中国石油北京1流体的流动性质

1/21第一章流体的流动性质§1流体力学的基本概念§2流体的连续介质假设§3状态方程（热力学特性）§4传导系数（传质与传热特性）§5表面张力与毛细现象2/21§1流体力学的基本概念流体无固定形状，它们的形状随盛装容器的形状的改变而改变。在外力的作用下，流体和固体表现出不同的行为特征。固体有抗拉与抗压强度，流体(除粘弹性流体之外的)却没有抗拉强度，可以承受压力。固体间摩擦力取决于其接触面的压力。而流体摩擦力与施加的压力无关。固体在静止状态下仍存在摩擦力，而流体在静止状态下不存在剪切应力。固体在弹性极限范围内能承受剪切应力，而流体只要有剪切作用存在，将立即产生形变。流体质点具有大的流动性，具有平移、旋转和振动等运动形式。相比之下，固体分子的迁移受到限制，仅能在相对固定的位置振动或转动。流体运动与受力相关特性。流体定义：被认为是在外力作用下能产生连续变形的各向同性的物质。流体运动的特征形式是流体流动，此流动可用三维欧几里得空间的连续变换来表征。3/21§1流体力学的基本概念cm7103810液体的分子间距和分子有效直径差不多是相等的，当液体受压时，由于分子间距稍有缩小，就会表现出强大的分子斥力来抵抗外力。也就是说，液体分子间距很难缩小，通常把液体不可压缩。另一方面，由于分子引力的作用，液体有力求自身表面面积收缩到最小的特性，所以在大容器里只能占据一定的体积，而在上面形成自由的分界面。液体表面存在表面张力。一般说来，气体分子间距较大，分子间引力很小。分子间距比分子有效直径大得多。只有当气体分子间距缩小很多时，才会出现分子斥力，故气体可压缩。又因为气体分子间距离很大，分子间引力很小，这就使得气体即没有一定的形态，也没有一定的体积。因此一定量气体进入较大容器内，由于分子不断的运动，结果使气体均匀充满整个容器，而不会形成自由液面。气体没有表现张力行为。液体与气体差别4/21第一章流体的流动性质§1流体力学的基本概念§2流体的连续介质假设§3状态方程（热力学特性）§4传导系数（传质传热特性）§5表面张力与毛细现象5/21§2流体的连续介质假设虽然流体的真实结构是由分子构成，分子间有一定的孔隙，但流体力学研究的并不是个别分子微观的运动，而是研究大量分子组成的宏观流体在外力的作用下所引起的机械运动。因此在流体力学中引入连续介质假设：即认为流体质点是微观上充分大，宏观上充分小的流体微团，它完全充满所占空间，没有孔隙存在。这就摆脱了复杂的分子运动，而着眼于宏观机械运动。dVdmVmVV'lim6/21第一章流体的流动性质§1流体的基本概念§2流体的连续介质假设§3状态方程（物性）§4传导系数（传质传热特性）§5表面张力与毛细现象7/21§4状态方程状态方程),(Tpp),(TVpp定压热膨胀系数ptTVV1ptT1等温压缩系数TppVV1Tpp1等容压力系数TppV1pptV任意温度下的密度00[1()]tTT00[1()]ppp8/21§4状态方程ZRTp理想气体实际气体VVZcrpppcrTTT),(rrTPfZ图1.5-1.6图1.79/21§4状态方程内能和焓：),(TV),(TVii不可压缩流体、理想气体TcTcipRccpccp10/21第一章流体的流动性质§1流体力学的基本概念§2流体的连续介质假设§3状态方程（热力学特性）§4传导系数（传质传热特性）§5表面张力与毛细现象11/21dydx§5传导系数在机械作用情况下，应力为动量的传导量。对于一维流体运动，剪切应力为dydxsPasPaP1.01PcP01.01——剪切应力，单位时间穿过单位面积的动量流率，——为速度梯度工程单位：泊／Ｐ——为动力粘性系数，国际单位厘泊／mＰ许多水动力学方程中，我们常用到粘度与密度的比值——运动粘度v国际单位sm2工程单位：斯、厘斯cStscmSt100/11212/21§5传导系数•动力粘度流体特征属性，是温度、压力和剪切速率函数。•与剪切速率关系如果流体的粘度与剪切速率无关，称此流体为牛顿流体。•温度影响：最简单的情况是，动力粘度仅是温度的函数。对等温流体，粘度为常数，在定压条件下，所有牛顿流体的粘度均随温度的升高而减小；而气体的粘度刚好相反。•压力影响：纯液体的粘度在很大程度上取决于温度，而对压力变化不敏感。在极高的压力下（～100Mpa），液体的粘度随压力的增加而显著增加。低压条件下气体的粘度可根据运动学理论计算。压力达到0.8－1Mpa以上时，压力的影响就比较明显了。p13/21在系统与环境间有热作用时，对于一维问题，热通量为q热通量，w/m2K热传导系数，w/(m.k)§5传导系数dxdTkq14/21第一章流体的流动性质§1流体力学的基本概念§2流体的连续介质假设§3状态方程§4传导系数§5表面张力与毛细现象15/21LT§6表面张力与毛细现象在液体的表面存在一种使外表面收缩的作用现象。从微观角度看，液体表面这种作用存在于一个厚度约为分子有效作用距离（约米数量级）的薄层上，称这一薄层为表面层。设在一薄层液膜的表面上取一截线，线两边的液面存在相互作用的拉力，其方向与截线垂直并位于液面内，称这种力为液体的表面张力，记为T称为表面张力系数，单位mN/16/21§6表面张力与毛细现象液体分子间存在吸引力，当液体与固壁接触时，液体分子和固体分子间也存在作用力，称为附着力。当吸引力小于附着力时，液体能湿润固体17/214/cos2hDgDgDhcos4§6表面张力与毛细现象18/21液体曲面的压强212111RRppp§6表面张力与毛细现象毛细现象造成液面呈曲面，这样再分析液面与固壁交界处的液面表面张力，因其作用方向指向液内，使曲面两侧出现压强差，称这种由表面张力引起的附加压强为毛细压强。19/21精品课件！20/21精品课件！21/211-12作业1-81-5