动量传输基本概念

1、1. 动量传输基本概念动量传输基本概念11. 动量传输基本概念动量传输基本概念21. 动量传输动量传输 基基 本本 概概 念念1. 动量传输基本概念动量传输基本概念3概述 冶金过程：是物理化学过程、动量、热冶金过程：是物理化学过程、动量、热量、质量传输过程的组合过程。量、质量传输过程的组合过程。 传输理论的基础：质量守恒定律；动量传输理论的基础：质量守恒定律；动量守恒定律；能量守恒定律。守恒定律；能量守恒定律。 研究的目的：研究速率过程（动量、热研究的目的：研究速率过程（动量、热量、质量）量、质量） 本学科的现状与发展本学科的现状与发展1. 动量传输基本概念动量传输基本概念4一 单位制： 工程

2、单位制 ； 基本单位：长度，时间，力 国际单位制； 基本单位：长度，时间，质量 工程单位制规定：质量为1kg的物体在标准重力加速度处所受的引力为1kgf。缺点g随地点的不同而异，力不能作为基本单位，且kg与Kgf是不同的概念。 国际单位制： 基本单位： 米（m） 公斤（kg）秒（s）度（）（K） 导出单位： 力牛顿（1N=1kgm/S） 能量焦耳（1J=1kg/S） 压力（强）帕斯卡（Pa=N/） 功率瓦（W=J/s）1. 动量传输基本概念动量传输基本概念5二二 单位换算：单位换算： 力 : 1kgf=9.807 N 1N=0.102kgf 压力（强）:1atm=1.01325105 Pa 1

3、atm=760mmHg=10332mmH2O1at=10000mmH2O=735.6mmHg=9.807104 Pa 1mmH2O=1kgf/=9.8Pa 能量: 1kJ=0.239kcal 1kcal=4.187kJ 1w=1J/s=0.86kcal/h 1kcal/h=1.163w1. 动量传输基本概念动量传输基本概念61.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 1、流体的定义: 在切向力的作用下会发生连续的变形的物质。 从物质受力和运动的特征来分： 切向力流动流体固体 宏观的研究流体受力和运动规律的科学 流体力学 变形速度 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念71.1 流体及连续介质

4、模型流体及连续介质模型 2、不可压缩流体: 可压缩流体 液体可以随其容器形状不同而改变其形状，且在相当大的压力下不改变其体积。自由界面 气体具有很大的的压缩性和膨胀性，可以在压力下体积缩小或无限膨胀，没有自由表面。1. 动量传输基本概念动量传输基本概念81.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 3、连续介质模型: 气温随时间变化 自由落体的位移 连续函数 物质连续地分布于其所占有的整个空间，物质宏观运动的物理参数是空间及时间的可微连续函数。对于连续介质模型，微积分等现代数学工具可以加予应用。 xfy 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念91.1 流体及连续介质模型流体及连续介质模型 1.

5、2.1 惯性惯性 流体的密度 对于均质流体Vm Vmv0lim V 从宏观上看应足够小，而从微观上看应足够大。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念101.2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 只有当流体是连续介质时，流体的一切物理属性均可以看作是坐标和时间的连续函数。可以用微积分来处理问题。 即密度的倒数。 kgmmV31 流体的密度流体的密度 流体的比容流体的比容 流体的重度流体的重度 =g1. 动量传输基本概念动量传输基本概念11 对于气体可以当作理想气体来处理，即气体满足理想气体状态方程。 R0：气体常数， 工程单位制中： 国际单位制1.2.1 流体的惯性流体的惯性RTvPP M

6、RR0KkmolmkgfR 8480KkmolmNR 831401. 动量传输基本概念动量传输基本概念121.2.2 流体的压缩性流体的压缩性 流体的压缩性流体的压缩性 1、液体的压缩性 等温压缩 对于液体而言， 由于p很小， 一般不记其压缩性。 注意压缩性是一相对的概念 体积压缩系数 其倒数为体积弹性模数dPdVVp1dpdVVEv 0 dPdV1. 动量传输基本概念动量传输基本概念131.2.2 流体的压缩性流体的压缩性 对于气体： 1、等温时（T1=T2） 2、等压时（P1=P2）1212PP 2112PP tTTtt 10002112TT1212TT =1/273=1/2731. 动量

7、传输基本概念动量传输基本概念141.2.2 流体的压缩性流体的压缩性 当气体的压力不太高（10kPa) ,或速度不太高 (70m/s)时，可认为是不可压缩的。3、绝热时：当气体没有摩擦，又没有热交换时， 可认为是绝热可逆过程 ：kkPP11 1111 kkkkTPTP单原子气体单原子气体 k=1.6k=1.6；双原子气体双原子气体 k=1.4k=1.4（如氧气、空气）；（如氧气、空气）；多原子气体多原子气体 k=1.3(k=1.3(如过热蒸汽）；如过热蒸汽）；干饱和蒸汽干饱和蒸汽 k=1.135k=1.135K:K:气体的绝热指数气体的绝热指数K=Cp/CvK=Cp/Cv绝热指数仅与气体的分子

8、结构绝热指数仅与气体的分子结构有关有关1. 动量传输基本概念动量传输基本概念151.3 流体的粘性流体的粘性 1.3.1 粘性的概念粘性的概念 实验一 两平行平板，中间充满流体，平板的面积为A，其间的流体均匀，高为H。，且H A 叫无限大平板 0vxyFHx（y）稳定开始v固定固定 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念16 将下面的一块平板作匀速直线运动，连续测定使这块平板作匀速直线运动所需的力。实验测得稳定后F=Const。 实验结果： 1 0与F不变时，FA 2 A=Const 时：F 0 /H （唯一的单增函数） 结果的表达式为： vxxy xd vFd vFAd yAd y vyxy

9、x下标：下标：x x为运动方向；为运动方向；y y为在该方向上有速度梯度为在该方向上有速度梯度式中：式中： 流体的动力粘度系数，其单位为流体的动力粘度系数，其单位为 PaPaS S 1.3.1 粘性的概念粘性的概念1. 动量传输基本概念动量传输基本概念171.3.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 a. a. 正负号的意义正负号的意义 由于粘性应力的方向与流动方向平行，则yx与dvx/dy 的方向无关（梯度是矢量）粘性应力是一对大小相等，方向相反的力。亦是一矢量，正负号表示力的方向。同时也可表为粘性动量通量。 2()xyxdvNdym 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念181.3.2 牛顿粘性定

10、律牛顿粘性定律 b.b.粘性动量通量粘性动量通量： 通过单位面积在单位时间内传递的动量。 运动粘性系数，单位：m2/s 粘性动量通量的大小与动量梯度成正比，方向总是从高速流层传向低速流层。既粘性动量的传递方向指向速度梯度的负值方向。使得计算结果中，粘性动量通量总是大于等于零。 即：粘性动量通量 xxxyyyvv x0yv 粘1. 动量传输基本概念动量传输基本概念191.3.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律 例题：两平板相距例题：两平板相距3.2mm3.2mm，下板不动，而，下板不动，而上板以上板以1.52m/sde1.52m/sde速度运动。欲使上板保速度运动。欲使上板保持匀速运动状态，需要施加持

11、匀速运动状态，需要施加2.39N/m2.39N/m2 2的力，的力，求板间流体的动力粘性系数。求板间流体的动力粘性系数。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念20小结小结1. 流体。2. 不可压缩流体和可压缩流体。3. 连续介质模型。4. 流体的主要物理性质5. 粘度：流体在切向力的作用下会发生变形， 粘度就是表征流体抵抗变形的能力， 即流体粘性的大。动力粘性系数dydxyxPa s1. 动量传输基本概念动量传输基本概念21 牛顿粘性定律牛顿粘性定律2()xyxdvNdym yxyx：粘性动量通量；：粘性动量通量； yxyx下标：下标：x x为运动方向；为运动方向；y y为在该方向上有速度梯

12、度为在该方向上有速度梯度：流体的动力粘度系数，其单位为：流体的动力粘度系数，其单位为 PaPaS S 当流体的流层之间存在相对位移，即存在速度梯度时，由当流体的流层之间存在相对位移，即存在速度梯度时，由于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间所产生于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间所产生的粘性力的大小与速度梯度和接触面积成正比，并与流的粘性力的大小与速度梯度和接触面积成正比，并与流体的粘性有关。体的粘性有关。1. 动量传输基本概念动量传输基本概念22 牛顿粘性定律牛顿粘性定律1.1.粘性动量通量的大小与动量粘性动量通量的大小与动量( (速度速度) )梯度成正比。梯度成正比。2.2.方

13、向总是从高速流层传向低速流层。方向总是从高速流层传向低速流层。3.3.当当dvdvx x/ /dydy为负值时，符号取负号。为负值时，符号取负号。4.4.当当dvdvx x/ /dydy为正值时，符号取正号。为正值时，符号取正号。 动量通量动量通量yxyx始终为正值。始终为正值。5.5.：流体的动力粘度系数，表征流体的粘度。：流体的动力粘度系数，表征流体的粘度。 是流体温度和压强的函数。是流体温度和压强的函数。 在工程常用的温度和范围内，粘度主要依温度而定。在工程常用的温度和范围内，粘度主要依温度而定。分析：分析：1. 动量传输基本概念动量传输基本概念231.3.4 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流

14、体与非牛顿流体 牛顿流体：满足牛顿粘性定律的流体。 两个含义：1 、当速度梯度为零时，粘性力为零。 2 、粘性力与速度梯度呈线性关系。 非牛顿流体： 凡不满足牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿流体。 1、宾海姆流体 dydv 01. 动量传输基本概念动量传输基本概念241.3.4 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体 当 时， 不符合第一个条件 ，如：沙浆，矿浆等 2、屈服-伪塑流型流体：其特征为 两个条件均不满足 3、伪塑流型流体： 注意：我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。0 dydv0 ndydv)(0 ndydv)( 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念251.3.5 粘性流体与理想流

15、体粘性流体与理想流体 实际流体都是具有粘性的，都是粘性流体。 不具有粘性的流体称为理想流体，这是客观世界上并不存在的一种假想流体。 （1）在静止流体和速度均匀、直线运动的流体中，流体的粘性表现不出来。 （2）在许多场合下，想求得粘性流体的精确解是很困难的。可以先不计粘性的影响，使问题的分析大为简化，从而有利于掌握流体流动的基本规律。至于粘性的影响则可通过试验加以修正。1. 动量传输基本概念动量传输基本概念261.4 作用在流体上的力作用在流体上的力 1.4.1 表面力表面力 如法向力（压力），切向力（粘性力） 表面力的大小与其表面积的大小呈正比，是作用在表面上的力。 1.4.2 体积力体积力（

16、质量力） 如重力、惯性力、电磁力等 质量力的大小与其质量的大小呈正比，它可以远距离作用在流体内部的每一个质点上。故称远程力。1. 动量传输基本概念动量传输基本概念271.4.3 流体的静压力及其特点流体的静压力及其特点 流体的静压力：静止流体垂直作用于单位表面上的力。 物理学：压强 流体的静压来源于作用在流体上的力。 静压力的特点1. 动量传输基本概念动量传输基本概念281.4.3 流体的静压力及其特点流体的静压力及其特点 1、流体静压力的作用方向与作用面垂直，并由外向内指向作用面。 用反证法来证明 假定移去如图所示的一团流体的上部后，作用力F 的方向不垂直于作用面A，则F可分解为法向力和切向

17、力，而由于切向力的存在这团流体就不会保持平衡而产生流动，所以，Fn必然是法向力。FFnF1. 动量传输基本概念动量传输基本概念291.4.3 流体的静压力及其特点流体的静压力及其特点 2、流体中任意点上的静压力在各方向上均相等而与方向无关。 依据静压的第二个特性：当需要测量流体中某一点的压力时，可不必选择方向，只需在该点确定的位置上进行测量即可。 3、绝对压力：以绝对真空作为零压而计算。 相对压力：超出大气压力的部分=P绝- P大气 真空度：负压的绝对值=|P绝- P大气| 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念301.4.4 表面张力表面张力 水滴悬挂在墙上或水龙头出口上，水银在平滑表面上呈

18、球形滚动等现象，这些现象表明液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收缩趋势的力称为表面张力。 将单位长度上所受到的这种拉力定义为表面张力，以表示，它的单位是N/m。 毛细现象：毛细现象：当把直径很小两端开口的细管插入液体中时，表面张力的作用将使管内液体出现升高或下降的现象，我们称之为毛细现象。这种足以形成毛细现象的细管称为毛细管。 1. 动量传输基本概念动量传输基本概念311.5 体系与控制体体系与控制体 体系（系统）：一些具有特性固定不变的物质的集合 控制体：大小、形状、位置不随时间而变化的流动区域 三大守恒定律在在研究区域内描述三大守恒定律在在研究区域内描述 质量守恒定律：质量守恒定律： 体系：体系内质量随时间的增加率体系：体系内质量随时间的增加率=0 =0 控制体：控制体内质量随时间的增加率控制体：控制体内质量随时间的增加率= =单位时间流入单位时间流入 控制体质量的速率控制体质量的速率 - - 单位时间流出控制体质量的速率单位时间流出控制体质量的速率 或表为：控制体内质量随时间的增加率或表为：控制体内质量随时间的增加率 + +单位时间净输出控制体质量的速率单位时间净输出控制体质量的速率 =0=01. 动量传输基本概念动量传输基本概念321.