传输原理教案(第1章)流体

1、1第一篇第一篇 动量传输动量传输本篇学习和研究的内容：本篇学习和研究的内容： 动量传输起因，以及对热量、质量传输的影响：动量传输起因，以及对热量、质量传输的影响：（1）流体内部不同部位的质点或集团的）流体内部不同部位的质点或集团的流动速度不一致流动速度不一致。（2）流动速度的不一致，必然导致动量分布不均匀。属于）流动速度的不一致，必然导致动量分布不均匀。属于不不平衡态平衡态，必然发生动量的交换或传递过程。，必然发生动量的交换或传递过程。（3）这样的动量传递，就会影响到热量和质量的传输过程。）这样的动量传递，就会影响到热量和质量的传输过程。2第一篇第一篇 动量传输动量传输3第一篇第一篇 动量传输

2、动量传输 第第0章章 一、流体力学：一、流体力学： 流体力学流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学，是力学的一个重要分支。二、流体力学研究的对象二、流体力学研究的对象液体和气体。4第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 三、流体力学发展简史三、流体力学发展简史第一阶段第一阶段（16世纪以前）世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶：流体力学形成的萌芽阶段段第二阶段第二阶段（16世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）：世纪中叶）：流流体力学成为一门独立学科的基础阶段体力学成为一门独立学科的基础阶段第三阶段第三阶段（18世纪中叶世纪中叶-19世纪末）世纪末）流体力学沿着两流体力学沿着两

3、个方向发展个方向发展欧拉、伯努利欧拉、伯努利第四阶段第四阶段（19世纪末以来）世纪末以来）流体力学飞跃发展流体力学飞跃发展5第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 第一阶段（第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段段公元前公元前2286年公元前年公元前2278年年 大禹治水大禹治水疏壅导滞（洪水归于河）疏壅导滞（洪水归于河）公元前公元前300多年多年 李冰都江堰深淘滩，低作堰公元公元584年公元年公元610年年隋朝：南北大运河、船闸应用。隋朝：南北大运河、船闸应用。埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发展。埃及、巴比伦、罗马、希腊、

4、印度等地水利、造船、航海产业发展。系统研究系统研究古希腊哲学家阿基米德古希腊哲学家阿基米德论浮体论浮体（公元前（公元前250年）奠定了流体静力学年）奠定了流体静力学的基础。的基础。6第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 7第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 第二阶段（第二阶段（16世纪文艺复兴以后世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）世纪中叶）流体力学成为一门独立学科的基础阶段流体力学成为一门独立学科的基础阶段1586年斯蒂芬年斯蒂芬水静力学原理水静力学原理1650年帕斯卡年帕斯卡“帕斯卡原理帕斯卡原理”1612年伽利略年伽利略物体沉浮的基本原理物体沉浮的基本原理1686年牛顿年牛顿牛

5、顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律1738年伯努利年伯努利理想流体的运动方程即理想流体的运动方程即伯努利方程伯努利方程1775年欧拉年欧拉理想流体的运动方程即理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程欧拉运动微分方程8第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 第三阶段（第三阶段（18世纪中叶世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两世纪末）流体力学沿着两个方向发展个方向发展欧拉（理论）、伯努利（实验）欧拉（理论）、伯努利（实验）工程技术快速发展，提出很多经验公式：工程技术快速发展，提出很多经验公式：1769年法国的谢才年法国的谢才(Chzy formula)谢才公式（计算流速、流量）谢才公式（计算流速、流量）1

6、895年曼宁（年曼宁（R.Manning ）曼宁公式（计算谢才系数）曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托年比托比托管（测流速）比托管（测流速）1797年文丘里年文丘里文丘里管（测流量）文丘里管（测流量）理论上：理论上：1823年纳维，年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方方程）程）9飞跃飞跃2：流体力学流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科。新分支和交叉学科。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 第四阶段（第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展世纪末以来）流体力学飞跃

7、发展飞跃飞跃1：理论分析与试验研究相结合：理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺年雷诺雷诺实验（判断流态）雷诺实验（判断流态）1903年普朗特年普朗特边界层概念（绕流运动）边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹年尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）尼古拉兹实验（确定阻力系数）10第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第0章章 理论分析方法理论分析方法 + 实验方法实验方法 + 数值方法相互配合数值方法相互配合 1、理论研究方法、理论研究方法 力学模型力学模型物理基本定律物理基本定律求解数学方程求解数学方程分析和揭示分析和揭示本

8、质和规律本质和规律2、实验方法、实验方法 相似理论相似理论模型实验装置模型实验装置3、数值方法、数值方法 计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方法之一11第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 1.1 流体的特性流体的特性（1）流体（）流体（概念：概念：（2）流体包括：）流体包括：（3）流体的力学性质（与固体比较）：）流体的力学性质（与固体比较）：12第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 （4）气体和液体的区别：）气体和液

9、体的区别：微观上的区别：微观上的区别：宏观上的区别：宏观上的区别：（A）分子间距不同）分子间距不同气体分子间距离大约气体分子间距离大约是分子直径的是分子直径的10倍倍，除相互碰撞或与器壁碰撞外，气体分子不，除相互碰撞或与器壁碰撞外，气体分子不受力的作用，在空间自由移动。液体分子间距比较小。受力的作用，在空间自由移动。液体分子间距比较小。（B） 13第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 5、流体力学的模型、流体力学的模型14第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 1.1.1

10、流体的连续介质模型介绍流体的连续介质模型介绍 （p4） （3）15第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 （2）假设假设流体质点之间流体质点之间没有空隙没有空隙。即把流体看成占有一定。即把流体看成占有一定空间的无限多个流体微团（质点）组成的密集无间隙的连续空间的无限多个流体微团（质点）组成的密集无间隙的连续介质。介质。（3）反映宏观流体的）反映宏观流体的物理量物理量也是空间坐标的连续函数。也是空间坐标的连续函数。 （密度、压力、粘度、流速密度、压力、粘度、流速等等等等）16dV: 缩小的体积（缩小的体积（m3） V: 液体原体积（液体

11、原体积（m3）；）；dp: 液体受压的增加值（液体受压的增加值（Pa）前面加负号，可以保证前面加负号，可以保证k为正值。为正值。或者表示为：或者表示为：第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 压缩性压缩性17选择选择 0 时，时，0.5MPa的水，查上表得的水，查上表得5.39当压力增大当压力增大0.1MPa，则：，则：此时体积的减小只有约此时体积的减小只有约万分之万分之0.539因此工程上可以认为水不可压缩。因此工程上可以认为水不可压缩。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特

12、性 0 时，水在不同压力下的体积压缩系数（时，水在不同压力下的体积压缩系数（）值）值0.55.3918第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 温度升高温度升高1时，液体体积的增大率。时，液体体积的增大率。dT 是温度的升高量。是温度的升高量。19当温度变化T1K时，第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 液体水的热膨胀系数液体水的热膨胀系数 说明了当温度每增加说明了当温度每增加1 万分之万分之1.5 。20第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动

13、1.1 流体的特性流体的特性 21第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 P 绝对压力（绝对压力（Pa），），V 比体积比体积 (m3/kg)，气体密度，气体密度， R 气体常数，空气的气体常数，空气的 R=287J/kgK， T 热力学温度（热力学温度（K） 推论推论 A. 温度不变时（T=const），得波义耳（Boyle） 定律：B. 若压力不变时，得盖吕萨克（Gaylussac） 定律：22由得令有体积和温度变化为：所以，于是，P.5 (1-5)p,T0, 0p,T1, 1恒压:A. 恒压条件恒压条件:第一篇第一篇 动量传输动

14、量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 23工程上取标准态 P=1atm， T0=273K，则气体温度膨胀系数：B. 等压条件：即：1atm压力下，温度从273K每升高1K，体积就增加273K时体积的1/ 273。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 24绝热指数（空气，一般取1.4）热力学第一定律：U = Q W绝热 : Q = 0, 所以 W = U，dU = n Cv,m dT ， U n Cv,m T W pV n Cv,m T nRTV / V, R = Cp,m Cv,m Cv,m d

15、T (Cp,m Cv,m) TdV / V第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 25第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 26VxF0 xV=0y YdVxdy 平板间的流体速度分布平板间的流体速度分布与粘性力（切应力）示意与粘性力（切应力）示意第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 牛顿粘性定律过程描述：牛顿粘性定律过程描述： 两无限大平行板间距很小，两两无限大平行板间距很小，两板间有流体。下板静止，上板板间有

16、流体。下板静止，上板在在 X 方向以速度方向以速度 Vx 移动。移动。 由粘性力引起的上、下板间由粘性力引起的上、下板间流体的质点只产生流体的质点只产生x方向运动。方向运动。流体各个平行层运动速度在流体各个平行层运动速度在 y方向上有速度梯度方向上有速度梯度: dVx/dy 。 流层两面上切向粘性力（切流层两面上切向粘性力（切应力）可以表示为：应力）可以表示为：是动力粘度系数是动力粘度系数：流层间出现相：流层间出现相对流速时的内摩擦特性。对流速时的内摩擦特性。27各物理量关系构成牛顿粘性定律牛顿粘性定律 （Newton, 1686) 牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所牛顿粘性定律说明流

17、体在流动过程中流体层间所产生的产生的切应力切应力与与法向速度梯度法向速度梯度成正比成正比，与压力无关与压力无关。这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。yxyx为切应力为切应力，第一个脚标第一个脚标 y y 表示切应力的法线方向（速度梯度方向表示切应力的法线方向（速度梯度方向) )，第二个脚标第二个脚标 X 表示切应力的方向表示切应力的方向( (速度方向速度方向) )。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 28（1 1）流体产生阻力损失的根本原因流体产生阻力损失的根本原因 ：流动着的流体内部有一种抗拒

18、内在流动着的流体内部有一种抗拒内在向前流动的特性，称为粘性。由于粘性的作用使得流体内部相邻两流向前流动的特性，称为粘性。由于粘性的作用使得流体内部相邻两流体层间产生作用力体层间产生作用力内摩擦力，它是产生阻力损失的根本原因。内摩擦力，它是产生阻力损失的根本原因。（2）牛顿型与非牛顿型流体：剪应力与速度梯度关系完全符合牛顿粘性）牛顿型与非牛顿型流体：剪应力与速度梯度关系完全符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和多数液体都属于这一类。凡定律的流体称为牛顿型流体，所有气体和多数液体都属于这一类。凡不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体。不遵循牛顿粘性定律的流体，统称为非牛顿型流体。（

19、3） 温度压力对粘度的影响：温度压力对粘度的影响：压力对流体粘度影响很小，通常可忽略不计。压力对流体粘度影响很小，通常可忽略不计。气体：当温度气体：当温度t升高时，粘度增大，是气体分子运动加剧所致。升高时，粘度增大，是气体分子运动加剧所致。液体：当温度液体：当温度t升高时，粘度降低，是液体间分子间作用力减小所致。升高时，粘度降低，是液体间分子间作用力减小所致。（4 4）牛顿粘性定律说明）牛顿粘性定律说明: :流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。流体的这一规律与固体表面的摩擦向速度梯度成正比，与压力无关。流体的这一规律

20、与固体表面的摩擦力规律不同。力规律不同。牛顿粘性定律总结：牛顿粘性定律总结：第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 29（1 1）分子间内聚力（引力）所引起。分子间内聚力（引力）所引起。（2）流体分子的）流体分子的垂直流动方向热运动垂直流动方向热运动（出现动量交换）所引（出现动量交换）所引 起。起。（3）液态流体出现粘性以分子间内聚力为主，而且液体粘度）液态流体出现粘性以分子间内聚力为主，而且液体粘度 随温度升高而减小。因为温度升高导致分子间距增大，随温度升高而减小。因为温度升高导致分子间距增大， 分子间引力减小。分子间引力减小。（4

21、）气态流体出现粘性以）气态流体出现粘性以 “垂直流动方向热运动垂直流动方向热运动” 为主，且为主，且气气 体粘度随温度升高而增大。因为温度升高导致分子热运体粘度随温度升高而增大。因为温度升高导致分子热运 动增强。动增强。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 30粘度（粘性系数）粘度（粘性系数）取决于取决于流体流体种类种类，是一个物性参，是一个物性参数。对于给定流体，粘度随温度和压力变化。数。对于给定流体，粘度随温度和压力变化。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 运动粘度

22、系数运动粘度系数概念概念动力粘度系数动力粘度系数 除以密度除以密度得到得到运动粘度系运动粘度系 ： = /的单位是m2/s，31第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 s 苏士兰常数 (K)32第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 33第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas。求

23、作用在活塞上的粘性力F。dDLF:粘性力，S:活塞接触面积, y: 距离34一种理想化的模型，无摩擦力，没有粘滞性，一种理想化的模型，无摩擦力，没有粘滞性，不可压缩的的流体，称为理想流体。不可压缩的的流体，称为理想流体。 第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 35服服从牛顿内摩擦定律的流体从牛顿内摩擦定律的流体第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 36 牛顿流体牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）部分轻油、气体等）牛顿

24、流体特性曲线牛顿流体特性曲线第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 37 （1）假假塑性流体和胀流性流体（看图的下部分）塑性流体和胀流性流体（看图的下部分）n 1，胀流性，胀流性假塑性流体假塑性流体 的的增长率增长率随随 dv/dz 的增大而降低（高分子溶的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）液、纸浆、血液等）胀流性流体胀流性流体的的增长率增长率随随 dv/dz 的增大而增加。（淀粉糊、的增大而增加。（淀粉糊、挟沙水流）挟沙水流） “非牛顿流体非牛顿流体”的的特性曲线特性曲线第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流

25、体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 38 “非牛顿流体非牛顿流体”的的特性曲线特性曲线（2 2）塑粘性流体）塑粘性流体克服初始应力克服初始应力0 0后，后，才与速度梯度成正比才与速度梯度成正比（看图的上部分）（看图的上部分）n 1， 屈服胀流性流体屈服胀流性流体塑粘性流体有：牙膏、新拌水泥砂塑粘性流体有：牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等。浆、中等浓度的悬浮液等。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 39 “非牛顿流体非牛顿流体”的的特性曲线特性曲线（3 3）触变性流体触变性流体粘性随流动状况改变。粘性随流动状况改变。第一

26、篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 40首先明确，作用在流体上的力包括首先明确，作用在流体上的力包括 ：质量力和表面力。：质量力和表面力。A 质量力（体积力）：质量力（体积力）：质量力是某种力场作用在全部流体质点质量力是某种力场作用在全部流体质点上的力，其大小和流体的质量或体积成正比，质量力作用在所上的力，其大小和流体的质量或体积成正比，质量力作用在所研究的流体质量中心。研究的流体质量中心。例如：重力、惯性力、电磁力等等。例如：重力、惯性力、电磁力等等。1.1.5 液体的表面张力及其衍生现象液体的表面张力及其衍生现象 第一篇第一篇 动

27、量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 41B 表面力：表面力：外界对所研究流体表面的作用力，作用在外表面，外界对所研究流体表面的作用力，作用在外表面，与表面积大小成正比。与表面积大小成正比。第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 内法线方向：法向应力内法线方向：法向应力压强压强切线方向：切向应力切线方向：切向应力剪切力剪切力流体相对运动时因粘性而产生的内摩擦力FFnF表面力具有传递性表面力具有传递性421 1、表面张力、表面张力：由分子的内聚力引起，单位是：由分子的内聚力引起，单位是：N/

28、m。发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界。的周界。2、毛细现象：、毛细现象：液固接触处，由表面张力引起。液固接触处，由表面张力引起。液固间附着力大于液体的内聚力（上升）液固间附着力大于液体的内聚力（上升）液固间附着力小于液体的内聚力（下降）液固间附着力小于液体的内聚力（下降）第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.1 流体的特性流体的特性 43 1.2 流体的流动流体的流动 1.2.1 流体的流动形态流体的流动形态雷诺实验雷诺实验 （Reynald， 1882）, 实验装置设计如下：实验装置

29、设计如下：第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.2 流体的流动流体的流动 44层流层流 (Laminar flow)水流较慢时，红色液体不与周围的水流较慢时，红色液体不与周围的水混合，自己形成流线。表明各层水混合，自己形成流线。表明各层水平行流动。水平行流动。过渡区过渡区( transition zone ) 水流速度加快时，红色液体振荡，水流速度加快时，红色液体振荡，流线弯曲。振荡随流速加大而加剧。流线弯曲。振荡随流速加大而加剧。紊流紊流 (Turbulent flow) (湍流湍流)流速增加到一定程度，液体出现混流速增加到一定程度，液体出现混合。表明水流

30、状况非常紊乱。合。表明水流状况非常紊乱。雷诺实验过程雷诺实验过程 （层流、过渡区、紊流（湍流）的详细图解）（层流、过渡区、紊流（湍流）的详细图解）第一篇第一篇 动量传输动量传输 第第1章章 流体及其流动流体及其流动 1.2 流体的流动流体的流动 45层流概念：层流概念： 液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之液体沿管轴方向流动时，流束之间或流体层与层之间彼此不相混杂，质点没有径向的运动，都保持各自的间彼此不相混杂，质点没有径向的运动，都保持各自的流线运动。这种流动状态，称为流线运动。这种流动状态，称为 “层流运动层流运动”。紊流概念：紊流概念： 管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则有管中流速再稍增加，或有其它外部干扰振动，则有色液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。这种运动状态，色液体将破裂、混杂成为一种紊乱状态。这种运动状态，称为称为 “紊流运动紊流运动”。第一篇第一篇 动量传输动