搜索
化工传递过程基础第一章传递过程概论本章主要论述流体流动的基本概念，动量、热量与质量传递的类似性及衡算方法等内容。1.传递过程基本概念•1.1概论系统状态：非平衡状态(传递现象)平衡状态物理量：c,T,v…传递种类：质量、能量、动量时空间物理量的差异→梯度→流体流动、热量传递、质量传递物理量平衡过程和传递过程•传递过程：物理量向平衡转移•平衡状态：强度性质的物理量不存在梯度•补充：•体系的宏观可测性质可分为两类：1.广度性质，与体系的数量成正比，如体积、质量等，具有加和性2.强度性质：不具有加和性，其数值取决于体系自身特性，与体系数量无关，如温度、压力、密度等平衡过程和传递过程•热力学：研究热和其他形式的能量转换关系，探讨平衡过程的规律，能否进行，到何程度、如何影响•热力学平衡条件：1.热平衡：体系各部分温度相等2.力学平衡：边界不发生相对移动3.相平衡:相间没有物质转移4.化学平衡：体系组成不随时间变化平衡过程和传递过程1.动量传递过程：在流体中，若两个相邻的流体层速度不同，则发生由高速层向低速层的动量传递•两个相邻流体层的动量传递平衡过程和传递过程2.热量传递过程：•物体各部分存在温度差，热量由高温区向低温区传递平衡过程和传递过程3.质量传递：当体系中的物质存在化学势差异时，则发生由高化学势区向低化学势区域的传递•化学势的差异可以由浓度、温度、压力或电场力所引起。常见的是浓度差引起质量传递过程，即混合物种某个组分由高浓度向低浓度区扩散平衡过程和传递过程•传递过程的速率可以用通式表示如下1.1流体的定义和特征第一章传递过程概论(动量传递)•物质存在的形态有三种：固体、液体和气体。•我们通常把能够流动的液体和气体统称为流体。•从力学角度来说，流体在受到微小的剪切力作用时，将连续不断地发生变形(即流动)，直到剪切力的作用消失为止。所以，流体可以这样来定义：•在任何微小剪切力作用下能够连续变形的物质叫作流体。•流体和固体由于分子结构和分子间的作用力不同，因此，它们的性质也不同。在相同体积的固体和流体中，流体所含有的分子数目比固体少得多，分子间距就大得多，因此，流体分子间的作用力很小，分子运动强烈，从而决定了流体具有流动性，而且流体也没有固定的形状。流体不能承受集中力，只能承受分布力。流体的上述物理力学特性使流体力学（水力学）成为宏观力学的一个独特分支。1.1流体的定义和特征流体与固体相比有以下区别：(1)固体既能够抵抗法向力——压力和拉力，也能够抵抗切向力。而流体仅能够抵抗压力，不能够承受拉力，也不能抵抗拉伸变形。另外，流体即使在微小的切向力作用下，也很容易变形或流动。(2)固体的应变与应力的作用时间无关，只要不超过弹性极限，作用力不变时，固体的变形也就不再变化，当外力去除后，形变也就消失；对于流体，只要有应力作用，它将连续变形(流动)，当应力去除后，它也不再能恢复到原来的形状。1.1流体的定义和特征液体和气体虽都属于流体，但两者之间也有所不同。液体的分子间距和分子的有效直径相当。当对液体加压时，只要分子间距稍有缩小，分子间的排斥力就会增大，以抵抗外压力。所以液体的分子间距很难缩小，即液体很难被压缩。以致一定质量的液体具有一定的体积。液体的形状取决于容器的形状，并且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自己表面积收缩到最小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时，液体不能充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面，通常称为水平面。气体的分子间距比液体大，在标准状态(0℃,101325Pa)下，气体的平均分子间距约为3.3×10－6mm，其分子的平均直径1.1流体的定义和特征约为2.5×10－7mm。分子间距比分子平均直径约大十倍。因此，只有当分子间距缩小得很多时，分子间才会出现排斥力。可见，气体是很容易被压缩的。此外，因气体分子间距与分子平均直径相比很大，以致分子间的吸引力很微小，而分子热运动起决定性作用，所以气体没有一定的形状，也没有固定的体积，它总是能均匀地充满容纳它的容器而形成不了自由表面。1.1流体的定义和特征1.2流体力学（水力学）的主要研究内容1.流体在外力作用下，静止与运动的规律；关于流体平衡的规律，即流体静力学；关于流体运动的规律，即流体运动学和流体动力学；2.流体与边界的相互作用。1.3与流体力学相关的工程领域和学科空气和水是地球上广泛存在的物质，所以与流体运动关联的力学问题是很普遍的。流体力学在许多学科和工程领域有着广泛的应用，其重要性不言而喻1.4与其他课程之间的联系•流体力学是继《高等数学》、《大学物理》《理论力学》之后开设，同时又成为学习许多后续专业课程计算流体力学和从事专业研究的必备基础。•高等数学要求复习掌握：微分（偏导数、导数）、积分（曲面积分、定积分、曲线积分）、多元函数的泰勒公式、势函数、微分方程。•理论力学要求复习掌握：质量守恒定律、能量守恒定律、动量定律。1.5流体力学发展简史•第一阶段（17世纪中叶以前）：流体力学成为一门独立学科的基础阶段•第二阶段（17世纪末-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——理论、应用•第三阶段（20世纪初-20世纪中叶）理论分析与实验相结合•第四阶段（20世纪中叶以来）流体力学飞跃发展第一阶段（17世纪中叶以前）流体力学成为一门独立学科的基础阶段1452-1519年达.芬奇——物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等•1586年斯蒂芬——水静力学原理•1650年帕斯卡——“帕斯卡原理”•1686年牛顿——牛顿内摩擦定律•1738年伯努利——出版《流体动力学》，建立了伯努利方程第二阶段（17世纪末-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展——理论流体力学、应用流体力学•工程技术快速发展，提出很多经验公式1769年谢才——谢才公式（计算流速、流量）1895年曼宁——曼宁公式（计算谢才系数）1732年比托——比托管（测流速）1797年文丘里——文丘里管（测流量）•理论1775年欧拉——理想流体的运动方程1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组第三阶段（20世纪初—20世纪中叶）理论分析与实验相结合•理论分析与试验研究相结合•量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺——雷诺实验（判断流态）1903年普朗特——边界层概念（绕流运动）1933-1934年尼古拉兹——尼古拉兹实验（确定阻力系数）……第四阶段（20世纪中叶以来）流体力学飞跃发展•前沿--湍流；流动稳定性；涡旋和非定常流•交叉学科和新分支:工业流体力学；气体力学；环境流体力学；稀薄气体力学；电磁流体力学;微机电系统；宇宙气体力学；液体动力学；微尺度流动与传热；地球流体力学;非牛顿流体力学；生物流体力学；多相流体力学；物理--化学流体力学；渗流力学和流体机械等。流体力学在中国钱学森（1911－2009）浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。1957年获中国科学院自然科学一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号，1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章。周培源（1902－1993)1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果。吴仲华（WuZhonghua）在1952年发表的《在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论》和在1975年发表的《使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法》两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。流体力学在中国众所周知，任何流体都是由无数的分子组成的，分子与分子之间具有一定的空隙。这就是说，从微观的角度来看，流体并不是连续分布的物质。但是，流体力学所要研究的并不是个别分子的微观运动，而是研究由大量分子组成的宏观流体在外力作用下的机械运动。我们所测量的流体的密度、速度和压力等物理量,正是大量分子宏观效应的结果。因此，在流体力学中，取流体微团来代替流体的分子作为研究流体的基元。所谓流体微团是指一块体积为无穷小的微量流体。由于流体微团的尺寸极其微小，故可作为流体质点来看待。这样，流体就可以看成是由无限多的连续分布的流体质点所组成的连续介质。1.6连续介质模型流体质点具有下述四层含义•1.流体质点宏观尺寸非常小。•2.流体质点微观尺寸足够大。•3.流体质点是包含有足够多分子在内的一个物理实体，因而在任何时刻都具有一定的宏观物理量。如流体质点具有质量、密度、温度、压强、流速、动量、动能、内能等。•4.流体质点形状可以任意划定，因而质点和质点之间可以完全没有间隙。流体质点(fluidparticle)：又称“流体微团”。含有足够的分子，可作为连续介质基本单元的最小流体团。流体质点:流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。以密度为例VlimVVmV当△V很小，由于分子不规则运动，故其质量波动大当△V逐渐向，流体密度逐渐趋向一定值。流体微团（质点）是一个包含大量分子、微观上足够大、而宏观上与设备尺寸相比又足够小的分子团。V这种对流体的连续性假设是合理的。因为在流体介质中，流体微团虽小，但却包含着为数众多的分子。例如，在标准状态下，1mm3的气体中含有2.7×1016个分子；1mm3的液体中含有3×1019个分子。可见，分子之间的间隙是极其微小的。因此，在研究流体的宏观运动时，可以忽略分子间的空隙，而认为流体是连续介质。当把流体看作是连续介质以后，表征流体属性的各物理量(如流体的密度、速度、压力、温度、粘度等)在流体中也应该是连续分布的。这样就可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数，从而可以引用连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。2、优点1）排除了分子运动的复杂性。2）物理量作为时空连续函数，则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题。连续介质模型（ContinousMediumModel）：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型。u=u(t,x,y,z)选择题：按连续介质的概念，流体质点是指：A、流体的分子；B、流体内的固体颗粒；C、几何的点；D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。连续介质（Continuum/ContinuousMedium）：质点连续地充满所占空间的流体或固体。把流体作为连续介质来处理，对于大部分工程技术问题都是正确的，但对于某些特殊问题则是不适用的。例如，火箭在高空非常稀薄的气体中飞行以及高真空技术中，其分子间距与设备尺寸可以比拟，不再可以忽略不计。这时不能再把流体看成是连续介质来研究，而需要运用分子运动论的微观方法来研究。第一节流体流动导论一、静止流体的特性（一）流体的密度（ρ）均质流体：VMdVdM※非均质流体：ρ：点密度dM：微元质量dV：微元体积※流体：气体和液体的统称图1-1均质水溶液图1-2非均质溶液方法：取一微元，设微元质量为dM，体积为dV密度：zyxf,,limVVmV（二）不可压缩流体与可压缩流体流体能承受压力，在受外力压缩变形时，产生内力（弹性力）予以抵抗，并在撤除外力后恢复原形，流体的这种性质称为压缩性。MV流体的比体积（质量体积υ）：1[m3/kg]（二）不可压缩流体与可压缩流体不可压缩流体：密度不随空间位置和时间变化的流体；※通常液体可视为不可压缩流体可压缩流体：密度随空间位置或时间变化的流体；,,,zyxf※气体为可压缩流体；但如气体等温流动且压力改变不大时，可近似为不可压缩流体。常数重要水下爆炸：水也要视为可压缩流体；当气体流速比较低时也可以视