【正文】 流體力學(xué)與傳熱 曾朝霞 概述 一、本課程的性質(zhì)與任務(wù) 性質(zhì) : 是工程學(xué)科的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程 任務(wù) : 論述化工單元操作中 ,流體流動(dòng)與 熱量傳遞的基本原理、工程計(jì)算、 典型設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)。 二、本課程的研究對(duì)象和研究方法 研究對(duì)象 化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的單元操作 研究方法 物料衡算 能量衡算 平衡關(guān)系 過(guò)程速率 概述 在各種化工生產(chǎn)過(guò)程中，除了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程外，還有大量的物理加工過(guò)程。具有共同物理變化特點(diǎn)的基本操作稱為化工單元操作。 單元操作 蠟油催化裂化燃料油、石油氣裂解制乙烯和丙烯、二氧化碳與氨制尿素的生產(chǎn)過(guò)程如下圖 : 三、單位制度與單位換算 單位制度 基本量 選出 的物理量 基本單位 給基本量 規(guī)定 的單位 導(dǎo)出單位 根據(jù)物理意義或物理公式 ,由基本單位組合 導(dǎo)出 的 其它物 理量的單位 概述 顯然： 選擇不同的基本量及單位 ,則產(chǎn)生不同的單位制度 。 同一物理量在不同的單位制度中可能有不同的單位。 概述 物理制 (cgs制 ) 絕對(duì)實(shí)用制 (MKS制 ) 基本物理量 長(zhǎng)度 質(zhì)量 時(shí)間 長(zhǎng)度 質(zhì)量 時(shí)間 基本單位 cm g s m kg s 工程制 國(guó)際單位制 (SI制 ) 基本物理量 長(zhǎng)度 力 時(shí)間 長(zhǎng)度 質(zhì)量 時(shí)間 熱力學(xué)溫度 物質(zhì)數(shù)量 電磁強(qiáng)度 發(fā)光強(qiáng)度 基本單位 m kgf s m kg s K mol A cd 三、單位制度與單位換算 *單位 換算 例：重力加速度在 SI制中的單位為 m/s2,其值為 ，在物理制中，其值為981 ，單位為 cm/s2 概述 概述 四 、 物料衡算 — 質(zhì)量守恒的一種表 達(dá)形式 要點(diǎn) : *正確確定衡算范圍 ** 獨(dú)立方程數(shù)應(yīng)與未知數(shù)個(gè)數(shù)一致 概述 五、能量衡算 — 能量守恒的一種表 達(dá)形式 要點(diǎn) : *正確確定衡算范圍 **獨(dú)立方程數(shù)應(yīng)與未知數(shù)個(gè)數(shù)一致 ***某些能量是相對(duì)值 第一章 流體流動(dòng) 本章內(nèi)容 ? ? ? ? ? ? ? 流體的基本特性 第一章流體流動(dòng) “流體質(zhì)點(diǎn)”是由 大量分子 組成的 體積無(wú)窮小 的微量流體。 ?“ 流體是連續(xù)介質(zhì) ” 的定義 流體是由無(wú)數(shù)連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體質(zhì)點(diǎn)的尺寸遠(yuǎn)大于分子間距離，質(zhì)點(diǎn)間距離小于分子間距離，可看作質(zhì)點(diǎn)間沒間隙。 流體的基本特性 第一章流體流動(dòng) ? 流體力學(xué)研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律 流體宏觀運(yùn)動(dòng)的某些屬性是大量分子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)平均值的體現(xiàn)。 “流體質(zhì)點(diǎn)”在微觀世界是無(wú)窮大，故能代表宏觀運(yùn)動(dòng)的某些流體屬性，如溫度、壓強(qiáng)等。 流體的基本特性 第一章流體流動(dòng) 工程問題所研究的流體的空間尺度通常要比分子距離大得多。 流體質(zhì)點(diǎn)在宏觀世界是無(wú)窮小，故能運(yùn)用數(shù)學(xué)的微積分方法。 ? 利用微分方程等數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體宏觀運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，要求流體連續(xù) 流體在一定溫度下，體積隨壓強(qiáng)增大而縮小的特性稱為 流體的壓縮性。 1)(1 1dpd ??? ?? 流體體積壓縮系數(shù)： 一定溫度下 ,單位壓強(qiáng)增量引起的流體體積變化率。 ?體積壓縮系數(shù) 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 13 ??? kgm流體的比體積，? 流體的基本特性 第一章流體流動(dòng) dpddddd?????????????????????1 1即：?體積壓縮系數(shù)得另一個(gè)表達(dá)式 嚴(yán)格意義上來(lái)講，一切流體都是可壓縮的。 ? 液體壓縮性很??；氣體壓縮性很大。 ? 流體的壓縮性是否要被考慮，視流體壓強(qiáng)變化情況而定。 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 ? 何為流體粘性？ 流體層間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生切向摩擦力（即粘性力） 的性質(zhì)稱為流體之粘性 。 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 ? 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng) ?流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會(huì)產(chǎn)生粘性力 ?流體將粘附于它所接觸的固體表面 由于粘性的存在， 流體流動(dòng)時(shí)任意相鄰兩層流體間是相互抵抗的，相互抵抗的作用力是剪切力，也稱之為內(nèi)摩擦力、粘滯力、粘性摩擦力。 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 粘性摩擦力是一種表面力，作用在接觸面上。作用方向沿接觸面的切線方向。 實(shí)驗(yàn)證明： 對(duì)于大多數(shù)流體， 當(dāng) h和 u不是很大時(shí)，兩平板間沿 y方向的流速呈線性分布。即 流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力 F、相鄰流體層的速度差△ u、層間的垂直距離△ y以及兩流體層的接觸面積 A之間存在以下關(guān)系： AyuF ???第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 牛頓平板實(shí)驗(yàn) ohdyyu+duuyUF上式寫成等式： 更廣義地： 上式即為牛頓粘性定律 AyuF??? ?AdyduF ??第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 以 τ 表示單位接觸面積上的 剪切力，稱為 切向應(yīng)力，則有： 牛頓粘性定律的物理意義： 作用在流層上的切向應(yīng)力與相鄰兩層間的速度梯度成正比。 dyduAF ?? ??第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 τ 也稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力、粘滯應(yīng)力、粘性摩擦應(yīng)力。 τ 不為零的條件是： ? 粘性流體 ? 流層存在速度梯度 dyduAF ?? ??第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 牛頓粘性定律式中的比例系數(shù) μ 稱為流體的動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度， 是衡量流體粘性大小的物理量， 為流體的重要物性。 dydu?? ?第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 動(dòng)力粘度的單位為 ，或 11 ?? ?? smkg? 粘度的物理意義 在速度梯度為 1時(shí)，流體層間單位接觸面積上，由流體的粘性所引起的內(nèi)摩擦力的大小。 dyduAF??第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 ? 粘度的影響因素 ),( xpTf??第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 粘度是溫度、壓力、流體組成的函數(shù) 1)壓力的影響只體現(xiàn)在高壓時(shí)。 2)溫度對(duì)粘度的影響很大，溫度上升，氣體粘度增大而液體粘度則下降。 ? 粘度的影響因素 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 液體： 分子 內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。 溫度 ↑→ 分子間距 ↑→ 分子吸引力 ↓→ 內(nèi)摩擦力 ↓→ 粘度 ↓ 氣體： 分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。 溫度 ↑→ 分子熱運(yùn)動(dòng) ↑→ 動(dòng)量交換 ↑→ 內(nèi)摩擦力 ↑→ 粘度 ↑ 氣體液體氣體粘度o 溫度 ? 流體的運(yùn)動(dòng)粘度 動(dòng)力粘度與密度之比稱為運(yùn)動(dòng)粘度。 粘度可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，也可由一些理論或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 )/( 2 sm??? ?? 粘度為零的流體稱為理想流體 ? 理想流體流動(dòng)沒有粘性阻力 ? 當(dāng)實(shí)際流體靜止或流層以相同流速流動(dòng)時(shí)， 粘性阻力不體現(xiàn)。 ? 理想流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)求解比 實(shí)際流體的簡(jiǎn)單得多。 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 凡遵循牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體。 如 水、空氣、汽油和水銀 等 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 牛頓型流體和非牛頓型流體 第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 牛頓型流體和非牛頓型流體 凡不遵循牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體。 如 泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土 等。 1)賓漢塑性流體 滿足下式： 特性： 流動(dòng)發(fā)生在屈服應(yīng)力被克服之后 此類流體有：牙膏、紙槳、泥漿等 )(0dyduK?? ??第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 牛頓型流體和非牛頓型流體 2)假塑性流體 (油脂、油漆、涂料等 ） 3)漲塑性流體 （ 硅酸鉀、阿拉伯樹膠等 ） 1 )( ?? ndyduK n?1n )( ?? ndyduK?第一章流體流動(dòng) 流體的基本特性 牛頓型流體和非牛頓型流體 牛頓型流體和非牛頓型流體對(duì)比 dydu?? ?)(0 dyduK?? ??1n )( ?? ndyduK?1n )( ?? ndyduK?dydu第一章流體流動(dòng) ? 流體的粘性－ 流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性稱為粘性 ? 粘度的物理意義－ 在速度梯度為 1時(shí)，流體層間單位接觸面積上，由流體的粘性所引起的內(nèi)摩擦力的大小。 要點(diǎn)回顧 ? 粘度的影響因素 壓力的影響只體現(xiàn)在高壓時(shí)。 溫度對(duì)粘度的影響很大， 溫度上升，氣體粘度增大而液體粘度則下降。 流體流動(dòng)時(shí)任意相鄰兩層流體間是相互抵抗的，相互抵抗的作用力是剪切力，也稱之為內(nèi)摩擦力、粘滯力、粘性摩擦力 要點(diǎn)回顧 ? 牛頓粘性定律－ 作用在流層上的切向應(yīng)力與相鄰兩層間的速度梯度成正比。 要點(diǎn)回顧 dydu?? ??作用在流體上的力與靜壓強(qiáng) ?流體靜力平衡規(guī)律 ?流體靜力學(xué)基本方程式在工程上的應(yīng)用 主要內(nèi)容： ? 流體靜力學(xué)研究 “ 靜止 ” 態(tài)流體的力學(xué)規(guī)律 ? 靜止流體不體現(xiàn)粘性作用 第一章流體流動(dòng) 流體的靜力平衡及其應(yīng)用 — 作用在流體體積 表面 上的力 兩類作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力 一、表面力 第一章流體流動(dòng) 流體的靜力平衡及其應(yīng)用 二、質(zhì)量力 （體積力） — 作用在 流體 內(nèi)部 每個(gè)流體微團(tuán)上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。 例如：重力、慣性