1流體與流體中的傳遞現(xiàn)象四川大學(xué)化工原理ppt課件

1、第一章流體與流體中的傳遞現(xiàn)象 特征在航空、航天、航海，石油、化工、能源、環(huán)境、資料、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域，尤其是化工、石油、制藥、生物、食品、輕工、材料等許多生產(chǎn)領(lǐng)域以及環(huán)境保護(hù)和市政工程等，涉及的對(duì)象多為流體?！傲鞒坦I(yè)”在流動(dòng)之中對(duì)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(guò)程裝備 物質(zhì)的三種常規(guī)聚集狀態(tài)：固體、液體和氣體物質(zhì)外在宏觀性質(zhì)由物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和分子間力所決定分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)和相互碰撞給分子以動(dòng)能使之趨于飛散 分子間相互作用力的約束 以勢(shì)能的作用使之趨于團(tuán)聚 兩種力的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果決定了物質(zhì)的外在宏觀性質(zhì)。而這兩種力的大小與分子間距有很大關(guān)系。約為110-8 cm分子尺度的量級(jí)），分

2、子間相互作用勢(shì)能出現(xiàn)一個(gè)極值稱為“勢(shì)阱”，即分子的結(jié)合能，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子平均動(dòng)能。分子力占主導(dǎo)地位，分子呈固定排列分子熱運(yùn)動(dòng)僅呈現(xiàn)為平衡位置附近的振蕩。有一定形狀且不易變形。分子間距液體：分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與分子間相互作用勢(shì)能的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)均力敵。分子間距比固體稍大1/3左右。不可壓縮、易流動(dòng)。氣體：分子間距約為3.310-7cm為分子尺度的10倍）。分子平均動(dòng)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子間相互作用勢(shì)能，分子近似作自由的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。有易流動(dòng)、可壓縮的宏觀性質(zhì)。超臨界流體、等離子體流體固體VmVVlim0V0：流體質(zhì)點(diǎn)或微團(tuán)。尺度遠(yuǎn)小于液體所在空間的特征尺度，而又遠(yuǎn)大于分子平均自由程 連續(xù)介質(zhì)假定：流體微團(tuán)連續(xù)布滿整

3、個(gè)流體空間，從而流體的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)成為空間連續(xù)函數(shù) 流體是由離散的分子構(gòu)成的，對(duì)其物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的表征是基于大量分子統(tǒng)計(jì)平均的宏觀物理量 平均質(zhì)量注：該假定對(duì)絕大多數(shù)流體都適用。但是當(dāng)流動(dòng)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(dòng)，連續(xù)介質(zhì)假定受到限制。 場(chǎng)力或體積力質(zhì)量力）：非接觸力，大小與流體的質(zhì)量成正比，例如：重力，離心力，電磁力等 表面力：接觸力，大小與和流體相接觸的物體包括流體本身的表面或假想表面積成正比，例如：壓強(qiáng)和應(yīng)力 aaFVm處于重力場(chǎng)中的流體， 無(wú)論運(yùn)動(dòng)與否都受到力的作用。連續(xù)介質(zhì)的受力服從牛頓定律。重力場(chǎng)重力加速度離心力場(chǎng)離心加速度 壓強(qiáng)被視

4、為外部作用力包括流體柱自身的重力在流體中的傳播，其方向始終與作用面相垂直；無(wú)論流體運(yùn)動(dòng)與否，壓強(qiáng)始終存在，靜止流體中的壓強(qiáng)稱為靜壓強(qiáng)。在流體空間的任一點(diǎn)處，靜壓強(qiáng)數(shù)值相等地作用在各個(gè)方向。 真空度表壓大氣壓強(qiáng)真實(shí)壓強(qiáng)正應(yīng)力：與壓縮或擴(kuò)張形變相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，方向與作用面相垂直。剪應(yīng)力：與剪切形變相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，方向與作用面相平行。 表面張力：存在于不同流體的相鄰界面，使液體表面具有收縮的趨勢(shì)。其大小用表面張力系數(shù) 來(lái)表示，其單位為N/m。其大小對(duì)于流體的分散和多相流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)有重要影響。用壓力計(jì)manometer測(cè)定壓強(qiáng) 當(dāng)真實(shí)壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)時(shí)稱為表壓、當(dāng)真實(shí)壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)時(shí)稱為真空度。 流體

5、受力會(huì)產(chǎn)生形變 單組分與多組分 （single and multicomponent）單相流與多相流 （ single and multiphase ）單組分體系只含有一種物質(zhì)，組成均勻且無(wú)化學(xué)反應(yīng) 。例：純水、氧氣、氮?dú)獾?，空氣有時(shí)也被視作單組分體系。多組分體系中各物質(zhì)有濃度變化及由此引起的體系性質(zhì)改變。 單相流體系：體系所含的物質(zhì)只有一種相態(tài)，其主要特征是體系內(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)，其主要特征是體系內(nèi)存在氣(汽)-液、氣-固或液-固、液-液相界面，且界面上的傳遞速率對(duì)體系的性質(zhì)具有重要影響。三維、二維與一維體

6、系 非穩(wěn)態(tài)與穩(wěn)態(tài)Steady and unsteady）按流動(dòng)參數(shù)隨空間坐標(biāo)變化的特征來(lái)區(qū)分流動(dòng)體系。嚴(yán)格說(shuō)流體流動(dòng)都是在三維空間中進(jìn)行，因此流動(dòng)參數(shù)濃度、密度、溫度、速度、壓力、）都是三維空間座標(biāo)的連續(xù)函數(shù)。 T = f(x,y,z) 三維 (three-dimensional，3D)可根據(jù)體系的流動(dòng)特征將其簡(jiǎn)化為 T = f(x,y) 二維 (two-dimensional，2D)T = f(x) 一維 (one-dimensional)非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間而變化， T = f(x,y,z,t)；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化， T = f(x,y,z) 。 雷諾實(shí)驗(yàn)層流：流體質(zhì)點(diǎn)很

7、有秩序地分層順著軸線平行流動(dòng)，不產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀混合。湍流：流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸線方向流動(dòng)的同時(shí)還有任意方向上的湍動(dòng)，因此空間任意點(diǎn)上的速度都是不穩(wěn)定的，大小和方向不斷改變。 uut湍流流體的流速波形反映了湍動(dòng)的強(qiáng)弱與頻率，同時(shí)也說(shuō)明宏觀上仍然有一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)間平均值。其它參數(shù)如溫度、壓強(qiáng)等也有類似性質(zhì)。 湍流的特點(diǎn)對(duì)直管內(nèi)的流動(dòng)而言：duRe 雷諾準(zhǔn)數(shù)的定義流型的判別黏性力動(dòng)力duu2Re 2000 穩(wěn)定的層流區(qū) 2000 Re 4000 湍流區(qū) 流體流動(dòng)受固體壁面影響能感受到固體壁面存在的區(qū)域內(nèi)摩擦：一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內(nèi)摩擦影響而產(chǎn)生速度梯度的區(qū)域（）u=0.

8、99u0邊界層發(fā)展：邊界層厚度 隨流動(dòng)距離增加而增加流動(dòng)充分發(fā)展：邊界層不再改變，管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)也維持不變充分發(fā)展的管內(nèi)流型屬層流還是湍流取決于匯合點(diǎn)處邊界層內(nèi)的流動(dòng)屬層流還是湍流 Xouod進(jìn)口段圓管入口處的流動(dòng)邊界層發(fā)展 平板上的流動(dòng)邊界層發(fā)展 留意：層流邊界層和層流內(nèi)層的區(qū)別層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層邊界層界限u0u0u0 xy層流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為層流湍流邊界層：邊界層內(nèi)的流動(dòng)類型為湍流層流內(nèi)層：邊界層內(nèi)近壁面處一薄層，無(wú)論邊界層內(nèi)的流型為層流或湍流，其流動(dòng)類型均為層流倒流 分離點(diǎn)u0 D ACCBxAB：流道縮小，順壓強(qiáng)梯度，加速減壓BC：流道增加，逆壓強(qiáng)梯度，減速增壓CC

9、以上：分離的邊界層CC以下：在逆壓強(qiáng)梯度的推動(dòng)下形成倒流，產(chǎn)生大量旋渦流體流過(guò)管束流體流過(guò)管束熱力學(xué)第二定律指出，所有系統(tǒng)由非平衡態(tài)向平衡態(tài)轉(zhuǎn)化是熵增大的自發(fā)過(guò)程，例如：熱流從高溫處流向低溫處水流從高位處流向低位處電流由高電位流向低電位現(xiàn)象方程Phenomenological equation）： 擴(kuò)散通量擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散推動(dòng)力 傳輸阻力傳輸推動(dòng)力傳輸速率 lUAIdddddI/dA 電流通量，微分時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)微元面積的電流量dU/dl 電位梯度，微元長(zhǎng)度上電流流動(dòng)的推動(dòng)力 電導(dǎo)率，電阻率的倒數(shù) 單組分氣體、一維、等溫層流流動(dòng)體系中的動(dòng)量擴(kuò)散現(xiàn)象 層流流體中由速度梯度推動(dòng)的擴(kuò)散稱為分子動(dòng)量擴(kuò)散

10、um動(dòng)量yuxdd速度梯度)(yux速度分布動(dòng)量為一矢量，其方向就是流速的方向，一維流動(dòng)情況下可定為 x 軸的正向。而動(dòng)量擴(kuò)散的方向，則由速度梯度決定、并且指向速度降低的方向。 yux, T, Aux(y), T(y), A(y)ounMuxrx宏觀上，分子數(shù)密度為 n 、分子量為 Mr 的氣體的動(dòng)量濃度(即單位體積流體具有的動(dòng)量)為根據(jù)分子動(dòng)理學(xué)原理在氣體密度均勻的條件下，動(dòng)量濃度 ux 僅取決于流體所在位置處的宏觀流速 ux(y)流動(dòng)氣體分子的運(yùn)動(dòng)流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，ux迭加在宏觀運(yùn)動(dòng)上的分子微觀熱運(yùn)動(dòng)，其均方根速度為 v微觀上，分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)引起氣體分子之間的碰撞和動(dòng)量交換，力圖使動(dòng)量濃度趨

11、于均勻，由此而導(dǎo)致了流速不同的流體層與層之間在 y 方向上的動(dòng)量傳遞。 厚度均不超過(guò)分子平均自由程 （即保證 y 方向上氣體分子的每一次遷移運(yùn)動(dòng)都會(huì)在兩層流體之間產(chǎn)生動(dòng)量交換）yux, T, Aux(y), T(y), A(y)oy考察任意 y 位置處相鄰的兩層氣體在該微小尺度范圍內(nèi)流體宏觀流速分布函數(shù)可視為線性，即兩層流體的流速分別為 ux 和 ux + （dux / dy）ux+(dux / dy)ux3nv33rnMv分子數(shù)通量 質(zhì)量通量取位于上層的單位微元體積的流體為體系，從統(tǒng)計(jì)平均的觀點(diǎn)，與相鄰的下層流體在 y 方向上通過(guò)單位微元底面積在單位時(shí)間內(nèi)交換的通量為 由于分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)在三

12、維空間各向同性并且氣體密度維持均勻，因此 y 方向上的分子無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)具有等分子數(shù)、反方向交換的特征。動(dòng)量擴(kuò)散通量yuuuvxxxdd3yuyuyuuuvxxxxxyxdd31dd31dd31根據(jù)牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)體系的動(dòng)量變化率等于作用在該體系上的力，動(dòng)量變化率的方向與力的方向相同 運(yùn)動(dòng)粘度 Kinematic viscosity3v剪應(yīng)力shear stress） yx ：表示平行作用于單位面積上的切向力，下標(biāo) x 代表剪應(yīng)力或者動(dòng)量的方向，y 代表力的作用面的法線方向或者動(dòng)量傳遞的方向。 yuxdd動(dòng)量濃度梯度yuxyxdd動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)動(dòng)量擴(kuò)散通量的推動(dòng)力yuxyxdd1 10 100 1

13、000 100001010.10.010.001甘油水空氣剪切速率/ s-1剪應(yīng)力 N.m-2 牛頓粘性定律對(duì)實(shí)際氣體和液體，動(dòng)量擴(kuò)散的機(jī)理更復(fù)雜，但一般能滿足滿足牛頓粘性定律的流體稱為牛頓流體Newtonian fluid） = 動(dòng)力粘度viscosity）yufyudd/dd高分子熔體和溶液、表面活性劑溶液、石油、食品以及含微細(xì)顆粒較多的懸浮體、分散體、乳濁液等流體在層流時(shí)并不服從牛頓粘性定律，統(tǒng)稱為非牛頓流體非牛頓流體的粘度 不再為一常數(shù)而與 dux / dy 有關(guān) 牛頓型流體 塑型流體 漲塑流體 假塑型流體 du/dy y 賓漢塑性流體Bingham plastics）yuKyddy

14、屈服應(yīng)力threshold shear stress）K 賓漢粘度yuyuyuKandddddd1n 流變指數(shù)flow behavior index）K 稠度系數(shù)flow consistency index）a 表觀粘度冪律power law流體n1 漲塑性流體Dilatant fluid） 傅立葉熱傳導(dǎo)定律 TcTcnMppryTcyTcyTTTcnMqppprdd31dd31dd31yTkqddckp導(dǎo)熱系數(shù)Thermal conductivity） 熱量濃度yTcqpdd熱量擴(kuò)散通量的推動(dòng)力yTcpdd3v熱量擴(kuò)散系數(shù) 熱量濃度梯度 費(fèi)克第一擴(kuò)散定律 擴(kuò)散系數(shù) ywywywwwnMjAA

15、AAArABdd31dd31dd313ABDywDjAABABdd ywnMywrAAA質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度梯度質(zhì)量互擴(kuò)散系數(shù) 3ABvDywddA質(zhì)量擴(kuò)散通量的推動(dòng)力拉格郎日Lagrange, J. 1736-1813法：把流體的運(yùn)動(dòng)看作是無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的總和，以個(gè)別質(zhì)點(diǎn)為觀察對(duì)象加以描述，整個(gè)流動(dòng)為各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的匯總。 質(zhì)點(diǎn)用起始時(shí)刻的坐標(biāo)a, b, c進(jìn)行識(shí)別，其位移為tcbazztcbayytcbaxx,ttcbaztzuttcbaytyuttcbaxtxuzyx,拉格郎日變數(shù)：a, b, c, t222222tzatyatxazyx歐拉Euler, L. 1707-1783法：以流動(dòng)的空間

16、為觀察對(duì)象，觀察不同時(shí)刻各空間點(diǎn)上流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將各時(shí)刻的情況匯總可描述整個(gè)流動(dòng)。每時(shí)刻各空間點(diǎn)都有確定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，空間區(qū)域即流場(chǎng)tzyxuutzyxuutzyxuuzzyyxx,歐拉變數(shù)：x, y, z, t直角坐標(biāo)和單位矢量 運(yùn)動(dòng)流體的參數(shù)是三維空間及時(shí)間的連續(xù)分布函數(shù)。 數(shù)學(xué)上將某物理量隨空間和時(shí)間的連續(xù)分布函數(shù)稱為該物理量的場(chǎng)。 流體力學(xué)中，將流體運(yùn)動(dòng)的全部范圍稱為流場(chǎng)。 流場(chǎng)：速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓強(qiáng)場(chǎng)等。 流場(chǎng)的一般概念 xzyoikjrkjirzyx矢量場(chǎng)：既有大小，也有方向標(biāo)量場(chǎng)：只有數(shù)量的大小，例：密度場(chǎng)、溫度場(chǎng)tzyx,tzyxTT,tzyx,rr kjikjir

17、uzyxuuutztytxt流線：某時(shí)刻整個(gè)流動(dòng)空間中的一條想象的矢量線，該線上任意點(diǎn)的切線方向代表了此時(shí)刻該點(diǎn)的流速方向。由于同一時(shí)刻同一點(diǎn)處的流體質(zhì)點(diǎn)只能有一個(gè)速度，因此流線不會(huì)相交。跡線：對(duì)流體質(zhì)點(diǎn)而言，是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡在不同的時(shí)刻）。 跡線與流線是兩個(gè)概念，一般不重合。只有穩(wěn)態(tài)場(chǎng)情況下，流場(chǎng)中流線不隨時(shí)間變化，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡才會(huì)沿著流線發(fā)展，因此跡線與流線重合。 abcd (b)流線0(a)跡線r1r2r3r4ttzzyyxxdddddttzztyytxxtddddddddtzuyuxutzyxdd觀測(cè)點(diǎn)的速度分量 ux= dx/dt， uy= dy/dt， uz = dz/dttzyxf,全微分全導(dǎo)數(shù)研究流場(chǎng)的性質(zhì)多從分布函數(shù)隨時(shí)間和空間的變化率入手偏導(dǎo)數(shù)t tNzNuyNuxNutNzyx DD局部導(dǎo)數(shù)：在空間某位置處物理量 N 隨時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)。穩(wěn)定流場(chǎng)該項(xiàng)為零 對(duì)流導(dǎo)數(shù)：物理量 N 從x, y, z） 位置到x+dx, y+dy, z+dz時(shí)的空