传输原理：基本概念

1、第一篇第一篇 动量的传输动量的传输概概 述述烟气的流动、大气的流动、流体的输烟气的流动、大气的流动、流体的输送等都是动量传输送等都是动量传输动量传输研究动量传输研究流体的性质与流动特性流体的性质与流动特性流动特性：流动性、压缩性、粘滞性流动特性：流动性、压缩性、粘滞性研究动量传输研究动量传输有何用处？有何用处？概概 述述研究研究流体流动的学科即流体力学，也称动量传输流体流动的学科即流体力学，也称动量传输流体流体流动流动特性特性流体流体静力学静力学流体流体动力学动力学研究流体流动研究流体流动过程中过程中力或能量的力或能量的平衡与传递平衡与传递1动量传输的基本概念学习要点学习要点1掌握流体的定义、

2、流体连续介质模型的概念掌握流体的定义、流体连续介质模型的概念2掌握流体的压缩性、膨胀性、粘性的表达式、掌握流体的压缩性、膨胀性、粘性的表达式、物理意义、相关定律物理意义、相关定律3掌握流体上的作用力、能量、动量的表达方掌握流体上的作用力、能量、动量的表达方法、物理意义及单位法、物理意义及单位概概 述述生产设备生产设备工艺过程工艺过程流体流动流体流动（动量传输）（动量传输）对流传热、对流传质对流传热、对流传质（热量、质量传输）（热量、质量传输）验证规律验证规律改改 进进相互影响相互影响1动量传输的基本概念 1.1流体及连续介质模型流体及连续介质模型1流体的定义流体的定义: 在剪切应力的作用下会发

3、生在剪切应力的作用下会发生连续的变形的物质，或由连续分布的流连续的变形的物质，或由连续分布的流体质点组成的物质。体质点组成的物质。 2流体包括：液体、气体流体包括：液体、气体通常液体称为不可压缩流体，气体称为可通常液体称为不可压缩流体，气体称为可压缩流体。压缩流体。1.1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（连续介质模型（1753年年Euler提出）提出）:将流体看成是由无限多个流体质点所组成的密集将流体看成是由无限多个流体质点所组成的密集而无间隙的连续介质。而无间隙的连续介质。流体中物质的分子流体中物质的分子流体质点流体质点流体运动空间流体运动空间流体的宏观特性：分子统计的平均

4、特性流体的宏观特性：分子统计的平均特性1.2流体密度与比容流体密度与比容1流体的密度定义：流体的密度定义： 单位体积流体所具有的质量，即流体单位体积流体所具有的质量，即流体的密度，用的密度，用 表示，单位：表示，单位： kg/m31.2.1 流体的密度流体的密度2流体的密度的表达式流体的密度的表达式1）对于质量分布不均匀的流体，）对于质量分布不均匀的流体，密度的定义式：密度的定义式： V 从宏观上看应足够小，从宏观上看应足够小，而从微观上看应足够大。而从微观上看应足够大。 limV mV=dmdV（kg/m3）2）对于均质流体，密度的定义式：）对于均质流体，密度的定义式：Vm m：流体的质量，

5、：流体的质量，kg；V：流体的体积，：流体的体积，m3（kg/m3）3) 流体混合物密度的表达式流体混合物密度的表达式对于液体混合物，密度对于液体混合物，密度 m的计算式：的计算式： m xWi / Wi )-1 kg/m3, i=1, , n式中：式中： W1 ， W2， ， Wn为液体混合物为液体混合物中各组分的密度，中各组分的密度，kg/m3；xW1，xW2 ， ， xWn为液体混合物中各组分的质量百分率，为液体混合物中各组分的质量百分率，%对于气体混合物，密度对于气体混合物，密度 m的计算式：的计算式： m xVi Vi kg/m3, i=1, , n式中：式中： V1 ， V2， ，

6、 Vn为气体混合物中为气体混合物中各组分的密度，各组分的密度，kg/m3；xV1，xV2 ， ， xVn为气体混合物中各组分的体积百分率，为气体混合物中各组分的体积百分率，% 1.2.2 流体的比容定义与表达式流体的比容定义与表达式计算公式：计算公式： = 1/ = V/m单位质量流体所具有的体积单位质量流体所具有的体积-流体的比容，流体的比容，即密度的倒数。用即密度的倒数。用 表示，单位：表示，单位： m3 / kg1.3流体的压缩性与膨胀性流体的压缩性与膨胀性1 流体的压缩性与膨胀性定义：流体的压缩性与膨胀性定义：流体在压力的作用下发生体积缩小的性质流体在压力的作用下发生体积缩小的性质称为

7、称为流体的压缩性，流体的压缩性，流体的压缩性可用体流体的压缩性可用体积压缩系数表示积压缩系数表示流体在温度的作用下发生体积膨胀的性质流体在温度的作用下发生体积膨胀的性质称为称为流体的膨胀性，流体的膨胀性，流体的膨胀性可用体流体的膨胀性可用体积膨胀系数表示积膨胀系数表示流体的压缩程度取决于流体的性质和外界条件流体的压缩程度取决于流体的性质和外界条件2气体的压缩性与膨胀性气体的压缩性与膨胀性 当压力不太高或温度不太低时，对于气体当压力不太高或温度不太低时，对于气体可以当作理想气体来处理，即气体满足理想气可以当作理想气体来处理，即气体满足理想气体状态方程：体状态方程： RTvPP MRR0 P V

8、= n R0 T=（m/M） R0 T即即R0：普适气体常数：普适气体常数工程单位制：工程单位制：国际单位制：国际单位制：KkmolmkgfR 8480KkmolmNR 83140对于气体：对于气体：等温时（等温时（T1=T2）1212PP 2112PP 对于气体：等压时（对于气体：等压时（P1=P2）tTTtt 10002112TT 1212TT =1/2733 液体的压缩性与膨胀性液体的压缩性与膨胀性 对于液体而言，体积压缩系数对于液体而言，体积压缩系数p和膨胀和膨胀系数系数t的定义式：的定义式：t = = dV/V dT d / dTp = = dV/V dp d / dp例例1 体积为

9、体积为5m3的水，在温度不变的条的水，在温度不变的条件下，压强从件下，压强从1大气压增加到大气压增加到5大气压，大气压，体积减小了体积减小了1L，求水的压缩系数和弹性，求水的压缩系数和弹性系数值。（系数值。（ 1大气压大气压=9.807 N/m2）4流体流体的压缩性与的压缩性与不可压缩不可压缩性性依据上面的分析得出结论：依据上面的分析得出结论：当气体的压力不太高（当气体的压力不太高（10kPa) ,或速度不太高或速度不太高(70m/s)时，气体的密度变化不大，体积变化时，气体的密度变化不大，体积变化可忽略，可认为气体是不可压缩的。除此之外可忽略，可认为气体是不可压缩的。除此之外气体是可压缩的气

10、体是可压缩的对于液体而言，由于对于液体而言，由于p 、t很小，一般不记其很小，一般不记其压缩性压缩性实际上，流体都具有可压缩性实际上，流体都具有可压缩性1.4流体的粘性与理想流体流体的粘性与理想流体 1.4 .1流体的粘性流体的粘性1流体粘性定义流体粘性定义流体粘性：流体内部质点间或流层间因流体粘性：流体内部质点间或流层间因相对运动而产生剪切力以反抗相对运相对运动而产生剪切力以反抗相对运动的性质。动的性质。或流体在变形、流动时，其本身所具有或流体在变形、流动时，其本身所具有的阻滞变形、流动的性质（的阻滞变形、流动的性质（P5-6)2 流体粘性产生物理原因：流体粘性产生物理原因：一是分子作不规则

11、运动的动量交换形成一是分子作不规则运动的动量交换形成的粘性阻力，即分子扩散形成的粘性的粘性阻力，即分子扩散形成的粘性阻力阻力二是两层流体之间吸引力所形成的阻力，二是两层流体之间吸引力所形成的阻力，即分子内聚力形成的粘性阻力即分子内聚力形成的粘性阻力1.4.2 牛顿粘性定律牛顿粘性定律u0u+duuFy0 x- FFAdyu+du牛顿粘性定律推导牛顿粘性定律推导示意图示意图1 牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿经大量的实验证明：牛顿经大量的实验证明：当流体的流层之间存在相对位移，由于流当流体的流层之间存在相对位移，由于流体的粘性作用，在其速度不相等的流层体的粘性作用，在其速度不相等的流层之间以及流体与

12、固体表面之间所产生的之间以及流体与固体表面之间所产生的粘性阻力的大小与速度梯度和接触面积粘性阻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。成正比，并与流体的粘性有关。结果的表达式为：结果的表达式为： F = Adydux yx = F/A = dydux2 牛顿粘性定律表达式牛顿粘性定律表达式3 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论1）式中：式中： x为运动方向；为运动方向；y为存在速度梯度为存在速度梯度的方向。的方向。2）yx：单位面积的内摩擦力或单位面积的：单位面积的内摩擦力或单位面积的 粘性力，即粘性力，即粘性应力，粘性应力，单位单位Nm-2 。 由于粘性应力的方向与流动方向平由

13、于粘性应力的方向与流动方向平 行，则行，则yx与与dux /dy 的方向无关（梯的方向无关（梯 度是矢量）粘性应力是一对大小相等，度是矢量）粘性应力是一对大小相等， 方向相反的力方向相反的力3）正负号表示力的方向。正负号表示力的方向。 dux /dy为速度梯为速度梯度，度，梯度是矢量，正向与梯度是矢量，正向与y坐标正方向一致。坐标正方向一致。2()xyxdvNdym dux 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论4） ：流体的动力粘度系数或粘度，其单位：流体的动力粘度系数或粘度，其单位为为 Pa S 1Pa S=1N S/ =1Kg/ms粘性系数粘性系数粘性系数粘性系数大小与什么有关？大小与什么有关

14、？ （a）物质种类；）物质种类； （b）温度；液体）温度；液体T 升高时升高时 下降下降 , 气体气体T 升高时升高时 升高升高 （c） 组分组分 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论对液体混合物，有对液体混合物，有 lg = xi lg i对气体混合物，有对气体混合物，有 m = yi Mi1/2i=1n yi i Mi1/2i=1n 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论5）流体粘性的另一种表示法：粘性系数流体粘性的另一种表示法：粘性系数与流与流体密度体密度的比值称为运动粘性系数，以的比值称为运动粘性系数，以表示，表示，SI制制单位：单位：m2/s，工程中用，工程中

15、用St（沲）为（沲）为单位单位。1 St=10-4 m2/s它的数值越大随分子扩散而发生的动量传输越它的数值越大随分子扩散而发生的动量传输越大，流体的流动性越差。大，流体的流动性越差。 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论6）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：通过单位面积在单位时间内传递的动量。递的动量。粘性动量通量的大小与动量梯度成正比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。即粘性方向：总是从高速流层传向低速流层。即粘性动量的传递方向指向速度梯度的负值方向。动量的传递方向指向速度梯度的负值方向。xxxyyyvv 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论7）

16、牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体：满足牛顿粘性定律的流体。牛顿流体：满足牛顿粘性定律的流体。两个含义：两个含义： 当速度梯度为零时，粘性力为零。当速度梯度为零时，粘性力为零。 粘性力与速度梯度呈线性关系。粘性力与速度梯度呈线性关系。牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论非牛顿流体：凡不满足牛顿粘性定律的流体均非牛顿流体：凡不满足牛顿粘性定律的流体均称为非牛顿流体。称为非牛顿流体。滨海姆流体滨海姆流体当当 d /dy=0时，时， = 不符合第一个条不符合第一个条件件 ，如：沙浆，矿浆等，如：沙浆，矿浆等dydv 0牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论屈服塑胀流体：其特征为屈服塑胀流体：其特

17、征为 两个条件均不满足两个条件均不满足ndydv)(0 牛顿粘性定律讨论牛顿粘性定律讨论似塑性流体：似塑性流体： 注意：我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。注意：我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。ndydv)( 图图1-4 牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体例例2长度为长度为L=30的两个的两个同心圆管，其半径分同心圆管，其半径分别为别为r1=15cm , r2=15.5cm ，缝隙之间充满某种液体，缝隙之间充满某种液体，如图（如图（1-2）所示。外管）所示。外管被固定，内管以被固定，内管以n=60r/min转速旋转，已知作用在它上转速旋转，已知作用在它上面的外力距为面的外力距为M=0.9

18、8Nm，试确定此流体的，试确定此流体的 （由于间（由于间隙厚度与圆柱周长相比为小量，故假定其间速度分布为隙厚度与圆柱周长相比为小量，故假定其间速度分布为直线型）。直线型）。r1r2V 1.4.3 理想流体理想流体1 定义定义不具有粘性的流体称为理想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这是客观世界上并不存在的一种假想流体，也就是说体，也就是说实际流体都是具有粘性的，实际流体都是具有粘性的，都是粘性流体。都是粘性流体。理想流体理想流体2 实际流体假想为理想流体的条件：实际流体假想为理想流体的条件：在静止流体和速度均匀、直线运动的在静止流体和速度均匀、直线运动的流体中

19、，流体的粘性表现不出来。流体中，流体的粘性表现不出来。 在许多场合下，想求得粘性流体的精在许多场合下，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。于粘性的影响则可通过试验加以修正。1.5 作用在流体上的力作用在流体上的力1 作用在流体上的力作用在流体上的力:表面力和体积力表面力和体积力 表面力表面力 :如法向力（压力），切向力如法向力（压力），切向力,粘性力粘性力表面力的大小与其表面积的大小呈正比，是表面力