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化工流体力学第一章化工流体力学第一章现在学习的是第1页，共24页本章目录本章目录第一节第一节 流体的物理属性流体的物理属性第三节第三节 引发流体运动的方式、工艺过程的操引发流体运动的方式、工艺过程的操作条件作条件第四节第四节 液膜流动液膜流动第二节第二节 流动空间的几何特征，流动问题分类流动空间的几何特征，流动问题分类现在学习的是第2页，共24页第一节第一节 流体的物理属性流体的物理属性连续介质假定连续介质假定密度，压缩性密度，压缩性粘性，牛顿流体粘性，牛顿流体导热性，热导率导热性，热导率扩散性，扩散系数扩散性，扩散系数表面张力表面张力现在学习的是第3页，共24页连续介质假定连续介质假定 从微观角度看：流体分子之间存在空隙，流体物理量的分布在空间和时间上都是不连续的。 流体力学中，感兴趣的是流体的宏观特性，即有连续介质假设的提出。现在学习的是第4页，共24页l 连续介质假定：连续介质假定：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 (1) 可用连续性函数B (x, y, z, t) 描述流体质点物理量的空间分布和时间变化； (2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。l 连续介质假设是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学是自然图形的抽象一样。l 除了稀薄气体、激波外的绝大多数流动问题，均可用连续介假设作理论分析。现在学习的是第5页，共24页密度，压缩性密度，压缩性密度是表征流体最基本的物理量。密度是表征流体最基本的物理量。气体和液体的密度可以相差几个数量级。如气体和液体的密度可以相差几个数量级。如277277K时，时，流体体积或密度随压力变化的性能称为压缩流体体积或密度随压力变化的性能称为压缩 性。一般来说，液体性。一般来说，液体比气体的压缩性小得多。比气体的压缩性小得多。是否考虑流体的压缩性，需要根据具体情况来决定（水锤现象，是否考虑流体的压缩性，需要根据具体情况来决定（水锤现象，则需要考虑液体的可压缩性）则需要考虑液体的可压缩性） 3=1000kg/m水3=1.226kg/m空气现在学习的是第6页，共24页粘性粘性 流体不能保持一定的形状，处于静止状态的流体不能抵抗剪切力流体不能保持一定的形状，处于静止状态的流体不能抵抗剪切力，任何微小的剪切力都可以使流体发生任意大的变形。当变形速度，任何微小的剪切力都可以使流体发生任意大的变形。当变形速度大时，流体则呈现出一定的抵抗力。大时，流体则呈现出一定的抵抗力。运动一旦停止，抵抗力便消运动一旦停止，抵抗力便消失，流体受到剪切力作用时抵抗变形失，流体受到剪切力作用时抵抗变形速率速率的能力成为粘性。的能力成为粘性。 理想流体：理想流体：黏性可被忽略的流体。黏性可被忽略的流体。 无滑移现象无滑移现象：紧靠壁面的一层流体，将不做相对器壁的宏观：紧靠壁面的一层流体，将不做相对器壁的宏观运动。运动。 现在学习的是第7页，共24页牛顿黏性定律牛顿黏性定律=xyxyxdudy上式称为牛顿黏性定律式中： 动力粘度，简称黏度；xdudy速度梯度，也可理解为剪切变形速率，简称 剪切速率，以 表示。yx现在学习的是第8页，共24页从牛顿黏性定律可看出：从牛顿黏性定律可看出： 黏性流体运动时的剪切应力和速度梯度（剪切速率）呈正比粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定,而不是由速度决定 流体粘性只能影响流动的快慢，却不能停止流动现在学习的是第9页，共24页黏度黏度黏度 又称动力黏度，定义为剪切应力和速度梯度或剪切速率之比。据牛顿黏性定律可得 ： 黏度的单位在SI制中是帕秒（Pas), CGS制中是泊(P)， 1Pas = 10P液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则相反，随温度升高而增大。 d /duy现在学习的是第10页，共24页温度升高时: 液体分子间平均距离增大，内聚力减小，使粘 度相应减小 (b);气体分子运动加剧，动量交换激烈，使粘度相应增大(a)。现在学习的是第11页，共24页 常温常压下水的粘度是空气的常温常压下水的粘度是空气的55.455.4倍倍 粘度与密度的比值称为粘度与密度的比值称为运动粘度运动粘度 在在SI制中运动粘度的单位是制中运动粘度的单位是m 2 / s (cm 2 / s ) ; 常温常压下空气的运动粘度是水的常温常压下空气的运动粘度是水的15倍倍6221 10 m /s0.01cm /s 52215 10 m /s0.15cm /s水空气31 10 Pa s0.01P 51.8 10 Pa s0.00018P 水空气现在学习的是第12页，共24页牛顿流体：切应力与速度梯度之间呈线性关系，即动力粘性 系数为常数。非牛顿流体：切应力在变形速率保持恒定时要随时间发生 变化。切应力随时间增加为流变形流体，反 之为触变性流体。广义牛顿切应力公式：对于牛顿流体非牛顿流体(,)dufdyxydudy现在学习的是第13页，共24页典型的非牛顿流体典型的非牛顿流体1.幂流流体 黏度 与剪切速率成幂指数关系，可采用如下方程表示：1nxxyxdudumdydy式中，m稠度系数，22s /Nmn流动行为指数，与1的偏差表示该流体 偏离牛顿流体行为的程度（1）n=1，m= ；牛顿流体（2）n1； 假塑性流体（3）n1； 膨胀流体现在学习的是第14页，共24页2. 黏塑性流体 若 ， 若 ， 服从上两式的液体称为黏塑性流体，也叫宾汉流体。特点为：（1）所受应力小于 时，流体不流动；（2）所受应力大于 时，其流动行为就和牛顿流体一样。0yx=0 xdudy0yx00=xyxdudy00现在学习的是第15页，共24页导热性，热导率导热性，热导率n流体中存在温度差，就会有热量传递，需考虑流体的导热能力n表示流体导热能力的物理性质是热导率热量传递方式导热对流热辐射现在学习的是第16页，共24页傅里叶定律傅里叶定律单位时间内所传导的热量单位面积、单位时间所传导的热量称为导热通量或热流强度 这一方程称为傅里叶导热定律。负号表示热流方向与温度梯度方向相反。 dTQkAdy QdTqkAdy 现在学习的是第17页，共24页l 比例系数k是热导率，定义为（1）空气中氢气的热导率最高，液体中水的热导率最高（2）气体的热导率随温度的升高而增大（3）大部分液体（水和甘油除外）的导热率随温度的升高而 降低。/()dTkqdy现在学习的是第18页，共24页扩散性，扩散系数扩散性，扩散系数如果流体是混合物，且其中存在浓度差，就会产生扩散。表示流体这种性质的是扩散系数。物质必然从浓度高扩散到浓度低处，从而产生了物质传递。现在学习的是第19页，共24页费克定律费克定律 单位时间经单位面积扩散的A物质量JA，与扩散方向上的浓度梯度 成正比，即： 上述方程称为费克扩散定律。中负号表示扩散是沿着浓度降低的方向进行的。 比例系数DAB称为扩散系数，AdCdyAAABdCJDdy AABAJDdCdy现在学习的是第20页，共24页表面张力 表面张力通常是指液体表面张力通常是指液体 与气体交界面上的张应力与气体交界面上的张应力2. 表面张力现象： 肥皂泡 洗洁剂 毛细现象 2pR 1211()pRR 现在学习的是第21页，共24页第二节第二节 流动空间的几何特征，流动问题分流动空间的几何特征，流动问题分类类流体运动问题的分类 现在学习的是第22页，共24页第三节第三节 引发流体运动的方式、工艺过程的操引发流体运动的方式、工艺过程的操作条件作条件 化工设备中流动的发生：泊谡（Poiseuille）流与库特（Coutte）流流体的两种基本状态：层流和湍流流动状态的判别：雷诺数Re低雷诺数（爬流）与高雷诺数（边界层流） Re2000， 层流 2000Re4000，过度流 Re4000 湍流现在学习的是第23页，共24页第四节 研究流体运动规律的基本途径现在学习的是第24页，共24页
