第一章节流体力学与应用幻灯片.pptVIP

第一章流体力学与应用 第一节 概述 流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因有以下三个方面： （1）流动阻力及流量计算 （2）流动对传热、传质及化学反应的影响 （3）流体的混合效果 化工生产中，经常应用流体流动的基本原理及其流动规律解决关问题。以下图煤气洗涤装置为例来说明： 流体动力学问题：流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等； 流体静力学问题：压差计中流体、水封箱中的水； 确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力； 根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。 一、流体的分类和特性 气体和液体统称流体。流体有多种分类方法： 1）按状态分为气体、液体和超临界流体等； 2）按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体； 3）按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体（或实际流体）； 4）按流变特性可分为牛顿型和非牛顿型流体； 流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一。 二、流体流动的考察方法 流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。在物理化学（气体分子运动论）重要考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动。这种考察方法认为流体是不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将非常复杂。 1.连续性假设(Continuum hypotheses) 在化工原理中研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。 连续性假设:假定流体是由大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。 2.流体流动的考察方法 ① 拉格朗日法 选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、数度等）与时间的关系。可见，拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。 ② 欧拉法 在固定的空间位置上观察流体质点的运动情况，直接描述各有关参数在空间各点的分布情况合随时间的变化，例如对速度u，可作如下描述： 三、流体流动中的作用力 任取一微元体积流体作为研究对象，进行受力分析，它受到的力有质量力（体积力）和表面力两类。 1.质量力（体积力） 与流体的质量成正比，质量力对于均质流体也称为体积力。如流体在重力场中所受到的重力和在离心力场所受到的离心力，都是质量力。 2.表面力 表面力与作用的表面积成正比。单位面积上的表面力称之为应力。 ①垂直于表面的力p，称为压力（法向力）。 单位面积上所受的压力称为压强p。 ② 平行于表面的力F，称为剪力（切力）。 单位面积上所受的剪力称为应力τ。 3.牛顿粘性定律 流体流动时，往往会产生阻碍流体流动的内摩擦力，这种流动特性称为流体的粘性。 令?＝F/A为单位面积上的内摩擦力，即剪应力，则 式中?为比例系数，称为动力粘度或粘度，是流体的一种物性，其物理意义是速度梯度为1时，因流体粘性而产生的剪应力。法定计量单位为Pa?s或N ? m-2 ?s 。而用物理单位制（GCS）表示的单位则为达因?秒?厘米-2(dyn?cm-2 ?s)，称之为泊（P)，它们之间的换算关系为： 1cP=10-2P= 10-3Pa ?s 粘度的数值一般由实验测定，它与压强的关系不大，但受温度的影响：液体的粘度随温度的升高而减小；气体的粘度随温度的升高而增大。 四、非牛顿型流体 凡不遵循牛顿粘性定律的流体，称为非牛顿型流体。如血液、牙膏等。 对于大多数非牛顿型流体，在很大范围的剪切速率下，可以用下列指数方程表示： 与牛顿粘性定律相比，上式可以写成： 非牛顿型流体主要有以下几种： 1）宾汉塑性流体（Bingham plastic fliud） 剪应力必须超过一个初始剪应力?0 ，才能产生剪切速率，如图中的曲线d。 2）假塑性流体（pseudoplastic fliud） 这类流体服从下面方程式，但流性指数n1，因此表观粘度值随剪切速率的增大而减小，如图中曲线b。 3）涨塑性流体（dilatant fliud） 流性指数n1时，与假塑性流体相反，其表观粘度值随剪切速率的增大而增大，如图中曲线c。 第二节 流体静力学 一、密度和相对密度 1. 密度 单位体积流体的质量称为流体的密度，单位：kg?m-3