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第一章流体力学基础1.1概述气体和液体都具有流动性，统称为流体。由于化工生产中所用的原料以及加工后得到的产物，很多都是流体，它们在物理的、化学的加工过程中，常常处于流动状态，因此化工过程中常涉及到流体流动问题。这里的流动不仅指流体在管内的流动，而且还包括在各个单元操作过程及设备中的流体流动。因此，我们有必要熟悉流体流动的基本规律。研究流体流动规律的学科称为流体力学，包括流体静力学和流体动力学。 一、连续介质模型流体是由分子或原子所组成，分子或原子无时无刻不在作无规则的热运动。在研究流体力学规律时，人们感兴趣的不是流体的这种微观上的分子热运动，而是由外部原因，如重力、压力差等作用引起的宏观上的整体定向运动。为了能运用数学分析工具研究流体力学规律，常采用连续介质理论模型，即把流体所占有的空间视为由无数个流体微团（或质点）连续地、无空隙地充满着。所谓流体微团（或质点）指的是微观上充分大、宏观上充分小的分子团：一方面，分子团的尺度和分子平均自由程相比应是足够地大，使得其中包含大量的分子，从而能对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量；另一方面，又要求分子团的尺度和所研究问题的特征尺寸相比要充分地小，小到在此微团内，每种物理量都可看成是均匀分布的常量，因而在数学上可以把此微团当作一个点来处理。对微团尺度的这种宏观上小、微观上大的要求，实际上完全可以实现，例如，气体在标准状态下，仅在10-5cm3这样一个宏观上看来非常小的体积里，就包含着2.7′1014个分子，这从微观上看又是非常大了。应当指出，在某些特殊情况下，连续介质假定是不适用的。如高度真空下，气体稀薄，分子的平均自由程与气体流动通道的直径几乎同量级时，连续介质模型就不适用了。二、流体的压缩性流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩性。实际流体都是可压缩的。液体的压缩性很小，在大多数场合下都视为不可压缩，而气体压缩性比液体大得多，一般应视为可压缩，但如果压力变化很小，温度变化也很小，则可近似认为气体也是不可压缩的。三、作用在流体上的力作用在流体上的所有外力?F可以分为两类：质量力和表面力，分别用FB、FS表示，于是：质量力质量力又称体积力，是指作用在所考察对象的每一个质点上的力，属于非接触性的力，例如重力、离心力等。若令单位质量流体的质量力为FBM，其在x、y、z方向的分量大小分别为gx、gy、gz，则在重力场中，若取z轴向上为正，则gx=gy=0，gz=-g。这里g为重力加速度。表面力表面力是指作用在所考察对象表面上的力。单位面积上所受到的表面力称为应力，一般记为tij，第一个下标i表示该应力作用面的法线方向，而第二个下标j表示该应力的方向。任一面所受到的应力均可分解为一个法向应力（垂直于作用面，记为tii）和两个切向应力（又称为剪应力，平行于作用面，记为tij，i1j），例如图1-1中与z轴垂直的面上受到的应力为tzz（法向）、tzx和tzy（切向），它们的矢量和为：类似地，与x轴、y轴相垂直的面（参见图1-2）上受到的应力分别为： （1-1） (1-2) (1-3)习惯上规定，法向应力向外（拉应力）为正，向内（压应力）为负。假如将图1-2中过点M的三个面无限收缩，凝聚为一点，则该点所受应力分量为9个，它们分别是3个法向应力txx、tyy、tzz和6个切向应力txy、txz、tyx、tyz、tzx、tzy，以后称由这9个应力分量构成的量为应力张量，可用矩阵表示，即可以证明，上述6个切向应力中只有3个是独立的[1]。即 (1-4) (1-5) (1-6)返回目录上一页化工原理网络教程下一页