化工流体力学第一章

化工流体力学第一章第1页，课件共24页，创作于2023年2月本章目录第一节流体的物理属性第三节引发流体运动的方式、工艺过程的操作条件第四节液膜流动第二节流动空间的几何特征，流动问题分类第2页，课件共24页，创作于2023年2月第一节流体的物理属性连续介质假定密度，压缩性粘性，牛顿流体导热性，热导率扩散性，扩散系数表面张力第3页，课件共24页，创作于2023年2月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。第4页，课件共24页，创作于2023年2月连续介质假定：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。

(1)可用连续性函数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。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。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。第5页，课件共24页，创作于2023年2月密度，压缩性密度是表征流体最基本的物理量。气体和液体的密度可以相差几个数量级。如277K时，流体体积或密度随压力变化的性能称为压缩性。一般来说，液体比气体的压缩性小得多。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）

第6页，课件共24页，创作于2023年2月粘性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大的变形。当变形速度大时，流体则呈现出一定的抵抗力。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速率的能力成为粘性。

理想流体：黏性可被忽略的流体。

无滑移现象：紧靠壁面的一层流体，将不做相对器壁的宏观运动。

第7页，课件共24页，创作于2023年2月牛顿黏性定律上式称为牛顿黏性定律式中：——动力粘度，简称黏度；——速度梯度，也可理解为剪切变形速率，简称剪切速率，以表示。第8页，课件共24页，创作于2023年2月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，却不能停止流动第9页，课件共24页，创作于2023年2月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（Pa·s),CGS制中是泊(P)，1Pa·s=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。

第10页，课件共24页，创作于2023年2月温度升高时:液体分子间平均距离增大，内聚力减小，使粘

度相应减小

(b);气体分子运动加剧，动量交换激烈，使粘度相应增大(a)。第11页，课件共24页，创作于2023年2月常温常压下水的粘度是空气的55.4倍粘度与密度的比值称为运动粘度

在SI制中运动粘度的单位是m2/s(cm2/s);常温常压下空气的运动粘度是水的15倍水空气水空气第12页，课件共24页，创作于2023年2月

牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体：切应力与速度梯度之间呈线性关系，即动力粘性系数为常数。非牛顿流体：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，反之为触变性流体。广义牛顿切应力公式：对于牛顿流体非牛顿流体第13页，课件共24页，创作于2023年2月典型的非牛顿流体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：式中，m——稠度系数，n——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）n＜1；假塑性流体（3）n＞1；膨胀流体第14页，课件共24页，创作于2023年2月2.黏塑性流体若，若，服从上两式的液体称为黏塑性流体，也叫宾汉流体。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。第15页，课件共24页，创作于2023年2月导热性，热导率流体中存在温度差，就会有热量传递，需考虑流体的导热能力表示流体导热能力的物理性质是热导率热量传递方式导热对流热辐射第16页，课件共24页，创作于2023年2月傅里叶定律单位时间内所传导的热量单位面积、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。

第17页，课件共24页，创作于2023年2月比例系数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。第18页，课件共24页，创作于2023年2月扩散性，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。物质必然从浓度高扩散到浓度低处，从而产生了物质传递。第19页，课件共24页，创作于2023年2月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，第20页，课件共24页，创作于2023年2月表面张力表面张力通常是指液体与气体交界面上的张应力2.表面张力现象：⑴肥皂泡⑵洗洁剂⑶毛细现象第21页，课件共24页，创作于2023年2月第二节流动空间的几何特征，流动问题分类流体运动问题的分类

外部流动（绕流）：管外流动内部流动：管内流动典型的化工设备搅拌槽：鼓泡塔：固定床：流化床；第22页，课件共24页，创作于2023年2月第三节引发流体运动的方式、工艺过程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）Re＜2000，层流

2000＜Re＜4000，过度流