第一章动量传输的基本概念

1第一篇动量传输PartIMomentumTransport周瑞2009.22动量传输研究的对象与性质动量传输是研究流体在外界作用下（力的作用下）的运动规律的一门科学——流体力学。⑴可流动性：指流体在任意小的切应力的作用下都会发生明显的变形。⑵可压缩性：指在压力作用下，流体体积会发生明显的变化。3本篇的重点在于从传输的角度，研究流体的运动规律。主要掌握流体流动的连续方程和伯努利方程在冶金和材料热加工过程中的应用。要学习流体的动量传输的问题，首先就要了解流体的基本性质及其流动特点和有关的定义。4第一章动量传输的基本概念5Contents1.流体的概念2.流体的主要物理性质密度比容流体的压缩性3.流体粘性牛顿粘性定律流体的粘度理想流体与粘性流体4.流体的压强61.流体的概念ConceptsofFluids工程上将只能抵抗压力而在一定的切应力作用下会产生连续不断变形（即流动）的物质统称为流体。流体包括：气体和液体与固体相比，流体不能传递拉力，但可承受压力，传递压力和切力，并在压力和切力作用下流动。这种流动一直可持续下去，直到撤去压力或切力为止。7流体的连续性虽然任何流体在原子/分子的微观尺度上看，流体物质的性质是间断的。而我们所研究的流体的动量传输，以及流体的热量和质量问题，如密度、压力、速度、温度和成分则是宏观尺度的物理量，是由大量分子/原子的行为和作用的平均效果。因而可以认为我们所研究的动量传输介质—流体的所有物理性质和物理量是连续的，这样就可以用连续函数的解析方法（微积分学）研究流体的静力学和动力学。8定量描述流体的流动行为及动量传输，需要了解和定义流体有关的物理性质和参数。(1)密度：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，用ρ表示，对质量分布不均匀的流体，某点的密度定义为式中：ρ—流体的密度[kg/m3]；Δm—流体微元的质量[kg]；ΔV—流体微元的体积[m3]；2.流体的物理性质PhysicalPropertiesofFluids0limVmdmVdV9Vm/对于均匀分布的流体，密度为式中：ρ—流体的密度[kg/m3]；m—流体的质量[kg]；V—流体的体积[m3]；各种流体的密度值可由物理、化学手册查得，液体的密度基本不随压力变化，但随温度略有变化，查液体密度时，要注意所指温度。10(2)比容：单位质量流体所具有的体积，对于均质流体比容为：一般情况下，流体的密度是可变的（受T,P影响）在某些情况下，密度的变化会对流动状态产生很大的影响，如：温度梯度和浓度梯度影响下的自然对流。比容与密度互为倒数/1/Vm11混合物的密度对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分率表示，以1kg混合液体为基准，若各组分在混合前后的体积不变，则1kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和：式中ρA，ρB，…，ρn分别为混合物中各纯组分的密度（kg/m3），xWA,xWB,…，xWn为液体混合物中各组分的质量分率。1WAWBWnABnxxx12混合物的密度对于气体混合物，各组分的浓度常用体积分率表示，以1m3混合气体为基准，若各组分在混合前后质量不变，则1m3混合气体的质量等于各组分的质量之和式中，xVA，xVB，…，xVn为气体混合物中各组分的体积分率。mAVABVBnVnxxx13（3）流体的压缩性：在压力的作用下，流体体积发生明显的变化。流体的体积一般随所受压力的增加而减小，或随温度的升高而增大。液体的压缩性不显著，如水在0~20℃，1~500个大气压范围内，每增加一个大气压，水的体积只改变1/20000左右，所以工程上一般将液体视为不可压缩流体。14根据理想气体状态方程：式中：T—绝对温度P—绝对压力R—气体常数V—比体积m—气体的质量M—气体的分子量mPVRTM气体与液体有很大的差别，当压力或温度变化时，其体积和密度都相应的发生变化。15等压过程的气体的体积膨胀特性。由密度变化表示为：其中，β=1/273，ρ0为气体在标准状态下的密度，t为摄氏度。)1(0t实际流体都是可压缩的，不可压缩流体是为了便于处理，而当流体密度变化较小时所作的假设。163.流体的粘性ViscosityofFluids流体的粘性流体的粘性是指流体在变形或流动时，其本身所具有的阻滞流动或变形的性质。流体粘性产生的原因流体的粘性是由流体分子间的内聚力和分子的扩散造成的，流体的粘性用粘度来衡量。自然界中的流体都具有一定的粘性，称为粘性流体或实际流体。173.流体的粘性ViscosityofFluids牛顿提出了描述粘性流体不均匀流动时内摩擦力F与速度变化率之间的关系，即牛顿流体粘性定律的假说，可由下式表示：式中:F—内摩擦力或粘性力[N]；A—层间的接触面积[m2]；du—上下层的相对速度[m／s]dy—层间垂直距离[m]；duFAdy牛顿粘性定律18将上式改变形式，并引入系数，可得到如下微分形式的牛顿流体粘性定律表达式：式中：—表示单位面积上的内摩擦力或称粘性力[N/m2][pa];du/dy—为流动速度在垂直方向上的变化率，即速度梯度。—比例常数，称作动力粘度(dynamicviscosity)[Pa.s][Ns/m2]FduAdy19粘度表征流体抵抗连续变形的能力，是流体的一个物理参数，决定于流体的物理状态和性质。在动量传输分析与计算中，在取由牛顿粘性定律引出的动力粘度(dynamicviscosity)μ时，也常取运动粘度(kinematicviscosity)ν：ν=μ/ν单位为[m2/s]，μ和ν通常是温度的函数，压力对它们也有一定的影响，在计算中常将动力粘度和运动粘度取为常数。流体的粘度20在相同的流速下，动力粘度μ越大的流体所产生的粘性力也越大，即流体因克服阻力而损耗的能量也越大，所以对于粘度较大的流体所选用的流速应比粘度小的低些。运动粘度ν也是动量传输中的基本物理参数，它的数值越大，则随分子扩散而发生的动量传输越难，故流体的流动性越差。例如水的动力粘度虽然比空气大的多，但运动粘度却反而比空气的小，说明水比空气的流动性好。21粘度的影响因素温度对流体的粘性影响很大，温度升高时液体的粘度降低，流动性增强，气体则相反。22粘度的影响因素压力变化对动力粘度μ的影响不大，因此一般只考虑温度的影响。而运动粘度ν则不然，因为它和密度ρ有关，压力的变化会引起可压缩性流体密度变化，所以对可压缩流体更多是采用μ而不是ν。23混合物的粘度冶金生产中常遇到各种流体的混合物，计算混合物粘度时，不能简单地按组分叠加，只能用适当的经验公式估计，如液体混合物粘度可计算为式中μ1，μ2，…，μn为各组分的粘度，x1，x2，…，xn为液体各组分的摩尔分数。1122lglglglgnnxxx24混合物的粘度低压气体混合物的粘度可用下式计算：式中，μm为气体混合物的粘度，yi为气体混合物i组分的摩尔分数；μi为气体混合物中i组分的粘度，Mi为气体混合物中i组分的分子量。1/211/21niiiimniiiyMyM25粘性流体(Newtonianfluids)：具有粘性的流体统称为粘性流体。理想流体(idealfluid)：假定完全没有粘性即μ=0的不可压缩的流体。引入理想流体的概念，在研究实际流体运动规律时很有作用，这是由于粘性的存在给流体流动的数学描述和处理带来很大困难。理想流体和粘性流体264.流体的压强PressureIntensityofFluids压强：垂直作用于单位面积流体上的压力。压强的单位是Pa。工程上经常使用其它单位，常用压力的换算关系为：1atm=1.013×105Pa=10.33mH2O=760mmHg/PFA27绝对压强：用绝对零压作为起点的压强。相对压强：在工程设备中，流体各部分同时受到大气压的作用而相互抵消，所以工程中所关心的是超出大气压的部分，称作相对压强。一般测压仪表都是测定相对压强，故相对压强又成为表压强，计算式为：式中，PM，P与Pat分别表示表压强、绝对压强及当地大气压。MatPPP28真空度：当流体绝对压强小于当地大气压时，相对压强（P-Pat）为负值，称为负压。其差值的绝对值称为真空度。例如某设备内流体绝对压强为1325Pa，则其相对压强为：PM=1325-101325Pa=-100000Pa，即负压为100000Pa，也可称真空度100000Pa。29Review1.流体的概念2.流体的主要物理性质密度比容压缩性3.流体粘性牛顿粘性定律流体的粘度理想流体和粘性流体4.流体的压强：绝对压强，相对压强，真空度