化工原理上冊(cè)天津大學(xué)柴誠(chéng)敬07－08學(xué)時(shí)課件

第一章流體流動(dòng)1.4流體流動(dòng)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 1三、對(duì)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(dòng)而又無(wú)外功加入時(shí)，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.(1-38a)能量轉(zhuǎn)換062三、對(duì)伯努利方程的討論 2.有效功率：輸送機(jī)械在單位時(shí)間內(nèi)所作的有效功稱為有效功率，用下式計(jì)算

(1-39)3(1-40a)位頭速度頭動(dòng)壓頭壓力頭壓頭損失總壓頭外加壓頭三、對(duì)伯努利方程的討論 54.若流動(dòng)中既無(wú)外加壓頭又無(wú)壓頭損失，則任一截面上的總壓頭為常數(shù)三、對(duì)伯努利方程的討論 65.如果流體靜止，流體靜止僅是流體運(yùn)動(dòng)的特例。三、對(duì)伯努利方程的討論 7在應(yīng)用機(jī)械能衡算方程與質(zhì)量衡算方程解題時(shí)，要注意下述幾個(gè)問(wèn)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9

第一章流體流動(dòng)1.5動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1層流—分子動(dòng)量傳遞本節(jié)目的：分析阻力產(chǎn)生的根源10層流—分子動(dòng)量傳遞

對(duì)于牛頓型不可壓縮流體的層流流動(dòng)，牛頓定律可以寫(xiě)成(1-43)考察式1-43各項(xiàng)物理量的因次：11為動(dòng)量濃度梯度稱為動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)（momentumdiffusivity）

層流—分子動(dòng)量傳遞13用文字表述為：分子動(dòng)量通量=動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)×動(dòng)量濃度梯度(1-43)據(jù)此可將式1-43層流—分子動(dòng)量傳遞14

第一章流體流動(dòng)1.5動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1層流—分子動(dòng)量傳遞1.5.2湍流特性與渦流傳遞15圖1-14圓管中流體的速度分布一、湍流的特點(diǎn)與表征171.時(shí)均量與脈動(dòng)量圖1-15湍流中的速度脈動(dòng)一、湍流的特點(diǎn)與表征18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(dòng)的，亦可采用同樣的方法來(lái)表征。一、湍流的特點(diǎn)與表征從上圖可知,以x方向?yàn)槔}動(dòng)速度(fluctuationvelocity)瞬時(shí)速度(instantaneousvelocity)時(shí)均速度(timemeanvelocity)192．湍流強(qiáng)度湍流強(qiáng)度是表征湍流特性的一個(gè)重要參數(shù)，其值因湍流狀況不同而異。例如，流體在圓管中流動(dòng)時(shí)，I值范圍為0.01～0.1，而對(duì)于尾流、自由射流這樣的高湍動(dòng)情況下，I值有時(shí)可高達(dá)0.4。

湍流強(qiáng)度的定義：

一、湍流的特點(diǎn)與表征21二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞 湍流時(shí)的動(dòng)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)(1-48)渦流動(dòng)量通量＝渦流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)X時(shí)均濃度梯度湍流應(yīng)力（雷諾應(yīng)力）22湍流流動(dòng)中的總動(dòng)量通量可表示為（1-49）：渦流運(yùn)動(dòng)黏度(eddyviscosity)或渦流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)(eddydiffusivity)，m2/s。渦流運(yùn)動(dòng)黏度不是流體物理性質(zhì)的函數(shù)，而是隨湍流強(qiáng)度、位置等因素改變。二、雷諾應(yīng)力與渦流傳遞 23一、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(duì)運(yùn)動(dòng)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25圖1-17平板壁面上的邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展26一、邊界層的形成與發(fā)展由層流邊界層開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x。臨界距離依照雷諾數(shù)定義臨界雷諾數(shù)臨界距離所對(duì)應(yīng)的29對(duì)于光滑的平板壁面，臨界雷諾數(shù)的范圍為一、邊界層的形成與發(fā)展30管內(nèi)流動(dòng)邊界層圖1-18圓管內(nèi)的流動(dòng)邊界層一、邊界層的形成與發(fā)展31可將管內(nèi)的流動(dòng)分為兩個(gè)區(qū)域：一是邊界層匯合以前的流動(dòng)，稱之為進(jìn)口段流動(dòng)；另一是邊界層匯合以后的流動(dòng)，稱之為充分發(fā)展了的流動(dòng)。對(duì)于層流，進(jìn)口段長(zhǎng)度可采用下式計(jì)算(1-53)一、邊界層的形成與發(fā)展進(jìn)口段長(zhǎng)度32二、邊界層分離與形體阻力邊界層的一個(gè)重要特點(diǎn)是，在某些情況下，會(huì)出現(xiàn)邊界層與固體壁面相脫離的現(xiàn)象。此時(shí)邊界層內(nèi)的流體會(huì)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(dòng)時(shí)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(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度。33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)34

第一章流體流動(dòng)1.5動(dòng)量傳遞現(xiàn)象1.5.1層流—分子動(dòng)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(dòng)量傳遞小結(jié)35動(dòng)量傳遞小結(jié)由于流體的粘性，當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)從而進(jìn)行動(dòng)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(dòng)要消耗能量外，流體質(zhì)點(diǎn)的高頻脈動(dòng)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。36另一方面，當(dāng)產(chǎn)生邊界層分離時(shí)，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)生倒流和尾渦以及壓力分布不均所造成的能量損失稱為形體阻力或局部阻力。動(dòng)量傳遞小結(jié)37練習(xí)