質(zhì)量傳輸質(zhì)量傳輸 (4)燃料燃燒燃料燃燒上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸2熱工基礎(chǔ)內(nèi)容：熱工基礎(chǔ)內(nèi)容： 動(dòng)量傳輸：流體的物性、流場(chǎng)的描述方法、流體靜力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容。 熱量傳輸：熱量傳輸?shù)幕靖拍睿瑹崃總鬏斘⒎址匠?、穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱、傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱及綜合傳熱。綜合傳熱。 質(zhì)量傳輸：質(zhì)量傳輸基本概念、質(zhì)量傳輸微分方質(zhì)量傳輸微分方程、質(zhì)量傳輸基本定律、相間傳質(zhì)。程、質(zhì)量傳輸基本定律、相

2、間傳質(zhì)。 燃料燃燒：燃料種類與燃料的組成、燃燒計(jì)算、燃燒計(jì)算、空氣消耗系數(shù)。空氣消耗系數(shù)。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸3關(guān)系：關(guān)系： 動(dòng)量傳輸是運(yùn)動(dòng)流體體系中或邊界條件上動(dòng)量傳輸是運(yùn)動(dòng)流體體系中或邊界條件上熱量傳輸和質(zhì)量傳輸?shù)幕A(chǔ)。熱量傳輸和質(zhì)量傳輸?shù)幕A(chǔ)。熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ)上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸4教材、主要教學(xué)參考書(shū)及資料：教材、主要教學(xué)參考書(shū)及資料：硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)孫晉濤主編武漢理工大學(xué)出版社冶金爐熱工基礎(chǔ)劉人達(dá)主編冶金工業(yè)出版社冶金傳輸原理張先棹主編 冶金工業(yè)出版硅酸鹽工業(yè)熱工過(guò)程及設(shè)備姜金寧主編冶金工業(yè)出版社流體力學(xué)，工

3、程流體力學(xué)各版本學(xué)習(xí)本課程的要求學(xué)習(xí)本課程的要求1）課前預(yù)習(xí)、課上注意聽(tīng)講、并認(rèn)真做好筆記；2）課后一定要認(rèn)真復(fù)習(xí)，在理解問(wèn)題的基礎(chǔ)上獨(dú)立完成課后作業(yè)；3）有問(wèn)題及時(shí)提出，及時(shí)解決。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸5學(xué)生對(duì)課程要求：課堂提出或討論；班長(zhǎng)、學(xué)委、科代表提出意見(jiàn)；課后詢問(wèn)，答疑。聯(lián)系方式：教研室：材料學(xué)院A435，電話： 5929534辦公室：材料學(xué)院A223，電話： 5929574 上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸6熱工基礎(chǔ)熱工基礎(chǔ)1動(dòng)量傳輸（流體力學(xué)）動(dòng)量傳輸（流體力學(xué)）1.1 動(dòng)量傳輸（流體力學(xué)）的基本概念重點(diǎn)：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

4、，流體屬性，作用在流體上的力難點(diǎn)：作用在流體上的力上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸71.1.1 流體力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)流體力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)1.1.1.1流體力學(xué)簡(jiǎn)介流體力學(xué)簡(jiǎn)介p概念：流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它是研究流體運(yùn)動(dòng)和平衡的規(guī)律及流體與固體，流體與流體之間相互作用的一門(mén)學(xué)科。p內(nèi)容：流體力學(xué)包括：液體力學(xué)；氣體力學(xué)。(1) 液體力學(xué)液體力學(xué) 通常以水作為流體的代表，固稱為水力學(xué)。由于液體的體積不會(huì)隨著壓力的變化而改變，所以在研究液體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，通?？梢哉J(rèn)為流場(chǎng)上的各點(diǎn)密度保持不變，即：c（常數(shù)）。因?yàn)閷?duì)于一定質(zhì)量的液體來(lái)說(shuō)，它的體積不變，密度自然

5、也就是常數(shù)。這種等密度流動(dòng)是水力學(xué)的一個(gè)重要特點(diǎn)。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸8（2）氣體力學(xué)氣體力學(xué) 主要研究氣體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。由于氣體的體積會(huì)隨著壓力的變化而改變。壓力增大，體積會(huì)縮小；壓力減小，體積會(huì)變大。所以在研究氣體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，可以認(rèn)為密度在流場(chǎng)中是變化的，即：c（常數(shù)）。這種變密度流動(dòng)是氣體力學(xué)的特點(diǎn)。 特別注意的是：對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)的氣體，我們通常認(rèn)為是等密度的，即：c。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸9(3) 工程流體力學(xué)： 是以理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，來(lái)研究流體處于平衡，運(yùn)動(dòng)和流體與固體之間相互作用的力學(xué)規(guī)律，以及這

6、些規(guī)律在過(guò)程技術(shù)中的應(yīng)用。 單位制： 主要采用國(guó)際單位制，但是有時(shí)也會(huì)使用工程單位制，所以我們?cè)谧鲱}時(shí)一定要注意國(guó)際單位制與工程單位制的換算。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸10上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸111.1.1.2 連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型p 流體研究的方法： （1）宏觀方法； （2）微觀方法。p 連續(xù)介質(zhì)模型的提出：連續(xù)介質(zhì)模型的提出： 1753年，歐拉提出，將流體看成是由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的稠密而無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。這些質(zhì)點(diǎn)能反映宏觀流體的各種物理量（密度、體積、壓強(qiáng)、溫度、濃度等）。因此這些物理量可以看作是時(shí)間和空間上的連續(xù)函數(shù)，

7、從而可以利用連續(xù)函數(shù)這個(gè)數(shù)學(xué)工具來(lái)解決傳輸理論的知識(shí)。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸12質(zhì)點(diǎn)：大量分子的集合，無(wú)幾何尺寸，具有均勻的物理性質(zhì)。即從宏觀看其非常的小（無(wú)限?。?，從微觀看其充分的大，可以忽略個(gè)別分子的影響。 例如：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1立方毫米氣體中有2.71016個(gè)分子，1立方毫米水中有31021個(gè)分子。 但是，在髙真空的容器中，溫度293K，壓力103毫米水銀柱時(shí)，氣體分子間距約4.5毫米，這時(shí)的稀薄氣體就不能按連續(xù)介質(zhì)看待了。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸131.1.2 流體的屬性流體的屬性1.1.2.1 流體的密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)

8、流體具有的質(zhì)量。以 表示，單位： ；對(duì)于均勻流體： 對(duì)于非均勻流體： 點(diǎn)的密度： 式中： 流體的質(zhì)量， ： 流體的體積， ； 平均密度， ； 對(duì)于多組分的流體，如果沒(méi)有體積效應(yīng)，則多組份流體的密度為： ；（ ）式中： 為組分i 的密度，kg/m3； 為組分 i流體在混合流體中的體積份數(shù)；比重：流體在某一溫度下的比重為液體在該溫度下的密度與4的純水密度的比值；3/mkgVmVmmkgV3m3/mkg1niiixni 3 , 2 , 1iiix水，4iiddVdmVmVlim0上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸141.1.2.2 流體的重度（1）定義：流體的重度：?jiǎn)挝惑w積流

9、體的重量； 以 表示，單位 。點(diǎn)重度式中： 重力加速度，9.81； 流體的重力；N。（2）流體密度與重度的關(guān)系：GmgVV3/N mgG2/ smggVmVGdVdGVGVlim0平均重度上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸151.1.2.3 流體的流動(dòng)性p定義：流體在微小的剪切應(yīng)力作用下，發(fā)生連續(xù)不斷變形的特性稱為流體的流動(dòng)性。 從力學(xué)分析的角度來(lái)看，流體與固體的主要差別在于他們對(duì)于外力的抵抗能力不同。固體能抵抗一定大小的拉力、壓力和剪切力。當(dāng)外力作用在固體上時(shí)，固體將產(chǎn)生一定程度的相應(yīng)變形，只要作用的外力保持不變，固體的變形也就不會(huì)變化。而流體則不然，流體不能承受拉力

10、，而且任何微小剪切力的作用都將使流體產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形，只要這種作用力繼續(xù)存在，流體就將繼續(xù)變形，這就是流體的流動(dòng)。只有當(dāng)外力停止作用時(shí)，流體的變形才會(huì)停止。 流體的流動(dòng)性使得流體便于遠(yuǎn)距離的管道輸送和利用容器儲(chǔ)存。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸161.1.2.4 流體的壓縮性和膨脹性(1) 流體的壓縮性與熱脹性定義：流體的壓縮性：指流體受到壓力作用時(shí)，其體積發(fā)生收縮的現(xiàn)象； 通常壓縮系數(shù) 表示。 Tp1pdVV dp 流體的熱脹性：指流體溫度升高時(shí)，其體積發(fā)生膨脹的現(xiàn)象； 通常膨脹系數(shù) 表示。1TdVV dT上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳

11、輸17(2) 氣體的的壓縮性和熱膨脹性1）理想氣體 指氣體分子沒(méi)有體積，分子間沒(méi)有相互作用力。2）理想氣體狀態(tài)方程式中： M氣體的分子量，kg/kmol； R熱力學(xué)常數(shù)，8314 J/(kmolK) ；其中：對(duì)于空氣 R/M 287 J/(kgK ) ； 對(duì)1mol氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，即pp0l0l325Pa，T=T0=273.15K時(shí)，任何氣體的體積都是V022.4m3/kmol。mpVnRTRTM上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸18l 等溫過(guò)程 或 ；對(duì)于空氣：標(biāo)態(tài) ；有 ；l 等壓過(guò)程 或 ；對(duì)于空氣有： ； 由此可以看出：氣體的體積隨壓力和溫度有明顯的變化。氣

12、體是易于被壓縮的流體；一般稱氣體為可壓縮流體。特別是在流速較高、壓強(qiáng)變化較大的場(chǎng)合，體積變化是不容忽視的。必須把其密度作為變化的量，但在流動(dòng)過(guò)程中流速不高、壓強(qiáng)變化較小的場(chǎng)合，卻可忽略壓縮性的影響，而把氣體當(dāng)作不可壓縮流體處理。l 綜合方程式對(duì)于一定質(zhì)量的流體有：；1212pp1122p Vp V293. 103/mkg00pp2211TT2211TVTV00TT1 12221211221pVp VppTTTT 或 上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸191.1.2.5 流體的粘性 (1)定義：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)（流體層）沿接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗剪切變形的

13、性質(zhì)就是流體的粘性。 (2)牛頓內(nèi)粘性試驗(yàn)牛頓在1686年最早針對(duì)最簡(jiǎn)單的剪切運(yùn)動(dòng)做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，并且建立了切向壓力與剪切變形速度之間的關(guān)系。假定垂直距離為h的兩平行板間有一種流體，如圖所示。上板不動(dòng)，下板在t0時(shí)，以速度u開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。t=0，下板開(kāi)始運(yùn)動(dòng)t小時(shí)，不穩(wěn)定流中的速度分布t大時(shí)，穩(wěn)定流中最終速度分xyuuuh上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸20 試驗(yàn)表明，貼近平板的流體，其速度與平板本身的運(yùn)動(dòng)速度相同。因此，貼近下板的流體以速度u流動(dòng)，而上板附近的流體速度為零。隨著時(shí)間的推移，流體獲得動(dòng)量，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其速度是由上板處的零均勻的變化到

14、下板處的速度u。這就是說(shuō)，平板之間的各流層都將會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而必定產(chǎn)生切向阻力。若要維持這種運(yùn)動(dòng)，必須在下板上施加一個(gè)作用力。 在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上得出：運(yùn)動(dòng)流體中的摩擦阻力 1）與流體種類有關(guān)；2）與流體層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 速度梯度成正比；3）與摩擦力的作用面面積大小成正比；4）與作用面上流體的壓力無(wú)關(guān)。 上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸21在穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)于面積為A的平板和層流，有如下關(guān)系式：式中：剪應(yīng)力，；速度梯度, ；比例系數(shù)，稱為粘度系數(shù)，；剪切力，；面積， 。 duAdyPadudyAPa s N2m著名的牛頓粘性定律。由上式可見(jiàn)，流場(chǎng)中速度分布不均勻時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)

15、量傳遞，動(dòng)量傳遞的方向是速度梯度的負(fù)方向，即動(dòng)量從高速區(qū)傳向低速區(qū)。速度梯度可以看作是動(dòng)量傳遞的“推動(dòng)力”。 1/s上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸22(3)粘度產(chǎn)生的機(jī)理 1) 流體分子間的內(nèi)聚力（引力）； 2) 流體分子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)（動(dòng)量交換）。(4)影響粘度的因素p 1) 壓力的影響 壓力對(duì)于液體的粘度有少許影響，一般可以忽略，但在液壓傳動(dòng)時(shí)（200大氣壓），其影響就不能忽略。 壓力對(duì)入氣體的粘度影響也很小，一般認(rèn)為氣體粘性與壓力無(wú)關(guān)。p 2) 溫度的影響 對(duì)于液體，當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度下降。 對(duì)于氣體，當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度增加。 上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科

16、學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸23 （6）粘度的測(cè)定 1）粘度與溫度的關(guān)系320273273tCTTC式中 t- - 實(shí)際溫度下流體的粘度，Pas； 0 - 0時(shí)流體的粘度， Pas； T - 熱力學(xué)溫度，K； C - 實(shí)驗(yàn)常數(shù)。2）實(shí)驗(yàn)測(cè)定（5） 運(yùn)動(dòng)粘度u流體的粘度系數(shù)與密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)粘度。sm2上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸24 (8)牛頓流體與非牛頓流體圖穩(wěn)定流流體的剪應(yīng)力應(yīng)變率關(guān)系曲線u凡服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。理想流體彈性體脹流型流體牛頓流體擬塑性流體賓厄姆流體dudy (7)理想流體u 將粘度假設(shè)為零的流體，稱為理想流體。上 頁(yè)下 頁(yè)

17、退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸25例題 設(shè)有粘性系數(shù)0.05Pa.s的流體，沿壁面流動(dòng)，速度分布為拋物線，在y60mm，uxmax=1.08m/s，如圖所示。求y=20mm、40mm、60mm處的切應(yīng)力。uxy0uxyuxmsxA上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸26解：根據(jù)已知邊界條件，即 y=0處 ux=0 y=60 mm 處 umax=1.08 m/s 由此得出拋物線方程為 ux=1.08-300(0.06-y)2 dux/dy=600(0.06-y) dux/dy0.05600(0.06-y) 將y=0, 0.02, 0.04, 0.06分別代入

18、以上三式中，可得 y(m) 0 0.02 0.04 0.06 ux (m/s) 0 0.6 0.96 1.08 dux/dy（1/s） 36 21 12 0 (Pa) 1.8 1.2 0.6 0上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸271.1.3 體系及控制容積體系及控制容積體系：就是一些具有特性固定不變的物質(zhì)的集合。 用分析方法來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)，是以三個(gè)基本定律即質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒為基礎(chǔ)的。這三個(gè)定律都是對(duì)于某一體系而言的。所給出的是體系和它周?chē)h(huán)境之間的相互作用，應(yīng)用這些定律時(shí)都必須嚴(yán)格按照選擇的體系進(jìn)行分析?？刂迫莘e：就是流體在空間中通過(guò)其流動(dòng)的一個(gè)區(qū)域。 控制容積

19、可以是有限的，也可以是微元的。 在流體流動(dòng)過(guò)程中，流體隨時(shí)都在變化，因此不同的時(shí)間占據(jù)的體系是不一樣的。用控制容積分析比較方便，包括微分方程式的建立。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸281.1.4 作用在流體上的力作用在流體上的力1.1.4.1 作用在流體上的力在流場(chǎng)中任取一空間體積，以A表示此體積的邊界面，以V表示其體積，如圖所示。作用在此體積上的外力不外乎有兩類，周?chē)黧w對(duì)邊界面作用的接觸力以及質(zhì)量力場(chǎng)對(duì)此體積中的流體質(zhì)量所作用的力，前者稱作表面力或面積力，后者稱作質(zhì)量力或體積力。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸29(1) 質(zhì)量力：作用在

20、流體的中心，與質(zhì)量成正比。質(zhì)量力作用在流體的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，其大小與流體的質(zhì)量成正比。對(duì)于均質(zhì)流體，質(zhì)量力的大小與受作用的流體的體積成正比，所以又稱為體積力。工程上常遇到的質(zhì)量力是重力和慣性力，其中，慣性力又分為直線慣性力和離心慣性力。對(duì)于某些冶金過(guò)程，當(dāng)熔融金屬和離子導(dǎo)電的熔渣在強(qiáng)大磁場(chǎng)作用下流動(dòng)時(shí)，電磁力也是一個(gè)附加的質(zhì)量力。1）重力：流體受地心引力的作用： ；2）直線慣心力：流體在盛裝的容器中作加速度為的運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受到的直線慣心力：；3）離心慣性力：流體在盛裝的容器中繞中心軸Z作等角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體受到離心慣心力為：那么，流體所受的總的質(zhì)量力為：在直角坐標(biāo)系中：GmgIma2Rmw r2(

21、)wm gaw r()wm XiYjZk上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸30若以X，Y，Z分別表示合成加速度在x，y，z軸上的分量，則 X，Y，Z分別為單位質(zhì)量力f在各坐標(biāo)軸上的分量。 則作用在V體積上的質(zhì)量力為 Ff V 于是整個(gè)體積的質(zhì)量力為 或 通常情況下：f 為 x，y，z，t 的已知函數(shù)。即 f f（x，y，z，t）xxwXamVFfVVdVfFyywYamzzwZam上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸31(2）表面力：作用在流體表面上的力，并與表面積成正比。表面力可分解為法向力（壓應(yīng)力）和切向力（粘性力）兩種。1）法向力（壓應(yīng)力，靜

22、壓力）：2）剪切力：dAAplimAPpA limAA n（3）表面張力上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸321.1.4.2 微元六面體受力分析 下圖為正方體的流體微團(tuán)。圖中表示出了作用在流體微團(tuán)上的9個(gè)應(yīng)力分量。其中雙下標(biāo)的含義是：第一個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力作用面的法線方向，第二個(gè)坐標(biāo)表示應(yīng)力的方向。其中：xx，yy，zz表示法應(yīng)力，而xy，xz，yx，yz，zx，zy表示切應(yīng)力。并且有：xyyx，yzzy，zxxz；上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸33作業(yè) 1、儲(chǔ)氣管內(nèi)有100m3的煤氣，溫度為293K，壓強(qiáng)為106400Pa，現(xiàn)將它壓縮裝罐，裝罐

23、的壓力為1013250Pa，溫度為313K，若每罐的容積為0.1m3，問(wèn)可以裝幾罐？ 2、氧氣瓶的容積為20升，原有絕對(duì)壓力為100工程大氣壓，溫度為15。在放出部分氧氣后，壓力下降為76工程大氣壓，溫度降為10 ，問(wèn)放出的氧氣重量為多少？上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸341.2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)研究的是流體在外力作用下的平衡規(guī)律以及在工程中的應(yīng)用。1.2.1 流體靜壓強(qiáng)流體靜壓強(qiáng)（1）定義：處在流體中的任何一點(diǎn)都受到其它流體對(duì)它的作用力，這個(gè)作用力就是流體的靜壓力，又稱流體的靜壓靜壓強(qiáng)。強(qiáng)。假設(shè)某流體在外力的作用下處于平衡狀態(tài)，如圖所示。某一平面AB將它分割為

24、，兩部分，這兩部分互相接觸的流體在接觸面AB上有相互作用的力，如果取下部分為分離體，則必須在AB面上加上上部流體對(duì)其的作用力才能保持平衡。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸35若要研究作用在小面積 上的壓強(qiáng)，作用在 上的壓力假設(shè)為 ，則作用在小面積 上的平均流體靜壓強(qiáng)為 。當(dāng)面積無(wú)限縮小到m點(diǎn)時(shí)，這個(gè)比例極限就代表m點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)，以P表示這個(gè)極限，則有：P稱為m點(diǎn)處的流體靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱為壓強(qiáng)。國(guó)際單位：Pa，1Pa1N/m2。ApApAA0limApdpPAdA上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸36（2）流體靜壓力（強(qiáng)）的兩個(gè)特性u(píng) 1）平衡流體

25、中的靜壓力必須指向作用面的內(nèi)法線方向平衡流體中的靜壓力必須指向作用面的內(nèi)法線方向。u 2）平衡流體中某一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)的數(shù)值與作用面的空間方位無(wú)關(guān)，即平衡流平衡流體中某一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)的數(shù)值與作用面的空間方位無(wú)關(guān)，即平衡流體中某一點(diǎn)向各個(gè)方向的靜壓力（靜壓強(qiáng)）均相等。體中某一點(diǎn)向各個(gè)方向的靜壓力（靜壓強(qiáng)）均相等。證明：證明：在相對(duì)靜止的流體中A處取一微四面體，其中三條棱長(zhǎng)為dx，dy，dz；四個(gè)面的面積為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，F(xiàn)n；將此微四面體與周?chē)牧黧w隔離，分別用垂直于這些面上的壓力Px，Py，Pz，Pn代替周?chē)黧w的壓力作用。dyABCYdzZXdxpxpypz上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)

26、院第一部分 動(dòng)量傳輸37則：PxpxFx；PypyFy；PzpzFz；PnpnFn；式中：px，py，pz，pn分別為微元四面體四個(gè)表面的平均流體靜壓強(qiáng) ；此微元四面體除受到上述表面力作用之外，還受到質(zhì)量力的作用，但是當(dāng)微元四面體的尺寸無(wú)限小時(shí)，質(zhì)量力很小，可以忽略不記。由于微元四面體的流體處于平衡狀態(tài)，根據(jù)平衡條件有：式中的cos(n,x)，cos(n,y)，cos(n,z)分別為微元四面體斜面Fn的發(fā)線與x，y，z軸的方向余弦。cos( , )cos( , )cos( , )xnynznPPn xPPn yPPn zcos( , )cos( , )cos( , )xxnnyynnzznnp

27、 Fp Fn xp Fp Fn yp Fp Fn zcos( , )cos( , )cos( , )FxFnn xFyFnn yFzFnn z上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸38n結(jié)論：在相對(duì)靜止的流體中，沿任一方向作用于某一固定的靜壓強(qiáng)均有相同的數(shù)值。雖然某一點(diǎn)上流體的靜壓強(qiáng)的大小與其作用的方向無(wú)關(guān)，但是在不同點(diǎn)上流體靜壓強(qiáng)的大小可以不等，所以流體靜壓強(qiáng)是空間坐標(biāo)的單值函數(shù)。即： p f (x,y,z)xyznpppp有上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸391.2.2 流體靜力學(xué)平衡微分方程及等壓面流體靜力學(xué)平衡微分方程及等壓面1.2.2.1

28、 平衡微分方程在平衡流體中選取的微元六面體，中心點(diǎn)A的壓強(qiáng)為p，流體的密度為。由于流體處于平衡狀態(tài)，所以流體的合外力或在 x 軸方向上進(jìn)行受力分析：經(jīng)六面體中心點(diǎn)A作垂直于yoz平面的直線與六面體的兩個(gè)面abcd與efgh相交于m，n兩點(diǎn)。 (1) 表面力：m點(diǎn)的表面力：n點(diǎn)的表面力：則 X 方向的表面力 ： = - =,dx dy dz0F 0 xyzFFF()2mpdxFpdydzx()2npdxFpdydzxxmnFFFxmnFFFfhmyxabcdegAzn()2p dxpdydzx()2p dxpdydzxpdxdydzx上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸40

29、(2) 質(zhì)量力：X表示單位質(zhì)量力在x軸上的投影，則作用在微元六面體上的質(zhì)量力在x軸方向的分力為：(3) x方向的合外力： + 0則有： 或 同理可得y、z軸方向的合外力為：X dxdydzpdxdydzxXdxdydz0pXx10pXx10pYy10pZz上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸41上式稱為流體靜力學(xué)的平衡微分方程。物理意義：當(dāng)流體處于平衡狀態(tài)時(shí)，作用在流體上的質(zhì)量力與壓力相平衡，它們沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向的投影之和分別為零。1pXx1pYy1pZz,dx dy dz1()pppXdxYdyZdzdxdydzxyz將上面的三式分別乘以，并相加得：1XdxYdyZdz

30、dp上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸42( , , )U x y zUUUXYZxyz；1dUdpdUdp假設(shè)存在這樣一個(gè)函數(shù)，滿足：那么： 或( , , )U x y z此時(shí)，稱為勢(shì)函數(shù)；有勢(shì)函數(shù)存在的力場(chǎng)稱為有勢(shì)力場(chǎng)，簡(jiǎn)稱為有勢(shì)場(chǎng)。具有勢(shì)函數(shù)的質(zhì)量力稱為有勢(shì)的力。n 結(jié)論：流體只有在有勢(shì)的質(zhì)量力作用下才能保持平衡。有勢(shì)的力一般包括：重力，直線慣性力，離心慣性力。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸431.2.2.2 等壓面 （1）等壓面的定義：）等壓面的定義：平衡流體中由壓強(qiáng)相等的點(diǎn)組成的平面或曲面稱為等壓面。 （2）等壓面微分方程）等壓面微

31、分方程1()0pppXdxYdyZdzdxdydzxyz()XdxYdyZdzdp()0XdxYdyZdz00XdxYdyZdz由即在等壓面上，pc；因而 dp0；所以 又因?yàn)?，則只有： 上式即為等壓面的微分方程。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸44（3）等壓面的重要性質(zhì)）等壓面的重要性質(zhì)作用在平衡流體中任一點(diǎn)的質(zhì)量力必然垂直于通過(guò)該點(diǎn)的等壓面。證明：假設(shè)在點(diǎn)A(x，y，z)處的流體質(zhì)點(diǎn)，沿等壓面移至點(diǎn)A(x+dx，y+dy，z+dz)處，則流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)質(zhì)量力所做的功為：XdxYdyZdzdUXdx+Ydy+Zdz=0dU =0則由等壓面微分方程：這說(shuō)明當(dāng)流體微團(tuán)沿

32、等壓面移動(dòng)時(shí)，質(zhì)量力所作的功等于零，由于質(zhì)量力及其在等壓面上移動(dòng)的距離都不為零，而它們的乘積（功）等于零，說(shuō)明力垂直于距離，即質(zhì)量力垂直于等壓面。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸45（4）等壓面的）等壓面的應(yīng)用應(yīng)用 1）它是液柱式壓力計(jì)測(cè)壓原理的重要基礎(chǔ)。 2）根據(jù)等壓面的性質(zhì)，可以在已知質(zhì)量力方向的情況下確定等壓面的形狀，或已知等壓面的形狀去確定質(zhì)量力的方向。例如：當(dāng)流體的質(zhì)量力僅為重力時(shí)，其單位質(zhì)量力的分量為：00XYZg ，0XdxYdyZdz0gdz由于：有：即：z=cu 這表明在重力的作用下靜止液體的等壓面是水平面。因此，水平面是等壓面。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目

33、錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸461.2.3 流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 流體靜壓強(qiáng)平衡微分方程是一普遍規(guī)律，它在任何質(zhì)量力的作用下都是適用的。 工程上最常見(jiàn)的情況是質(zhì)量力只有重力時(shí)的情況，流體靜力學(xué)基本方程研究的是質(zhì)量力只有重力時(shí)靜止流流體靜力學(xué)基本方程研究的是質(zhì)量力只有重力時(shí)靜止流體中壓強(qiáng)的分布規(guī)律。體中壓強(qiáng)的分布規(guī)律。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸471.2.3.1 單流體靜力學(xué)方程1XdxYdyZdzdp00XYZg ，Zdzdpgdzdp1gzpC2pgzC3pzC1122pgzpgz12pp，Pa12gzgz，Pa只有重力作用： 或或那

34、么，對(duì)于不同的兩點(diǎn)1和2則有：式中：為單位體積流體所具有的靜壓能， ；為單位體積流體所具有的位壓能， 。12p012p1p2h()XdxYdyZdzdp 由流體平衡微分方程0z2即z1z0得則上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸48由只有重力作用均質(zhì)靜止流體的靜力學(xué)基本方程可得如下結(jié)論和推論：u（1）流體任何一點(diǎn)靜壓強(qiáng)是由那點(diǎn)以上某點(diǎn)的靜壓強(qiáng)和兩點(diǎn)流體任何一點(diǎn)靜壓強(qiáng)是由那點(diǎn)以上某點(diǎn)的靜壓強(qiáng)和兩點(diǎn)所在水平面的垂直距離與流體重度的乘積兩部分組成。所在水平面的垂直距離與流體重度的乘積兩部分組成。u（2）流體內(nèi)部的靜壓強(qiáng)隨深度呈線性增加，線變化率為）流體內(nèi)部的靜壓強(qiáng)隨深度呈線性增

35、加，線變化率為。推論推論:靜壓強(qiáng)的大小與盛裝流體容器的形狀無(wú)關(guān)。靜壓強(qiáng)的大小與盛裝流體容器的形狀無(wú)關(guān)。u（3）流體中深度相同的各點(diǎn)流體靜壓強(qiáng)相等且為等壓面。）流體中深度相同的各點(diǎn)流體靜壓強(qiáng)相等且為等壓面。推論：等壓面必是水平面。推論：等壓面必是水平面。212112p - p =g(z - z )= hpph或?qū)⒎匠炭梢詫?xiě)成1.2.3.2 單流體靜力學(xué)基本方程的結(jié)論和推論上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸49u（4）當(dāng)自由液面上的壓強(qiáng)增加或減少時(shí)，流體內(nèi)部各點(diǎn)的壓強(qiáng)也相應(yīng)的增加或減少。由此可見(jiàn)：（推論）（推論）靜止不可壓縮流體內(nèi)部任一邊界面上壓強(qiáng)靜止不可壓縮流體內(nèi)部任一邊

36、界面上壓強(qiáng)的變化將等值的傳到其它各點(diǎn)（只要靜止不被破壞），這就是水靜壓的變化將等值的傳到其它各點(diǎn)（只要靜止不被破壞），這就是水靜壓強(qiáng)等值傳遞的帕斯卡定律。強(qiáng)等值傳遞的帕斯卡定律。u（5）由可見(jiàn)：流體中某點(diǎn)的靜壓強(qiáng)，當(dāng)其位置確定后，它將是一個(gè)定值，它與坐標(biāo)（基準(zhǔn)面）的選取無(wú)關(guān)，而對(duì)于表示流體位能大小的z則隨基準(zhǔn)面選取的不同而變化，在基準(zhǔn)面上（z=0處），位壓等于零，靜壓等于常數(shù)C。000000()pphpppphphppp =pzC上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸501.2.4大氣壓強(qiáng)、絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)、絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)(表壓強(qiáng)表壓強(qiáng))及真空度及真空度1.2

37、.4.1定義(1) 大氣壓強(qiáng)：自由空氣具有的壓強(qiáng)；(2) 絕對(duì)壓強(qiáng) (絕壓)：以絕對(duì)真空為零點(diǎn)而計(jì)量的壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓強(qiáng)。(3) 相對(duì)壓強(qiáng)：以大氣壓為零點(diǎn)而計(jì)量的壓強(qiáng)。 表壓強(qiáng)：用壓力表測(cè)得的相對(duì)于設(shè)備外同高度環(huán)境大氣為基準(zhǔn)測(cè)得的壓強(qiáng)。(4) 真空度：當(dāng)設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)低于大氣壓時(shí)，將低于大氣壓的部分稱為真空度。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸511.2.4.2 大氣壓強(qiáng)、絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)(表壓強(qiáng))及真空度之間的關(guān)系(1)(2)(3)(4) ppp絕大相ppp相絕大-pppp 真大絕相pppp表絕大相0p相 時(shí)，正壓0p相 時(shí)，零壓0p相 時(shí)，負(fù)壓當(dāng)n零壓面：零壓面：相對(duì)

38、壓強(qiáng)為零的壓強(qiáng)面相對(duì)壓強(qiáng)為零的壓強(qiáng)面。p相p真p絕BP大P絕對(duì)真空ABp絕A上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸521.2.4.3 壓強(qiáng)的度量壓強(qiáng)的度量(通常有三種單位)(1)應(yīng)力單位：用單位面積承受的力表示：(2) 大氣壓?jiǎn)挝唬汗こ躺铣Ｓ么髿鈮罕硎荆?3)液體高度單位：即以水柱高度或水銀柱的高度表示：2211/1/9.81PaNmkgfmPa，工程單位制242176010132511/10/98100mmHgPakgfcmkgfmPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓工程大氣壓22221100019.811/13.6 9.81mH OmmH OmmH OPakgfmmmHgPa1上 頁(yè)下 頁(yè)退

39、 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸531.2.4.4 壓強(qiáng)的測(cè)量壓強(qiáng)的測(cè)量液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)(1)單管測(cè)壓計(jì)(2) u型管測(cè)壓計(jì)由于B點(diǎn)與C點(diǎn)在同一等壓面上，所以：0APPhPh表1 1BAPPh022CPPhBCPP0221 1APPhh0221 12112APPhhhh（ ）112h上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸541.2.5 雙流體靜力學(xué)基本方程雙流體靜力學(xué)基本方程 研究的對(duì)象是：對(duì)于敞開(kāi)熱工設(shè)備內(nèi)外存在兩種不同溫度的氣體，工程上使用相對(duì)壓強(qiáng)更為方便。因?yàn)闊峁ぴO(shè)備內(nèi)部充滿溫度較高的熱氣體，周?chē)鸀槔淇諝?，兩者互相連通，冷空氣對(duì)熱氣體產(chǎn)生浮升力，此

40、時(shí)必須考慮設(shè)備內(nèi)外氣體的相對(duì)靜壓強(qiáng)分布。上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸55如圖所示，一開(kāi)口倒置的容器，取任意兩個(gè)平面1-1和2-2，基準(zhǔn)面為0-0面，分別列出容器內(nèi)部熱空氣和外部環(huán)境空氣在兩截面的單流體基本方程：1122hhpgzpgz1122aaaapgzpgz111222()()()()ahaahappgzppgz(1)由(1)(2)得： (3)121002z2z1ha1.2.5.1 雙流體靜力學(xué)基本方程導(dǎo)出(2)上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)與工程學(xué)院第一部分 動(dòng)量傳輸56 (4)式為兩氣體靜力學(xué)基本方程式。式中：表示i截面內(nèi)單位體積氣體所具有的相對(duì)靜壓能；即i截面內(nèi)外單位體積氣體所具有的靜壓強(qiáng)之差，也稱窯爐i截面上氣體的靜壓頭。表示i截面內(nèi)外單位體積氣體所具有的位能之差，也稱為相對(duì)位能或幾何壓頭或位壓頭。ha()0ha111222()()()()aahaahppgzppgz2211gsgshhhhChhgs由于熱空氣的密度比冷空氣的密度小，即所以：為了計(jì)算方便，現(xiàn)將基準(zhǔn)面選在上方，z軸的方向向下為正；則有：或?qū)懗桑杭矗?)giiahhgzsihiaihpp(4)上 頁(yè)下 頁(yè)退 出目錄材料科學(xué)