化工原理第一章-流體流動的基本概念與流體中的傳遞現(xiàn)象

第一章

流體流動的基本概念與流體中的傳遞現(xiàn)象

特征1.1流體的物理性質(zhì)在化工、石油、制藥、生物、食品、輕工、材料、環(huán)境保護(hù)等許多生產(chǎn)領(lǐng)域，涉及的對象多為流體?！傲鞒坦I(yè)”在流動之中對流體進(jìn)行化學(xué)或物理加工加工流體的機(jī)器與設(shè)備過程裝備液體和氣體合稱為流體。1.1.1連續(xù)介質(zhì)假定(Continuumhypotheses)從微觀上看：流體是由離散的分子構(gòu)成的，這些分子都在作不規(guī)則的熱運(yùn)動。流體的物理量在空間分布上和時(shí)間變化上都是不連續(xù)的。工程上要研究的是流體宏觀機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，也就是大量分子統(tǒng)計(jì)平均的規(guī)律性。統(tǒng)計(jì)物理連續(xù)介質(zhì)理論連續(xù)介質(zhì)假定：流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿了流體所在的整個(gè)空間。注：該假定對絕大多數(shù)流體都適用。但是當(dāng)流動體系的特征尺度與分子平均自由程相當(dāng)時(shí)，例如高真空稀薄氣體的流動，連續(xù)介質(zhì)假定受到限制。流體運(yùn)動中的物理量都可視為空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。這樣一來，就能用數(shù)學(xué)分析方法來研究流體運(yùn)動。

流體質(zhì)點(diǎn)：微觀上充分大，宏觀上充分小的分子團(tuán)。微觀上充分大→時(shí)間連續(xù)宏觀上充分小→空間連續(xù)1.1.1連續(xù)介質(zhì)假定(Continuumhypotheses)流體的密度：單位體積流體所具有的質(zhì)量，以

表示。連續(xù)介質(zhì)假定1.1.2流體的密度，壓縮性△V0為流體質(zhì)點(diǎn)或微團(tuán)體積。液體空間某一點(diǎn)的流體的密度。氣體溫度不太低、壓力不太高的情況下，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算1.1.2流體的密度，壓縮性氣體混合物的平均密度液體混合物的平均密度可近似地按下式計(jì)算1.1.2流體的密度，壓縮性壓縮性：流體因壓力、溫度等因素的變化，體積或密度發(fā)生變化的性質(zhì)。質(zhì)點(diǎn)的密度在運(yùn)動過程中不變的流體稱為不可壓縮流體。不可壓縮均質(zhì)流體的密度時(shí)時(shí)處處都是同一常數(shù)，即=c。液體在一般情況下可以近似看成是不可壓縮的。氣體的壓縮性比液體大的多。但若氣體的流速比音速小得多（如小于100m/s），壓力的改變遠(yuǎn)小于平均壓力，并且沒有很大的溫差，此時(shí)，也可近似的將氣體視為是不可壓縮的。易流動性：流體在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力，任何微小的切應(yīng)力作用，流體都將產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形。1.1.3流體的易流動性固體在靜止時(shí)可以承受切向應(yīng)力，因而，一塊固體總具有確定的形狀。流體則因?yàn)樵陟o止時(shí)不能承受切應(yīng)力，因而，一團(tuán)流體沒有特定的形狀。牛頓粘性定律牛頓實(shí)驗(yàn)（1867年）FhU()1.1.4流體的粘性yxF流體運(yùn)動時(shí)，內(nèi)部相鄰流層之間存在抵抗相對運(yùn)動的切向力，又稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力。流體所具有的抵抗相鄰兩層流體相對滑動速度（或抵抗變形）的性質(zhì)稱為粘性。運(yùn)動一旦停止，抵抗力便消失。相對運(yùn)動速度增加，抵抗力增大。hU()

1.1.4流體的粘性服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓流體。無粘性的流體（=0）稱為理想流體。

—切應(yīng)力，剪應(yīng)力du/dy—速度梯度，剪切變形速度

—動力粘性系數(shù)，粘度任意兩相鄰流層——運(yùn)動粘性系數(shù)，運(yùn)動粘度。牛頓粘性定律表明，剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，與法向應(yīng)力無關(guān)！1.1.4流體的粘性——牛頓粘性定律氣體的粘度隨溫度升高而增加，液體的粘度隨溫度升高而降低。理想氣體的粘度與壓強(qiáng)無關(guān)，實(shí)際氣體和液體的粘度一般是隨壓強(qiáng)升高而增加的，但在4.0MPa以下，液體粘度隨壓力變化不大。流體的粘度在SI單位制中，粘度的單位為N?s/m2即Pa?s。1.1.4流體的粘性習(xí)題1思考題：1.1，1.2，1.3，1.7書面作業(yè)：1.81.2.1流體的受力質(zhì)量力：作用在流體每個(gè)質(zhì)點(diǎn)（流體微團(tuán)）上的力。如重力、引力、慣性力等，與質(zhì)量成正比。面力：通過直接接觸，施加在接觸面上的力。與面積成正比。質(zhì)量力（體積力）隔離體：體積V，質(zhì)量m，密度

重力：Fw面力管壁對隔離體的作用力：Fw周圍流體對隔離體的作用力：FsFsFsG1.2流體靜力學(xué)1.2.1流體的受力一般情況下，面力不垂直于作用面，且不同位置處大小不同。A

FsS——A點(diǎn)的應(yīng)力PT——A點(diǎn)的法向應(yīng)力，或稱正應(yīng)力——A點(diǎn)的切應(yīng)力靜壓強(qiáng)：靜止流體中的垂直作用于單位面積上的力。靜壓強(qiáng)的特點(diǎn)：1）靜壓力的方向沿作用面的內(nèi)法線方向。2）靜壓強(qiáng)的大小與作用面的方位無關(guān)。靜壓強(qiáng)只是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)！1.2.2靜壓強(qiáng)及其特點(diǎn)流體平衡微分方程在靜止流體中取一立方形流體微元

xyz，作受力分析1.2.3靜壓強(qiáng)在空間的分布規(guī)律1)面力xzyx方向y方向z方向1.2.3靜壓強(qiáng)在空間的分布規(guī)律2)質(zhì)量力(只考慮重力)y方向z方向x方向力平衡方程1.2.3靜壓強(qiáng)在空間的分布規(guī)律力平衡方程簡化為重力場中流體靜壓強(qiáng)在空間的分布1.2.3靜壓強(qiáng)在空間的分布規(guī)律設(shè)流體不可壓縮，

=C，則式中各項(xiàng)的單位均為J/kg。p/

為單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能gz為單位質(zhì)量流體的位能。若以P/

表示單位質(zhì)量流體的總勢能，則P具有壓強(qiáng)單位，稱為虛擬壓強(qiáng)。在同一靜止流體中，單位質(zhì)量流體的總勢能保持不變zop01

2

h

z2z1對于靜止流體中任意兩水平截面z1、z2有1.2.3靜壓強(qiáng)在空間的分布規(guī)律若液面上壓強(qiáng)為p0，則距液面h深處流體的壓強(qiáng)為流體靜力學(xué)原理：重力場中靜止流體總勢能不變，靜壓強(qiáng)僅隨垂直位置而變，與水平位置無關(guān)，等壓面為水平面；靜止液體內(nèi)任意點(diǎn)處的壓強(qiáng)與該點(diǎn)距液面的距離呈線性關(guān)系，也正比于液面上方的壓強(qiáng)；液面上方的壓強(qiáng)大小相等地傳遍整個(gè)液體。1.2.3靜壓強(qiáng)在空間的分布規(guī)律壓強(qiáng)的單位按壓強(qiáng)定義，N/m2=Pa（帕斯卡），106Pa=1MPa間接地以流體柱高度表示，p=gh

1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O以大氣壓為計(jì)量單位。1atm=101325N/m2=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg1at=98070N/m2=1kgf/cm2=10mH2O=735.6mmHg1.2.4壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的基準(zhǔn)絕對真空——絕對壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)——表壓或真空度簡單測壓管1.2.5壓強(qiáng)的測量A點(diǎn)的壓強(qiáng)ARpaA點(diǎn)的表壓U型測壓管paRAh12A點(diǎn)的壓強(qiáng)A點(diǎn)的表壓若容器內(nèi)為氣體，

<<0，則p0

p0

0

p1

p2

>

R

a

b

若

<<0（如被測流體為氣體）12h

待測兩點(diǎn)處于同一水平高度U型管壓差計(jì)1.2.5壓強(qiáng)的測量普通U型管壓差計(jì)12z1z2h1h2R待測兩點(diǎn)不在同一水平高度

0

a

b

1.2.5壓強(qiáng)的測量倒置U型管壓差計(jì)1.2.5壓強(qiáng)的測量1、2兩點(diǎn)處于同一水平高度若>>01、2兩點(diǎn)不在同一水平高度采用傾斜U型管可在測量較小的壓差

p時(shí)，得到較大的讀數(shù)R1值。忽略容器內(nèi)液面下降得壓差計(jì)算式傾斜U型管壓差計(jì)1.2.5壓強(qiáng)的測量有微壓差

p存在時(shí)，盡管兩擴(kuò)大室液面高差很小以致可忽略不計(jì)，但U型管內(nèi)卻可得到一個(gè)較大的R讀數(shù)。對一定的壓差

p，R值的大小與所用的指示劑密度有關(guān)，密度差越小，R值就越大，讀數(shù)精度也越高。雙液體U型管壓差計(jì)1.2.5壓強(qiáng)的測量【例1.2】如圖所示密閉室內(nèi)裝有測定室內(nèi)氣壓的U型壓差計(jì)和監(jiān)測水位高度的壓強(qiáng)表。指示劑為水銀的U型壓差計(jì)讀數(shù)R為40mm，壓強(qiáng)表讀數(shù)p為32.5kPa。試求：水位高度h。解：【例1.3】用復(fù)式U型壓差計(jì)檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點(diǎn)的壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。水和空氣的密度分別為

=1000kg/m3和

0=1.2kg/m3。在某一流量下測得R1=z1-z2=0.32m，R2=z3-z4=0.5m。試計(jì)算A、B兩點(diǎn)的壓差。忽略空氣柱的重量，p1

p2，p3

p4，有【例1.3】習(xí)題2思考題：1.9，1.10書面作業(yè)：1.11，1.121.3流體流動的基本概念1.3.1單相流與多相流單相流體系：體系所含的物質(zhì)只有一種相態(tài)。體系內(nèi)部不存在相界面及相間傳遞；體系的各種性質(zhì)在空間連續(xù)分布。多相流體系：體系內(nèi)含兩種或兩種以上相態(tài)的物質(zhì)。體系內(nèi)存在相界面（氣-液、氣-固或液-固、液-液）；界面上的傳遞速率對體系的性質(zhì)具有重要影響。1.3.2穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)流動：流動參數(shù)不隨時(shí)間變化，

=

(x,y,z)。非穩(wěn)態(tài)流動：流動參數(shù)隨時(shí)間而變化，

=

(x,y,z,t)。1.3.3流速與流量流量：單位時(shí)間內(nèi)流體通過流動截面的量。

體積流量：qV，m3/s，m3/h流速：單位時(shí)間內(nèi)流體在流動方向上流經(jīng)的距離，u，m/s。

質(zhì)量流量：qm，kg/s，kg/h1.3.3流速與流量平均流速（主體平均流速）：質(zhì)量流速（質(zhì)量通量）：質(zhì)量流量、體積流量、平均流速及質(zhì)量通量的關(guān)系：低流速時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)分層沿軸線平行流動，各層質(zhì)點(diǎn)互不摻混——層流；高流速時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡極不規(guī)則，各層質(zhì)點(diǎn)相互摻混——湍流。1.3.4流型與雷諾數(shù)兩種流型

雷諾實(shí)驗(yàn)對園管內(nèi)的流動：Re<2000穩(wěn)定的層流區(qū)2000<Re<4000由層流向湍流過渡區(qū)Re>4000湍流區(qū)工程計(jì)算中，當(dāng)Re>2000時(shí)即可作湍流處理。1.3.4流型與雷諾數(shù)雷諾數(shù)平板上的邊界層1.3.5流動邊界層及邊界層分離層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層邊界層界限ux=0.99u0u0u0u0xy層流邊界層：邊界層內(nèi)的流動類型為層流。湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動類型為湍流。層流內(nèi)層：湍流邊界層中，近壁面處一薄層流體，其流動類型為層流。流體流動受固體壁面影響的區(qū)域——邊界層過渡段流動進(jìn)口段Xc：邊界層匯合以前的區(qū)域。沿程邊界層逐漸增厚（發(fā)展），斷面速度分布不斷變化。流動充分發(fā)展：邊界層匯合以后的區(qū)域。邊界層厚度不在增加，斷面速度分布不再變化。Xcu0d圓管進(jìn)口段的邊界層ddd1.3.5流動邊界層及邊界層分離充分發(fā)展的管內(nèi)流型取決于匯合點(diǎn)處邊界層內(nèi)的流型。邊界層分離與形體曳力1.3.5流動邊界層及邊界層分離倒流

分離點(diǎn)u0

DAC’CBxp1.3.5流動邊界層及邊界層分離邊界層分離：邊界層脫離壁面的現(xiàn)象。形體阻力：邊界層從物面分離出來在物體后面形成尾渦區(qū)，在尾渦區(qū)內(nèi)由于流體質(zhì)點(diǎn)間的激烈混合與碰撞而消耗機(jī)械能，使得尾流區(qū)物體表面的壓強(qiáng)低于來流面的壓強(qiáng)，這兩部分的壓強(qiáng)差造成作用于物體上的壓差阻力，稱為流體流動的形體阻力。1.3.5流動邊界層及邊界層分離擴(kuò)散現(xiàn)象：當(dāng)物系處于非平衡狀態(tài)，即物系內(nèi)存在強(qiáng)度性質(zhì)不均勻（空間梯度）時(shí)，則會發(fā)生物理量由高強(qiáng)度區(qū)向低強(qiáng)度區(qū)遷移，使物系向平衡方向轉(zhuǎn)移。物理量朝平衡轉(zhuǎn)移的過程稱為傳遞過程或傳遞現(xiàn)象。熱量由高溫區(qū)向低溫區(qū)的轉(zhuǎn)移——熱量傳遞物質(zhì)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移——質(zhì)量傳遞動量由高速度區(qū)向低速度區(qū)的轉(zhuǎn)移——動量傳遞1.4流體中的擴(kuò)散現(xiàn)象與擴(kuò)散定律1.4.1擴(kuò)散現(xiàn)象流層之間分子的交換，使動量從高速層向低速層傳遞，其結(jié)果是產(chǎn)生阻礙流體相對運(yùn)動的剪切力。層流xy0ux(y)1.4.2動量擴(kuò)散與牛頓粘性定律12u2u1xy

yx可以解釋為x

方向的動量在y

方向上的通量。該式表明動量通量與速度梯度成正比；負(fù)號表明動量通量的方向與速度梯度方向相反。1.4.3熱量擴(kuò)散與傅立葉熱傳導(dǎo)定律T1T2yTT2T1qy—y方向上的熱通量，J/m2s

k—導(dǎo)熱系數(shù)，W/mKdT/dy—y方向上的溫度梯度上式稱為傅立葉定律，表明導(dǎo)熱通量與溫度梯度成正比；負(fù)號表明導(dǎo)熱方向與溫度梯度方向相反，即熱量由高溫區(qū)傳向低溫區(qū)。qy兩塊溫度