化工流体力学 第一章

1、总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束影响化工设备中流体流动规律的因素：l 流体的物理属性l 流动空间l 引发流体运动的条件第一章第一章 流体运动规律的影响因素和研流体运动规律的影响因素和研 究方究方法法总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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，流动问题分类总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束第一节第一

2、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总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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。总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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

3、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。总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束密度，压缩性密度，压缩性n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。n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，n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

4、度随压力变化的性能称为压缩 性。一般性。一般来说，液体比气体的压缩性小得多。来说，液体比气体的压缩性小得多。n是否考虑流体的压缩性，需要根据具体情况来决定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）（水锤现象，则需要考虑液体的可压缩性） 3=1000kg/m水3=1.226kg/m空气总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束粘性粘性 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。当变形速度大

5、时，流体则呈现出一定的抵抗大的变形。当变形速度大时，流体则呈现出一定的抵抗力。力。运动一旦停止，抵抗力便消失，流体受到剪切力作运动一旦停止，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：紧靠壁面的一层流体，将不做相对器壁的宏观运动。的宏观运动。 总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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

6、形速率，简称 剪切速率，以 表示。yx总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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，却不能停止流动总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束黏度黏度 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。

7、d /duy总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束温度升高时温度升高时: : 液体液体分子间平均距离增大，内聚力减小，使粘分子间平均距离增大，内聚力减小，使粘 度相应减小度相应减小 (b);气体气体分子运动加剧，动量交换激烈，使粘度相应增分子运动加剧，动量交换激烈，使粘度相应增大大(a)。总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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

8、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水水空气空气31 10 Pa s 0.01P 51.8 10 Pa s 0.00018P 水水空气空气总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束牛顿流体牛顿流体：切应力与速度梯度之间呈切应力与速度梯度之间呈线性关系线性关系，即动力粘性，即动力粘性 系数为常数。系数为常数。非牛顿流体：非牛顿流体：切应力在变形速率保持恒定时要随时间发生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，反变化。切应力随时间增加为流变形流体

9、，反 之为触变性流体。之为触变性流体。广义牛顿切应力公式广义牛顿切应力公式：对于牛顿流体对于牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体(,)dufdyxydudy总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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； 膨胀流体总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束2. 黏塑性流体u 若 ， 若 ， 服从上两式

10、的液体称为黏塑性流体，也叫宾汉流体。u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总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束导热性，热导率导热性，热导率热量热量传递方式传递方式导热导热对流对流热辐射热辐射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表示流体导热能力的物理性质是热导率热导率总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束傅里叶定律傅里叶定律l 单位时间内所传导的

11、热量l 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 总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束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总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束扩散性，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

12、高扩散到浓度低处，从而产生了物质传递。总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束费克定律费克定律 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总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束表面张力表面张力1.1. 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. 2. 表面张力现象：表面张力现象： 肥皂泡肥皂泡 洗洁剂洗洁剂 毛细现象毛细现象 2pR

13、 1211()pRR 总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束第二节第二节 流动空间的几何特征，流动问题流动空间的几何特征，流动问题分类分类流体运动问题的分类 总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一页上一页结束结束第三节第三节 引发流体运动的方式、工艺过程引发流体运动的方式、工艺过程的操作条件的操作条件 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 湍流总目录总目录返回本章返回本章返回本节下一