化工傳遞過程基礎(chǔ)(第三版)

1、化工傳遞過程基礎(chǔ)化工傳遞過程基礎(chǔ)一、化工研究的基本問題？一、化工研究的基本問題？緒緒 論論圖0-1 McCabe-Thiele圖平衡線精餾段操作線提餾段操作線 過程的平衡和限度 化工熱力學(xué) 過程的速率和實(shí)現(xiàn)過程所需要的設(shè)備 化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備化學(xué)反應(yīng)速率和設(shè)備化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和和化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 物理過程速率和設(shè)備物理過程速率和設(shè)備 化工傳遞化工傳遞和和化工單元操作化工單元操作推動(dòng)力：溫度差推動(dòng)力：溫度差推動(dòng)力：濃度差推動(dòng)力：濃度差二、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容？二、本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容？ 動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞 熱量傳遞熱量傳遞 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞 物理過程的速率和傳遞機(jī)理的探討推動(dòng)力：速度差

2、推動(dòng)力：速度差第一章第一章 傳遞過程概論傳遞過程概論第一節(jié)第一節(jié) 流體流動(dòng)導(dǎo)論流體流動(dòng)導(dǎo)論一、靜止流體的特性一、靜止流體的特性（一）流體的密度（）均質(zhì)流體：VMdVdM 非均質(zhì)流體：點(diǎn)密度dM：微元質(zhì)量dV：微元體積 流體：氣體和液體的統(tǒng)稱流體：氣體和液體的統(tǒng)稱圖1-1 均質(zhì)水溶液圖1-2 非均質(zhì)溶液方法：取一微元，設(shè)微元質(zhì)量為dM，體積為dV密度：zyxf,（二）不可壓縮流體與可壓縮流體（二）不可壓縮流體與可壓縮流體 不可壓縮流體：密度不隨空間位置和時(shí)間變化的流體； 通常液體可視為不可壓縮流體通常液體可視為不可壓縮流體 可壓縮流體：密度隨空間位置或時(shí)間變化的流體；,zyxf 氣體為可壓縮流體

3、；但如氣體氣體為可壓縮流體；但如氣體等溫流動(dòng)等溫流動(dòng)且且壓力改變不大壓力改變不大時(shí)，可近似時(shí)，可近似為不可壓縮流體。為不可壓縮流體。MV流體的比體積（質(zhì)量體積）：1m3/kg常數(shù)重要APp （三）流體的壓力（三）流體的壓力流體表面均勻受力dAdPp p:點(diǎn)壓力,dP:垂直作用在微元體表面的力,dA:微元體表面積壓力單位及換算壓力表示方法圖1-3 均勻受力圖壓力P圖1-4 非均勻受力圖 流體表面非均勻受力壓力P1atm = 1.013105Pa = 1.013bar = 1.033kgfcm-2 = 7.60102mmHg絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力（表壓力和真空度）表壓力 = 絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度

4、= 大氣壓力-絕對(duì)壓力e.g， p = 2atm 絕對(duì)壓力為2標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p = 3x105N/m2（表壓）p = 500mmHg （真空度）zyxfp,（四）流體平衡微分方程（四）流體平衡微分方程平衡狀態(tài)（物理意義）： 0iF流體微元受力分析：質(zhì)量力和表面力 質(zhì)量力（體積力）：如重力，靜電力，電磁力等 化學(xué)工程中，質(zhì)量力指重力（化學(xué)工程中，質(zhì)量力指重力（FB） 表面力：是流體微元的表面與其相鄰流體作用所產(chǎn)生（Fs） 靜止?fàn)顟B(tài)：表面力表現(xiàn)為靜壓力靜止?fàn)顟B(tài)：表面力表現(xiàn)為靜壓力 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：表面力除壓力外，還有粘性力運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：表面力除壓力外，還有粘性力 流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）壓力P 流體

5、平衡條件：FB+ Fs = 0流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）的推導(dǎo)流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）的推導(dǎo)流體平衡條件：0sxBxdFdFx方向平衡條件：FB+ Fs = 0 x方向作用力：質(zhì)量力（dFBx）：XdxdydzdFBxdydzdxxpppdydzdFsx)(表面力（dFsx 靜壓力產(chǎn)生）：0dxdydzxpXdxdydzdFdFsxBxXxpYypZzp靜壓力梯度單位體積流體的質(zhì)量力pfBx方向微分平衡方程：y方向微分平衡方程：z方向微分平衡方程： 靜止流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）靜止流體平衡微分方程（歐拉平衡微分方程）重要 自己推？（五）流體靜壓力學(xué)方程（五）流

6、體靜壓力學(xué)方程歐拉平衡微分方程XxpYypZzp質(zhì)量力：X = 0，Y = 0，Z = - g0 xp0ypgdzdpzp流體靜力學(xué)方程hppdzgdp00ghpp0積分得：gpph0對(duì)于一定密度的液體，壓力差與深度對(duì)于一定密度的液體，壓力差與深度h h成正比，故成正比，故液柱高度液柱高度h h可用來(lái)表示壓力差的大?。捎脕?lái)表示壓力差的大?。╩mHg,mH2O) )？二、流體流動(dòng)的基本概念二、流體流動(dòng)的基本概念（一）流速與流率（一）流速與流率流速：流體流動(dòng)的速度，表示為u流速不均勻分布情況下，點(diǎn)流速點(diǎn)流速（在d時(shí)間內(nèi)流體流過距離ds）ddxuxddyuyddzuz流率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體通過流動(dòng)截

7、面的量m/s 以流體的體積計(jì)量稱為體積流率（流量，以流體的體積計(jì)量稱為體積流率（流量，Vs）m3/s 以質(zhì)量計(jì)量稱為質(zhì)量流率（以質(zhì)量計(jì)量稱為質(zhì)量流率（w），），kg/s計(jì)算計(jì)算：在流動(dòng)截面上任取一微分面積dA，其點(diǎn)流速為ux，則通過該微元面積的體積流率dVs？通過整個(gè)流動(dòng)截面積A的體積流率Vs？dAudVxs求解求解：1.體積流率定義式:2.體積流率積分:AxsdAuV3.質(zhì)量流率（w）:sVw),(zyxfu 主體平均流速（ub）: 截面上各點(diǎn)流速的平均值A(chǔ)xsbdAuAAVu1質(zhì)量流速（G）: 單位時(shí)間內(nèi)流體通過單位流動(dòng)截面積的質(zhì)量（用于氣體）bsuAVAwGkg/(m2s)（二）穩(wěn)態(tài)流動(dòng)

8、和不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)（二）穩(wěn)態(tài)流動(dòng)和不穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：當(dāng)流體流過任一截面時(shí)，流速、流率和其他有關(guān)的物理量不隨時(shí)間而變化，稱為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)或定常流動(dòng)；0數(shù)學(xué)特征：e.g),(zyxfu 與時(shí)間無(wú)關(guān)不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流體流動(dòng)時(shí)，任一截面處的有關(guān)物理量中只要有一個(gè)隨時(shí)間而變化，稱為不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)或不定常流動(dòng)；重要（三）粘性定律和粘度（三）粘性定律和粘度1. 牛頓粘性定律dyduxdydux負(fù)號(hào)“-”剪應(yīng)力，單位截面積上的表面力，N/m2； 產(chǎn)生：相鄰兩層流體之間由于粘性作用而產(chǎn)生，粘性力，表面力的一種；動(dòng)力粘度（粘度），流體的一種物性參數(shù)，試驗(yàn)測(cè)定，查物化手冊(cè)；ux在y軸方向上的速度梯度；表示當(dāng)y增

9、加時(shí)，ux減少，速度梯度dux/dy為負(fù)值。當(dāng)dux/dy為正值“+”時(shí)，可將負(fù)號(hào)“-”去掉。重要物理意義：?jiǎn)挝凰俣忍荻葧r(shí)，作用在兩層流體之間的剪應(yīng)力；單位：SI單位和物理單位dydux2. 動(dòng)力粘度 （）SI單位制：物理單位制：3. 運(yùn)動(dòng)粘度 （）特性：是溫度、壓力的函數(shù)；PTf,流體的動(dòng)力粘度與密度的比值，稱為運(yùn)動(dòng)粘度 （） 壓力對(duì)液體粘度影響可忽略，氣體的粘度在壓力較低時(shí)（1000kPa）影響較小，壓力大時(shí)，隨壓力升高而增大。 氣體的粘度隨溫度的升高而增大；液體隨溫度的升高而減少； sPamsNmsmmNyu22/ )(/22泊Pscmgcmsdyncmscmcmdynyu1P = 10

10、0cP（五）粘性流體和理想流體（五）粘性流體和理想流體（四）牛頓型流體和非牛頓型流體（四）牛頓型流體和非牛頓型流體牛頓型流體：遵循牛頓粘性定律的流體；非牛頓型流體：不遵循牛頓粘性定律的流體； 所有氣體和大多數(shù)低分子量的液體，如水、空氣等某些高分子溶液、油漆、血液等dydux粘性流體：具有粘性的流體，也叫實(shí)際流體；理想流體：完全沒有粘性的流體，即= 0 的流體，自然界不存在；簡(jiǎn)化問題，對(duì)于粘度較小的流體，如水和空氣（六）流動(dòng)形態(tài)與雷諾數(shù)（六）流動(dòng)形態(tài)與雷諾數(shù) (Reynolds number)1. 雷諾試驗(yàn)層流(laminar flow)：流速較小時(shí)，流體成直線狀平穩(wěn)流動(dòng)。表明流體中各質(zhì)點(diǎn)沿著彼

11、此平行的直線而運(yùn)動(dòng)，與側(cè)旁的流體五任何宏觀混合。湍流(紊流 turbulent flow)：流速較大時(shí)，流體中各質(zhì)點(diǎn)除了沿管路向前運(yùn)動(dòng)之外，各質(zhì)點(diǎn)還作不規(guī)則的脈動(dòng)，且彼此之間相互碰撞與混合。雷諾實(shí)驗(yàn)2. 雷諾數(shù)（Re）duRe u和d稱為流體流動(dòng)的特征速度和特征尺寸物理意義：作用在流體上的慣性力和粘性力的比值 Re2000，總是層流； Re10000，一般都為湍流； 2000Re10000，過渡狀態(tài)。若受外界條件影響，如管道直徑或方向的改變、外來(lái)的輕微振動(dòng)都易促使過渡狀態(tài)下的層流變?yōu)橥牧髦匾獫?rùn)濕周邊長(zhǎng)流道截面積水力半徑當(dāng)量直徑44當(dāng)量直徑圓截面d矩形截面環(huán)形截面d2 - d1baab2（七）動(dòng)

12、量傳遞現(xiàn)象（七）動(dòng)量傳遞現(xiàn)象假定：（1）兩層分子交換數(shù)相等，有N個(gè)分子參與交換；（2）N個(gè)分子的總質(zhì)量為W；則，從流層2轉(zhuǎn)入1中的x方向動(dòng)量：2Mu從流層1轉(zhuǎn)入2中的x方向動(dòng)量：1Mu)()(12MudMduuMuuM流層2在x方向凈輸出動(dòng)量給流層1：動(dòng)量由高速區(qū)動(dòng)量由高速區(qū)向低速區(qū)傳遞向低速區(qū)傳遞動(dòng)量通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過單位垂直于y方向面積上傳遞的動(dòng)量ddAMud/ )(kg(m/s)/(m2s) 層流流體在流向上的動(dòng)量，沿其垂直方向由高速流層向低速流層傳遞，導(dǎo)致流層間剪應(yīng)力（內(nèi)摩擦力）的產(chǎn)生。本質(zhì)上是分子微觀運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，屬于分子傳遞過程。剪應(yīng)力N/m2 = kg(m/s2)/(m2)= kg

13、(m/s)/(m2s) 湍流流體在流向上的動(dòng)量，分子傳遞+渦流傳遞。ddAMud/ )( 牛頓粘性定律dydux1. 分子間動(dòng)量傳遞 傅立葉定律傅立葉定律dydtkAq 費(fèi)克定律費(fèi)克定律dydDjAABA2. 分子間熱量傳遞 熱傳導(dǎo)3. 分子間質(zhì)量傳遞 分子擴(kuò)散高溫低溫第二節(jié)第二節(jié) 動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的類似性動(dòng)量、熱量與質(zhì)量傳遞的類似性一、分子傳遞的基本定律一、分子傳遞的基本定律速度梯度動(dòng)量通量 牛頓粘性定律牛頓粘性定律dyduxdydux溫度梯度熱量通量 傅立葉定律傅立葉定律dydtAqdydtkAq粘度k導(dǎo)熱系數(shù)濃度梯度質(zhì)量通量 費(fèi)克定律費(fèi)克定律dydAjdydDjAABAABD組分A在

14、組分B中的擴(kuò)散系數(shù)推動(dòng)力通量定律二、動(dòng)量通量、熱量通量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式二、動(dòng)量通量、熱量通量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式（一）動(dòng)量通量dyudyuxx)(d)(d s2222mm/skgmm/skgmN ：動(dòng)量通量 smkgmsm/kg23 ：動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù) d(ux/dy)：動(dòng)量濃度梯度mmsmkgyux3/（動(dòng)量通量）= （動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)）x （動(dòng)量濃度梯度）重要（二）熱量通量dytcddytcdckAqpppsmJAq2 q/A：熱量通量 smJKkgkgmKsmJckp23 ：熱量擴(kuò)散系數(shù)mmJytcp3 d(cpt/dy)：熱量濃度梯度（熱量通量）= （熱量擴(kuò)散系數(shù)）x （熱量濃度梯度）

15、重要（三）質(zhì)量通量 jA：組分A的質(zhì)量通量 DAB：質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù) d(A/dy)：質(zhì)量濃度梯度（質(zhì)量通量）= （質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)）x （質(zhì)量濃度梯度）重要dydDjAABAsmkgAj2mmkgy3A二、動(dòng)量通量、熱量通量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式二、動(dòng)量通量、熱量通量與質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式（通量）= （擴(kuò)散系數(shù)）x （濃度梯度）例1-1：已知一圓柱形固體由外表面向中心導(dǎo)熱，試寫出沿徑向的導(dǎo)熱現(xiàn)象方程drdtkrAq求解：zroqdrtpcdrAq現(xiàn)象方程：三、渦流傳遞的類似性三、渦流傳遞的類似性 動(dòng)量通量dyuxr)(d 熱量通量dytcdAqpHe 質(zhì)量通量dydjAMeA動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的通

16、量表達(dá)式動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的通量表達(dá)式僅有分子運(yùn)動(dòng)的傳遞過程以渦流運(yùn)動(dòng)為主的傳遞過程兼有分子運(yùn)動(dòng)和渦流運(yùn)動(dòng)的傳遞過程動(dòng)量通量熱量通量質(zhì)量通量dyux)(ddytcdAqpdydDjAABAdydDjAMABAtdyuxr)(ddyuxt)(ddytcdAqpHedytcdAqpHtdydjAMeAReview一、物理量基本概念 密度 非均質(zhì)流體dVdM 可壓縮流體,zyx 不可壓縮流體常數(shù) 壓力 受力不均流體表面dAdPp 流速,zyxuddxuxddyuyddzuz 粘度dydudx 雷諾數(shù)udRe二、基本狀態(tài) 平衡狀態(tài) 0iF流體物質(zhì)：0sBFF 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)0三、方程與定律 靜止流體平衡微

17、分方程pfB 流體靜壓力學(xué)方程ghpp0 牛頓粘性定律（分子動(dòng)量傳遞）dydux 傅立葉定律（分子熱量傳遞）dydtkAq 費(fèi)克定律（分子質(zhì)量傳遞）dydDjAABA四、動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的通量表達(dá)式僅有分子運(yùn)動(dòng)的傳遞過程以渦流運(yùn)動(dòng)為主的傳遞過程兼有分子運(yùn)動(dòng)和渦流運(yùn)動(dòng)的傳遞過程動(dòng)量通量熱量通量質(zhì)量通量dyux)(ddytcdAqpdydDjAABAdydDjAMABAtdyuxr)(ddyuxt)(ddytcdAqpHedytcdAqpHtdydjAMeA第一篇 動(dòng) 量 傳 遞第二章第二章 連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程第一節(jié)第一節(jié) 描述流動(dòng)問題的兩種觀點(diǎn)描述流動(dòng)問題的兩種觀點(diǎn)一、

18、歐拉觀點(diǎn)和拉格朗日觀點(diǎn)（一）歐拉觀點(diǎn)以相對(duì)于坐標(biāo)固定的流場(chǎng)內(nèi)的任一空間點(diǎn)為研究對(duì)象，研究流體流經(jīng)每一空間點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)； 特點(diǎn)：選定研究對(duì)象的體積、位置固定，通過研究對(duì)象的物理量隨時(shí)間改變；（二）拉格朗日觀點(diǎn)研究對(duì)象是流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)或微團(tuán)，研究每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)自始至終的運(yùn)動(dòng)過程； 特點(diǎn)：選定研究對(duì)象的質(zhì)量固定，位置和體積隨時(shí)間改變；二、物理量的時(shí)間導(dǎo)數(shù) 偏導(dǎo)數(shù)、全導(dǎo)數(shù)和隨體導(dǎo)數(shù)偏導(dǎo)數(shù)、全導(dǎo)數(shù)和隨體導(dǎo)數(shù)e.g 河流中魚的濃度（c）隨空間位置和時(shí)間變化,zyxcc （一）偏導(dǎo)數(shù)c表示某一固定空間點(diǎn)上的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化率本例：當(dāng)觀察者站在岸邊，觀察得到河流中某一固定位置處魚的濃度隨時(shí)間的變化率。（二）

19、全導(dǎo)數(shù)ddc對(duì) c 進(jìn)行全微分dzzcdyycdxxcdcdc同除以dddzzcddyycddxxccddc其中，xvddxyvddyzvddzzcvycvxcvcddczyx表示當(dāng)觀察者在流體中以任意速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)到的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化率本例：當(dāng)觀察者駕著船，在船上所觀察到的水中魚的濃度隨時(shí)間的變化率就是全導(dǎo)數(shù)，它等于岸邊觀察的結(jié)果，再疊加因船的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的魚的濃度變化。,zyxcc （三）隨體導(dǎo)數(shù)（拉格朗日導(dǎo)數(shù)）DDc隨體導(dǎo)數(shù)是全導(dǎo)數(shù)的一個(gè)特殊情況，即當(dāng)vx= ux, vy= uy, vz= uz （ ux， uy 和 uz是流體的速度）zcuycuxcucDDczyx表示當(dāng)觀察者在流

20、體中以與流體完全相同的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其觀測(cè)到的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化率。后三項(xiàng)為對(duì)流導(dǎo)數(shù)，表示因流體流動(dòng)而導(dǎo)致的流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化率。本例：當(dāng)獨(dú)木船跟隨著流體一起漂流運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者在船上所觀察到的水中魚的濃度隨時(shí)間的變化率就是隨體導(dǎo)數(shù)。 第二節(jié) 連續(xù)性方程一、連續(xù)性方程的推導(dǎo)歐拉觀點(diǎn)，取流場(chǎng)中一空間點(diǎn)M, M點(diǎn)處的流速和密度為：u = u (x,y,z,), = (x,y,z,)方法：微分質(zhì)量衡算（流出質(zhì)量流率）（流出質(zhì)量流率）- -（流入質(zhì)量流率）（流入質(zhì)量流率）+ +（累積質(zhì)量流率）（累積質(zhì)量流率）= 0= 0 x方向：流入質(zhì)量流率：dydzux流出質(zhì)量流率：dydzdxxuuxx（流出質(zhì)量

21、流率）-（流入質(zhì)量流率）=dxdydzxux累積質(zhì)量流率：dxdydz（流出質(zhì)量流率）-（流入質(zhì)量流率）=dxdydzyuyy方向：（流出質(zhì)量流率）-（流入質(zhì)量流率）=dxdydzzuzz方向：（流出質(zhì)量流率）-（流入質(zhì)量流率）=dxdydzxuxx方向：微分質(zhì)量衡算 連續(xù)性方程0zuyuxuzyx0u二、對(duì)連續(xù)性方程的分析0DDzyxuzyxzuyuxuzuyuxu連續(xù)性方程另一表達(dá)形式：0DDu1v對(duì)時(shí)間求隨體導(dǎo)數(shù)：0DDvDDv011DDDDvv或01的線性形變速率之和流體微元在空間方向上率體積膨脹速率或形變速uDDvv連續(xù)性方程的幾種簡(jiǎn)化形式 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：0zuyuxuzyx連

22、續(xù)性方程：0 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程：0zuyuxuzyx 不可壓縮流體：不可壓縮流體：0zuyuxuzyx是常數(shù)是常數(shù)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：0 u重要！重要！例例2-12-10zuyuxuzyx某一非穩(wěn)態(tài)二維流場(chǎng)的速度分布為:242xuxyxuy22 由題設(shè)條件得2xux2yuy即0yuxuyx故該流體為不可壓縮流體試證明該流場(chǎng)中的流體為不可壓縮流體。0zu三、柱坐標(biāo)與球坐標(biāo)系的連續(xù)性方程0)()(1)(1zruzurrurr(一)柱坐標(biāo)系(二)球坐標(biāo)系0)(sin1)sin(sin1)(122urururrrr式中, 為時(shí)間；r為徑向坐標(biāo)；z為軸向坐標(biāo),為方位角；ur、u和

23、uz分別為流速在柱坐標(biāo)(r,z)方向上的分量。式中，r為徑向;為余緯度；為方位角；ur、u和u分別為流速在球坐標(biāo)系（r,）方向上的分量； 為時(shí)間。第三節(jié) 運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)：拉格朗日觀點(diǎn)和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律（動(dòng)量守恒定律）一、用應(yīng)力表示的運(yùn)動(dòng)方程（一）動(dòng)量守恒定律在流體微元上的表達(dá)式duMdF理解：流體的動(dòng)量隨時(shí)間的變化率應(yīng)等于作用在該流體上的諸外力向量之和。拉格朗日觀點(diǎn)：iFdDuDdxdydzFd慣性力在x，y，z方向上的分量：DDudxdydzdFdFxxixx方向：DDudxdydzdFdFyyiyy方向：DDudxdydzdFdFzzizz方向：DuDdxdydzFdFdFdsB（

24、二）作用在流體上的外力分析1. 體積力（FB）XdxdydzdFBxYdxdydzdFByZdxdydzdFBz2. 表面力（Fs）分解為兩個(gè)向量： 一個(gè)與作用表面相切，稱剪切力； 一個(gè)與作用表面相垂直，稱法向力； x方向：y方向：z方向：（三）用應(yīng)力表示的運(yùn)動(dòng)方程x方向：sxxBxdFdFdF由前面得到：DDudxdydzdFdFxxixXdxdydzdFBxDuDdxdydzFdFdFdsB未知未知dydzdydzdxxdFxxxxxxsxdxdydxdydzzdxdzdxdzdyyzxzxzxyxyxyxdFsx的求解：dxdydzzyxdFzxyxxxsxdxdydzzyxdFzyyy

25、xysyx方向：y方向：dxdydzzyxdFzzyzxzszz方向：xxxXDDuzxyxxxxyyyYDDuzyxyyyyzzzZDDuyzxzzzzx方向：y方向：z方向：sBFdFdDuDdxdydzFd原理：扭矩平衡yxxyzxxzzyyz10個(gè)未知變量，3個(gè)方程組！zyxXDDuzxyxxxxzxyYDDuzyxyyyyyxzZDDuyzxzzzzx方向：y方向：z方向：二、牛頓型流體的本構(gòu)方程(一）剪應(yīng)力xuyuyxyxxyxuzuzxzxxzzuyuyzzyyzyux牛頓粘性定律牛頓型流體！(二）法向力zuyuxuxupzyxxxx322zuyuxuyupzyxyyy322zu

26、yuxuzupzyxzzz322不僅有p還有三、奈維-斯托克斯方程 牛頓型流體)(3)()(3)()(3)(222222222222222222zuyuxuzzuyuxuzZDDuzuyuxuyzuyuxuyYDDuzuyuxuxzuyuxuxXDDuzyxzzzzzyxyyyyzyxxxxx將以上三式寫成向量形式，為)(32uufDuDB 不可壓縮牛頓型流體0zuyuxuzyxupfDuDB21)(1)(1)(1222222222222222222zuyuxuzZuzuuyuuxuuDDuzuyuxuyYuzuuyuuxuuDDuzuyuxuxXuzuuyuuxuuDDuzzzzzzzyzx

27、zyyyxyzyyxxyxxxxxzxyxxx將以上三式寫成向量形式，為重要重要四、對(duì)奈維-斯托克斯方程的分析粘性力壓力質(zhì)量力慣性力upfDuDB21（一）方程組的可解性（二）初始條件和邊界條件理論上可解，理論上既適用于層流又適用于湍流初始條件（I.C.）：= 0時(shí)，u = u (x,y,z), p = p (x,y,z)邊界條件（B.C.）：（1）靜止固面 在靜止固面上，由于流體具有粘性， u = 0；（2）運(yùn)動(dòng)固面 在運(yùn)動(dòng)固面上，流體應(yīng)滿足 u流=u固；（3）自由表面 通常的自由表面系指一個(gè)流動(dòng)的液體暴露于氣體（多為大氣）中的部分界面。此時(shí)，在自由表面上滿足), (0,0zyxjipiji

28、i上式表明，自由表面上法向應(yīng)力分量在數(shù)值上等于氣體的壓力，而剪應(yīng)力分量為零（三）關(guān)于重力項(xiàng)的處理XxpYypZzp歐拉平衡微分方程xpXs1ypYs1zpZs1ps：流體的靜壓力靜止流體不可壓縮流體的奈維-斯托克斯方程：)()(1)()(1)()(1222222222222222222zuyuxuzppDuDuzuyuxuyppDuDuzuyuxuxppDuDuzzzszyyysyxxxsxsdppp令流體的動(dòng)力壓力，簡(jiǎn)稱動(dòng)壓力，是流體流動(dòng)所需要的壓力封閉管道中流體流動(dòng))(1)(1)(1222222222222222222zuyuxuzpDDuzuyuxuypDDuzuyuxuxpDDuzzz

29、dzyyydyxxxdx將以上三式寫成向量形式，為uvpDuDd21 不可壓縮流體的奈維-斯托克斯方程)(1)(1)(1222222222222222222zuyuxuzpDDuzuyuxuypDDuzuyuxuxpDDuzzzdzyyydyxxxdx 不可壓縮流體的奈維-斯托克斯方程不可壓縮流體的連續(xù)性方程？第三章第三章 運(yùn)動(dòng)方程的運(yùn)用運(yùn)動(dòng)方程的運(yùn)用第一節(jié)第一節(jié) 阻力系數(shù)阻力系數(shù)（一）繞流流動(dòng)與曳力系數(shù)AuCFDd220曳力：曳力：dF220uADC流體對(duì)物體施加的總曳力遠(yuǎn)離物體表面的流體速度物體表面的受力面積曳力系數(shù)（二）管內(nèi)流動(dòng)與范寧摩擦系數(shù)22bufsfsbu流體的平均流速圓管壁面處的

30、剪應(yīng)力范寧摩擦因數(shù)第二節(jié) 平壁間與平壁面上的穩(wěn)態(tài)層流一、平壁間的軸向平行層流 應(yīng)用場(chǎng)合：板式熱交換器，各種平板式膜分離裝置等； 特點(diǎn)：平壁無(wú)限寬，忽略平壁寬度方向流動(dòng)的變化，可認(rèn)為是一維流動(dòng)；0zyuu一維流動(dòng)：不可壓縮流體：0 xux平壁無(wú)限寬：0zux連續(xù)性方程y方向奈維-斯托克斯方程：gypz方向奈維-斯托克斯方程：0zp22yuxpxx方向奈維-斯托克斯方程：)(1)(1)(1222222222222222222zuyuxuzZDDuzuyuxuyYDDuzuyuxuxXDDuzzzzyyyyxxxx 平壁間不可壓縮不可壓縮流體作穩(wěn)態(tài)層流穩(wěn)態(tài)層流的速度分布20221yyxpux 忽略流

31、道進(jìn)、出口處的影響，流體速度分布呈拋物線形狀 最大流速（umax）y = 0時(shí)2max021yxpu ux與umax之間的關(guān)系：20max1yyuux “-” ？雷諾試驗(yàn) 主體流速ub與umax之間的關(guān)系：max32uub重要重要 流動(dòng)阻力：203yuLpxpLpbf例3-1 10攝氏度的水以4m3/h的流率流過以寬1m，高0.1m的矩形水平管道。假定流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展，流動(dòng)為一維，試求截面上的速度分布及通過每米長(zhǎng)管道的壓力降。 已知10攝氏度水的粘度為1.307mN*s/m2 解：主體流速smub/011. 0)3600)(1 . 0)(1 (4為了判斷此情況下流體的流型，需計(jì)算Re，流道為矩

32、形，故Re中的幾何尺寸應(yīng)采用當(dāng)量直接de替代，de的值為mde182.0) 1 .01)(2() 1 .0)(1)(4(154610*307. 1)1000)(01111. 0)(182. 0(Re3beud故流動(dòng)為層流，可采用式（3-24）確定速度分布方程，即)0025.0(66.6)05.0(1)0111.0)(23()1 (23)1 (222202202maxyyyyuyyuubx每米長(zhǎng)管道的壓力降可利用（3-30）求算為)*/(0174. 0)05. 0()0111. 0)(10*307. 1)(3(322320mmNyuxppbf二、平壁面上的降落液膜流動(dòng) 應(yīng)用場(chǎng)合：膜狀冷凝，濕壁塔

33、吸收等； 特點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)層流，一維流動(dòng)；一側(cè)緊貼壁面，另一側(cè)為自由表面； 不可壓縮不可壓縮流體在流體在液膜內(nèi)液膜內(nèi)速度分布方程：速度分布方程：222xguy 主體流速：主體流速：32gub 液膜厚度：液膜厚度：2/13gub重要重要例3-2 某流體的運(yùn)動(dòng)粘度為2*10-4m2/s，密度為800kg/m3，欲使該流體沿寬為1m的垂直平壁下降的液膜厚度達(dá)到2.5mm，則液膜下降的質(zhì)量流率應(yīng)為多少？解：由式（3-37），得smvgpgub/102. 0)10*2)(3()0025. 0)(81. 9(334222因此，單位寬度的質(zhì)量流量為skguwb/204. 010025. 0800102. 0) 1

34、 (上述計(jì)算結(jié)果僅當(dāng)液膜內(nèi)流動(dòng)為層流時(shí)才是正確的，因此，需要驗(yàn)算流動(dòng)的Re數(shù)。當(dāng)量直徑41144Herd故1 . 5)102)(800()204. 0)(4(4Re4bu由此可知，流動(dòng)確為層流，上述計(jì)算結(jié)果是正確的。第三節(jié) 圓管中的軸向穩(wěn)態(tài)層流 不可壓縮不可壓縮流體在流體在水平圓管水平圓管中作中作穩(wěn)態(tài)層流穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)流動(dòng) 速度分布方程：2241rrdzdpuidz 最大流速：2max41idrdzdpu 主體流速：max21uub重要重要 流動(dòng)阻力：28ibdfrudzdpLp 范寧摩擦系數(shù)f：464Re22bsuf摩擦系數(shù)= 64/Re重要重要2241rrdzdpuidz 圓管壁面處的剪應(yīng)力

35、：ibrrzsrudrdui4例3-3 毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)量流體粘度的原理是使被測(cè)流體在一細(xì)長(zhǎng)的圓管（毛細(xì)管）中作穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng)，測(cè)定流體流過整個(gè)圓管的壓力降，從而求出流體的粘度。已知甘油在299.6K下流過長(zhǎng)度為0.3048m，內(nèi)徑為0.00254m的水平圓管。在體積流率為1.878*10-6m3/s時(shí)，測(cè)得壓降為2.76*105pa。在299.6K時(shí)甘油的密度為1261kg/m3。試求甘油的粘度？解：由式（3-51）得Luprbfi8mri00127. 0200254. 0式中papf51076. 2smdVuSb/371. 000254. 010878. 144262 L = 0.3048 m

36、將以上各值代入上式中，得sPa 492.03048.0371.081076.200127.052校核流動(dòng)的雷諾數(shù)41. 2492. 01261371. 000254. 0Rebdu因此流動(dòng)為層流，計(jì)算是正確的。粘性力壓力質(zhì)量力慣性力upfDuDB21奈維-斯托克斯方程 Case 1：粘性力 慣性力，則可忽略慣性力爬流（蠕動(dòng)流）：流速非常低的流動(dòng)e.g. 細(xì)粒子在流體中的自由沉降、氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)以及某些潤(rùn)滑問題雷諾數(shù)粘性力慣性力duRe Case 2：慣性力 粘性力，則可忽略粘性力勢(shì)流：理想流體的無(wú)旋流動(dòng)e.g. 流體繞過沉浸物體流動(dòng)Re 0，壓力沿流動(dòng)方向遞增，而流速遞減。此區(qū)域稱為逆壓區(qū)。

37、 發(fā)生場(chǎng)合：流體流經(jīng)管件、閥門、管路突然擴(kuò)大與突然縮小以及管路的進(jìn)出口等局部地方；當(dāng)流體繞過物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在什么情況下會(huì)出現(xiàn)”逆壓力梯度”？存在壓力梯度的條件下，是否一定會(huì)發(fā)生邊界層分離，為什么？P93-94第二節(jié)第二節(jié) 普蘭德邊界層方程普蘭德邊界層方程一、平板層流邊界層微分方程普蘭德邊界層方程：不可壓縮流體的Navier-Stokes方程，利用量級(jí)分析進(jìn)行簡(jiǎn)化。ux = O (1), x = O (1), y = O () e.gO (1) 是 O () 的103倍xux將 寫成差分形式，即xuxxux 111oooxuxyux 11oooyuyuxx?vxuxux00Re量級(jí)？)()1 ()

38、1 (20OOOvxu解：21ReOx2/1Re1xORex愈大，邊界層厚度越愈小！題：普蘭德邊界層方程求解（精確解） ： 引入流函數(shù)代替ux和uy 引入一無(wú)因次的位置變量(x,y)代替位置x和yyuxxuyvxuyyx0,無(wú)因次流函數(shù) f() vxuf0or fvxu0P82 表4-1：、f、f、f重要對(duì)于給定的位置（x,y）fuyux0ffxvuxuy021 解題思路：vxuyyx0,（無(wú)因次流函數(shù)f()及其導(dǎo)數(shù)表）查表 （P82）求出ux，uy找出對(duì)應(yīng)的f 和 fdxbFLsxd030664.0LubFd2/1Re328. 1LDC2/1Re0 . 5xx2/120Re33206.0 x

39、sxu 平板壁上層流邊界層厚度： 局部壁面剪應(yīng)力：0220yyxsxyyu 流體流過長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b的平板壁面，總曳力：【例4-1】 25oC的空氣在常壓下以6 m/s 的速度流過一薄平板壁面。試求距平板前緣0.15 m處的邊界層厚度 ，并計(jì)算該處y方向上距壁面1 mm處的 、 及 yuxuxu在 y方向上的速度梯度 值。yux已知空氣的運(yùn)動(dòng)粘度為1. 55 密度為 。,1025sm3185. 1mkg解：首先計(jì)算距平板前緣0.15 m處的雷諾數(shù)，確定流型 45010806. 51055. 115. 06Revxux5105流動(dòng)在層流邊界層范圍之內(nèi)。（1） 計(jì)算邊界層厚度 mmmxx11.

40、31011. 310806. 515. 05Re5321421（2） 計(jì)算 y方向上距壁面 1 mm 處的 、 及xuyuyux已知 x =0.15 m , y =0.001 m , 由式（4-15）得606. 115. 01055. 16001. 050vxuy查表4-1 ，當(dāng) 時(shí)6 . 1420. 0f516. 0 f296. 0 f由式（4-25） 得由式（4-26） 得 smfuux096. 3516. 060ffxvuuy021u0 = 6m/sx = 0.15 my = 1 mm 420. 0516. 0606. 115. 01055. 16215smuy00499. 0再由式 （

41、4-19） 可得 2296. 015. 01055. 166 sfvxuuyyux好小呀!二、平板層流邊界層積分動(dòng)量方程卡門：邊界層進(jìn)行微分動(dòng)量衡算，用ux（y）近似代替真實(shí)速度ux（x，y） 平板層流邊界層積分動(dòng)量方程：sxxdyuuudxd00若已知ux = ux(y)，代入方程左側(cè)積分，右側(cè)微分，得到邊界層厚度等 邊界層內(nèi)速度側(cè)形的確定：niiixyau01. 線性多項(xiàng)式y(tǒng)aaux10兩個(gè)邊界條件： 0,20, 01uuyuyxxyuux02. 二次多項(xiàng)式202yyuux3. 三次多項(xiàng)式4. 四次多項(xiàng)式302123yyuux43022yyyuux重要？平板層流邊

42、界層積分動(dòng)量方程近似解21Re64. 4xx2120Re323. 0 xsxu30646. 0LubFd21Re292. 1LDC2/1Re0 . 5xx2/120Re33206. 0usx30664.0LubFd2/1Re328. 1LDC平板層流邊界層積分動(dòng)量方程精確解 【例 4-2】 常壓下溫度為20 的空氣以5 的流速流過一塊寬1 m的平板壁面。試計(jì)算距平板前緣0.5 m 處的邊界層厚度的質(zhì)量流率，并計(jì)算這一段平板壁面的曳力系數(shù)和承受的摩擦曳力。設(shè)臨界雷諾數(shù) 。 解：由有關(guān)數(shù)據(jù)表中查處空氣在1 和20 下的物性值為 計(jì)算 的雷諾數(shù) 故距平板前緣0.5 m處的邊界層為層流邊界層。 （1）

43、求邊界層厚度 由式（4-52）得Csm5105RecxatmC325205. 1,1081. 1mkgmsNmx5 . 0 cxxxuRe10664. 11081. 1205. 155 . 0Re550mxx00569. 010664. 15 . 064. 4Re64. 421521 （2）求算進(jìn)入邊界層的質(zhì)量流率x 在任意位置 x 處，進(jìn)入邊界層的質(zhì)量流率x可根據(jù)下試求出式中，b為平板的寬度；ux為距平板垂直距離y處空氣的流速，層流邊界層內(nèi)的速度分布可采用式（4-46a）表示將式（2）代入式（1）積分0bdyuxx302123yyuuxbubdyyyubdyuxx00300852123= 0

44、.0214 kg/s（3）求算曳力系數(shù)及曳力 00317.0Re292.121LDCNLubFd0238. 0646. 030 臨界距離（xc）： 由層流邊界層開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟吔鐚拥木嚯x； 臨界雷諾數(shù)Rexc0Reuxcxc對(duì)于光滑的平板壁面，邊界層由層流開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯腞exc是：5105Recx0Rexux邊界層：21Re64. 4xx30646. 0LubFd21Re292. 1LDC302123yyuux平板層流邊界層積分動(dòng)量方程近似解 ux與y之間的關(guān)系式 層流邊界層計(jì)算公式： 阻力計(jì)算公式： 阻力系數(shù)計(jì)算公式：AuCFDd2200ReLuL其中：dyduxxbdyuwx0第五章第五

45、章 湍流湍流 概念 湍流（特點(diǎn)、起因及表征）； 瞬時(shí)量、脈動(dòng)量和時(shí)均量； 普蘭德混合長(zhǎng)； 光滑管和粗糙管（水力光滑、半粗糙和完全粗糙）； 計(jì)算 通用速度分布方程（計(jì)算層流內(nèi)層、緩沖層、湍流邊界層內(nèi)的速度分布和各層厚度）； 光滑管和粗糙管的阻力計(jì)算； 平板壁面湍流邊界層的近似計(jì)算第一節(jié)第一節(jié) 湍流的特點(diǎn)、起因及表征湍流的特點(diǎn)、起因及表征一、湍流的特點(diǎn)一、湍流的特點(diǎn) 質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)； 湍流流動(dòng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流流動(dòng)阻力； 質(zhì)點(diǎn)高頻脈動(dòng)和混合，使在流動(dòng)垂直的方向上，流體速度分布較層流均勻；二、湍流的起因（必要條件）二、湍流的起因（必要條件） 漩渦形成后脫離原來(lái)的流層或流束進(jìn)入臨近的流層或流束； 漩渦的形成

46、； 流體的粘性、流層的波動(dòng)、邊界層的分離、流體流過某些尖緣處； 茹科夫斯基升力、慣性力、形體阻力和摩擦阻力； 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改觀，產(chǎn)生漩渦的交換；形成湍流。重要三、湍流的表征三、湍流的表征（一）時(shí)均量和脈動(dòng)量 時(shí)均速度u 脈動(dòng)速度uuuu 總速度（二）湍流強(qiáng)度速度的平均值，穩(wěn)態(tài)湍流指時(shí)均值不隨時(shí)間變化因脈動(dòng)高于或低于時(shí)均速度的部分湍流流動(dòng)三維表示，一維湍流指時(shí)均速值僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向變化。其他兩個(gè)方向的脈動(dòng)速度仍然存在。xxxuuue.gyyuuzzuuxxuuI2I??？I大？第二節(jié)第二節(jié) 湍流時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程湍流時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程 不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)層流流動(dòng)湍流流動(dòng)0zuyuxuzyx0zuyuxuzyx

47、 連續(xù)性方程zxzxyxyxxxxxzxyxxuuzuuyuxXzuuyuuxuu2zyxXzuuyuuxuuzxyxxxxzxyxx層流流動(dòng)湍流流動(dòng) 運(yùn)動(dòng)方程rxxryxrzx雷諾應(yīng)力第三節(jié)第三節(jié) 湍流的半經(jīng)驗(yàn)理論湍流的半經(jīng)驗(yàn)理論 普蘭德混合長(zhǎng)理論湍流流動(dòng)中，流體團(tuán)的脈動(dòng)與分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)相似，即在一定距離 內(nèi)，脈動(dòng)的流體團(tuán)將不和其他流體團(tuán)相碰因而保持自己的動(dòng)量不變。只是在走了 的距離后才和那里的流體團(tuán)摻混，改變了自己的動(dòng)量， 稱為普蘭德混合長(zhǎng)。lll22dyudlxryx 雷諾應(yīng)力與時(shí)均速度之間的關(guān)系式l基本上與流速無(wú)關(guān)，有長(zhǎng)度的因次第四節(jié)第四節(jié) 圓管中的湍流圓管中的湍流一、光滑圓管湍流時(shí)的

48、通用速度分布方程（1）層流內(nèi)層 (0y+5) yu（2）緩沖層 (5y+30)05. 3ln0 . 5yu（3）湍流主體 (y+30)5 . 5ln5 . 2yu式中，u+和y+ 為無(wú)因次速度和無(wú)因次距離*uuu su *yyy svuvy*5uvbbmuv*30mbicr二、光滑圓管中的速度與流動(dòng)阻力 與范寧摩擦系數(shù)f相連2*fuub 摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式布拉修斯：4/1Re079. 0f53101Re1034/1Re046. 0f53102Re10532. 0Re125. 000140. 0f63103Re103Re f u* y* y+ （通用速度方程） u+ u2*fuubsvuvy*

49、解題思路：*yyy*uuu 各層邊界層厚度（各層邊界層公式）三、粗糙管中的速度分布與流動(dòng)阻力絕對(duì)粗糙度：指壁面凸出部分的平均高度，以e表示；相對(duì)粗糙度：指絕對(duì)粗糙度與管徑的比值，以e/d表示；（1）水力光滑管Re, 50*ffveu 粗糙度對(duì)層流和過渡區(qū)幾乎沒有影響，可不必區(qū)分光滑管和粗糙管；圓管內(nèi)流體流動(dòng)為湍流時(shí)，粗糙度會(huì)嚴(yán)重影響阻力系數(shù)的數(shù)值；與粗糙度無(wú)關(guān)?。?）過渡型圓管deffveuRe,705*（3）完全粗糙管既與Re，又和相對(duì)粗糙度相關(guān)！deffveu,70*只與相對(duì)粗糙度相關(guān)！第五節(jié)第五節(jié) 平板壁面上湍流邊界層的近似解平板壁面上湍流邊界層的近似解邊界層積分動(dòng)量方程 + 布拉修斯的

50、1/7次方定律7/10yuux5/1Re376. 0 xx5/1Re0736. 0LDC5/45/ 15/45/900368. 0LuFdReview第一章 傳遞過程概論 基本概念 流體；密度和比體積；流速與流率；粘度與運(yùn)動(dòng)粘度；雷諾數(shù)； 不可壓縮流體；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；牛頓型流體；理想流體； 動(dòng)量、熱量及質(zhì)量通量的普遍表達(dá)式；第二章 連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)方程 隨體導(dǎo)數(shù)；微分質(zhì)量衡算方程； 基本概念 不可壓縮流體的連續(xù)性方程； 計(jì)算公式第三章 運(yùn)動(dòng)方程的應(yīng)用 基本概念 爬流及勢(shì)流； 計(jì)算公式 阻力及阻力系數(shù)；平板及圓管（充分發(fā)展流段）的速度分布及流動(dòng)阻力；第四章 邊界層流動(dòng)（層流） 基本概念 邊界層定義、

51、形成與發(fā)展；邊界層厚度；邊界層分離； 計(jì)算公式 臨界距離；臨界雷諾數(shù)；邊界層厚度；速度分布；流動(dòng)阻力；第五章 湍流 基本概念 湍流特點(diǎn)、起因及表征；粗糙管與流動(dòng)阻力； 計(jì)算公式 邊界層厚度；速度分布；流動(dòng)阻力； 基本概念 密度和比體積： 流速與流率：3/mkgVMkgmMVv/31vsmuuuubx/,0smVs/3skgws/AVusbdybuVxs0Awusbdybuwxs0主體流動(dòng)速度：邊界層內(nèi)流率： 流體：氣體和液體統(tǒng)稱為流體 粘度與運(yùn)動(dòng)粘度： 雷諾數(shù)2msNsPasm2LxxcRe,Re,ReRe,粘性力慣性力duRe物理意義：平板上：00Rexuxux臨界雷諾數(shù)：00Reuxuxc

52、cxc5105Recx平板長(zhǎng)L：00ReLuLuL 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：當(dāng)流體流過任一截面時(shí)，流速等有關(guān)的物理量不隨時(shí)間而變化 不可壓縮流體：密度不隨空間位置和時(shí)間變化的流體常數(shù) 理想流體；完全沒有粘性的流體0 牛頓型流體；遵循牛頓粘性定律 的流體dydux 通量的普遍表達(dá)式：（通量）= （擴(kuò)散系數(shù)）x （濃度梯度） 隨體導(dǎo)數(shù) 微分質(zhì)量衡算方程（流出質(zhì)量流率）（流出質(zhì)量流率）- -（流入質(zhì)量流率）（流入質(zhì)量流率）+ +（累積質(zhì)量流率）（累積質(zhì)量流率）= 0= 0對(duì)流項(xiàng)局部項(xiàng)zuyuxuDDzyx 爬流及勢(shì)流； 爬流：流速非常低的流動(dòng) （粘性力 慣性力），可忽略慣性力Re 0，壓力沿流動(dòng)方向遞增，而流速遞

53、減。此區(qū)域稱為逆壓區(qū)。 湍流的特點(diǎn)湍流的特點(diǎn) 質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)； 湍流流動(dòng)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層流流動(dòng)阻力； 質(zhì)點(diǎn)高頻脈動(dòng)和混合，使在流動(dòng)垂直的方向上，流體速度分布較層流均勻； 湍流的起因（必要條件）湍流的起因（必要條件） 漩渦形成后脫離原來(lái)的流層或流束進(jìn)入臨近的流層或流束； 漩渦的形成； 流體的粘性、流層的波動(dòng)、邊界層的分離、流體流過某些尖緣處； 茹科夫斯基升力、慣性力、形體阻力和摩擦阻力； 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改觀，產(chǎn)生漩渦的交換；形成湍流。 湍流的表征（時(shí)均速度、脈動(dòng)速度、總速度）湍流的表征（時(shí)均速度、脈動(dòng)速度、總速度）uuu 管中流動(dòng)阻力管中流動(dòng)阻力 層流區(qū)：粗糙管與光滑管中的阻力系數(shù)相同； 過渡區(qū)：幾乎也和

54、相對(duì)粗糙度（e/d）無(wú)關(guān)； 湍流區(qū)：視管內(nèi)粗糙度而定；（1）水力光滑管與粗糙度無(wú)關(guān)！（2）過渡型圓管（3）完全粗糙管既與Re，又和相對(duì)粗糙度相關(guān)！只與相對(duì)粗糙度相關(guān)！ 計(jì)算公式 不可壓縮流體的連續(xù)性方程0zuyuxuzyx 阻力21Re292. 1LDC平板壁面上層流邊界層：203yuLpxpLpbf平板壁面（充分發(fā)展流段）流動(dòng)阻力：28ibdfrudzdpLp圓管（充分發(fā)展流段）流動(dòng)阻力：AuCFDd220 速度分布：平板壁面（層流邊界層）：平板壁面（湍流邊界層）：平板壁面（充分發(fā)展流段）：圓管（充分發(fā)展流段）：max32uub20max1yyuuxmax21uub2max1ixrruu30

55、2123yyuux7/10yuux21Re64. 4xx 邊界層厚度層流：5/1Re376. 0 xx湍流： 考題： 選擇題（1分）1. 若對(duì)一長(zhǎng)度超過臨界長(zhǎng)度的平板，采用湍流阻力系數(shù)計(jì)算該板所受的摩擦阻力，則結(jié)果A. 合理 B. 不合理 C. 偏大 D. 偏小 2. 下面哪個(gè)因素與湍流的起因無(wú)關(guān)？A. 不穩(wěn)定流動(dòng) B. 粘性流體 C. 漩渦的形成 D. 漩渦脫離原來(lái)流層 3. 本書所介紹的速度邊界層厚度的定義為？%?0uuyxA. 90 B. 100 C. 99 D. 80 4. 在完全粗糙狀態(tài)下，阻力系數(shù)與什么因素有關(guān)？A. 相對(duì)粗糙度 B. 粗糙度和雷諾數(shù) C. 雷諾數(shù) D. 相對(duì)粗糙度

56、和雷諾數(shù) 5. 空氣已速度u0分別沿平板的長(zhǎng)度方向和寬度方向（長(zhǎng)是寬的3倍）層流流動(dòng)，在此情況平板所受到的摩擦阻力是？A. 不變的 B. 前者是后者情況的3倍 C. 前者小于后者 D. 前者大于后者 6. 爬流的條件？A. Re 2100B. Re 1 D. Re 17. 沿管一維穩(wěn)定湍流流動(dòng)時(shí)，存在著脈動(dòng)速度的最完整答案是？A. 徑向、繞軸B. 軸向、繞軸 C. 徑向、軸向、繞軸 D. 繞軸、軸向8. 在什么流型下管壁的粗糙度對(duì)速度分布可能有影響？A. 層流B. 湍流 C. 自由流 D. 爬流9. 一流體以u(píng)0沿板層流流動(dòng)，已知層流時(shí)的摩擦阻力系數(shù)為 f=1.328Re-1/2，當(dāng)流速增為2

57、u0時(shí)（仍為層流），阻力增為原來(lái)的幾倍？A. 2.83B. 2 C. 4 D. 2.3810. 分子導(dǎo)熱之所以發(fā)生是由于體系內(nèi)部存在著？A. 動(dòng)量梯度B. 濃度梯度 C. 溫度梯度 D. 速度梯度 填空題 （每題1分）1. 所謂牛頓型流體，其條件是指2. 的物理意義0u3. 是 方程0zuz4. 在水力光滑區(qū)中，湍流中心的速度分布不受 的影響，粗糙管與光滑管所受阻力 名詞解釋 （每題3分）1. 時(shí)均速度（用脈動(dòng)速度和瞬時(shí)速度來(lái)表示）2. 分子傳遞 簡(jiǎn)答題 （每題6分）1. 有效直徑和質(zhì)量都相同的流線型物體和圓球，在粘性很大的流體中緩慢下落，試討論哪個(gè)物體先落地，您的依據(jù)是什么？ 計(jì)算題 （每題

58、10分）1. 流體（=0.01 Ns/，=1000 kg/m3）以2m/s速度在平板壁面上流動(dòng)。假定臨界雷諾數(shù)為：Rexc=5x105，壁面上所受曳力：bLuCFDd202試計(jì)算（1）距平板前緣0.08m處邊界層厚度；（2）若平板壁面的寬度為0.5m，長(zhǎng)度0.08m，求平板壁面上所受曳力；第二篇第二篇 熱熱 量量 傳傳 遞遞第六章第六章 熱量傳遞概論與能量方程熱量傳遞概論與能量方程第一節(jié)第一節(jié) 熱量傳遞的基本方式熱量傳遞的基本方式一、熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo) 定義：熱量依靠物體內(nèi)部粒子的微觀運(yùn)動(dòng)而不依靠宏觀混合運(yùn)動(dòng)從物體中的高溫區(qū)向低溫區(qū)移動(dòng)的過程稱為熱傳導(dǎo)，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。 氣體導(dǎo)熱：氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)

59、動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果； 液體導(dǎo)熱：導(dǎo)熱機(jī)理與氣體類似； 固體導(dǎo)熱：自由電子的遷移和晶格振動(dòng)； 傅立葉定律ntkAq二、對(duì)流傳熱二、對(duì)流傳熱 定義：由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程，因而對(duì)流傳熱只能發(fā)生在有流體流動(dòng)的場(chǎng)合。 強(qiáng)制對(duì)流：將外力（泵或攪拌器）施加于流體上，從而促使流體微團(tuán)發(fā)生運(yùn)動(dòng)； 自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差而形成流體的密度差，從而使流體微團(tuán)在固體壁面與其附近流體之間產(chǎn)生上下方向的循環(huán)運(yùn)動(dòng)； 牛頓冷卻定律thAqq對(duì)流傳熱速率A與傳熱方向垂直的傳熱面積t固體壁面與流體主體之間的溫度差h對(duì)流傳熱系數(shù)，或稱膜系數(shù)重點(diǎn)kmsJ2WsJ三、輻射傳熱三、輻射傳熱 定義：

60、由于溫度差而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳熱過程稱為輻射傳熱，簡(jiǎn)稱熱輻射。 無(wú)需任何介質(zhì)； 以電磁波的形式向空間傳播；地板采暖示意圖BBQ以什么方式進(jìn)行熱傳遞？考題：在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)處于上風(fēng)處的油罐也發(fā)生了爆炸，其主要原因可能是A 熱傳導(dǎo)B 熱對(duì)流C 熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的聯(lián)合作用D 熱輻射 選擇題 名詞解釋氣體導(dǎo)熱第二節(jié)第二節(jié) 能量方程能量方程一、微分能量衡算方程熱力學(xué)第一定律：系統(tǒng)總能量的變化等于系統(tǒng)所吸收的熱與環(huán)境所作的功之差。WQUgzu22拉格朗日方法：dxdydzDWDdxdydzDQDdxdydzDDUkgJ /（一）對(duì)流體微元加入的熱速率 x方向輸入流體微元的熱速率：dxdydzxtkdxdydz