福州大学化工原理备课教案- 流体流动

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1、福州大学化工原理教案流体流动1流体流动流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因又以下三个方面：（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1.1概述1.1.1流体流动的考察方法气体合液体统称为流体。流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。不同的考察方法对流体流动情况的理解也就不同。在物理化学重（气体分子运动论）是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，在某一方向上有时有分子通过，有时没有。因此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

2、将是非常复杂的。（1）连续性假设在化工原理中是考察液体质点的宏观运动，流体质点是由大量分子组成的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由路程却要大的多。这样，可以假定流体是有大量质点组成、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。在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。（2）流体运动的描述方法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

3、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：可见，欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。（3）定态流动（稳定流动，定常流动）若空间各点的状态不随时间变化，改流动称为定态流动。，，，，……，=，与t无关（4）流线与轨线①流线是采用欧拉法考察的结果，流线上各点的切线表示同一时刻各点的速度方向。如图1-1所示。流线上四个箭头分别表示在同一时间四个不同空间位置上a、b、c、d、四个流体质点（不是真正几何意义上的点，而是具有

4、质点尺寸的点）的速度方向。由于同一点在指定某一时刻只有一个速度，所以各流线不会相交。②轨线是采用拉格朗日法考察流体运动所的的结果，轨线是某一流体质点的流动轨迹，轨线上各点表示同一质点在不同时刻的空间位置。显然，轨线与流线是完全不同的。轨线描述的是同一质点在不同时，间的位置，而流线表示的则是同一瞬间不同质点的速度方向。（5）系统与控制体-32-福州大学化工原理教案流体流动（6）考察方法的选择1.1.2流体流动中的作用力（1）体积力（质量力）与流体的质量成正比，对于均质的流体也与流体的体积成正比。如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种

5、体积力，F＝mg。（2）表面力与流体的表面积成正比。若取流体中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分为①垂直与表面的力P，称为压力。单位面积上所受的压力称为压强p。1MPa（兆帕）＝106Pa（帕斯卡）注意：国内许多教材习惯上把压强称为压力。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P8，图1-2式中：——流体的粘度，Pa·s（N·s/m2）；——法向速度梯度，1/s。③体与固体的力学特性两个不同点（一般了解）不同之一：固体表面的剪应力τ∝剪切变形（角变形）流体内部的剪应力τ∝剪切变形速

6、率（角变形速率）（见图1-3）这是由于流体在剪切力的作用下其变形是无止境的，只要作用力存在，变形与运动将一直维持下去，只能在剪应力τ与变形的快慢（即变形速率）之间建立关系，牛顿粘性定律就是这种关系，式中的速率梯度就是剪切变形速率。不同之二：静止流体不能承受剪应力（哪怕是非常微小的剪应力）和抵抗剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。④流体的剪应力与动量传递固体的摩擦仅发生在接触的表面，而流体的摩擦发生在流体的内部，这种内摩擦产生的阻力将消耗流体的机械能。流体的内摩擦是如何产生的呢？粘度是流体的物性。根据牛顿粘性定律，对一定

7、，-32-福州大学化工原理教案流体流动，；，。τ及μ只是有限值，故也只能是有限值，由此可知，相邻流体层的速度只能连续变化。两块平行的平板间的流体速度变化如图1-2所示，若流体在圆形管道内流动，速度变化的规律又将如何呢？（举江水流动情况的启发）流体在管道内的速度分布如图1-4所示。两图均说明，流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力。流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的

8、内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为。理想流体（实际上不存在），，＝0其速度分布如图1－5所示。τ实际上反映了动量传递。⑤度μ的单位及换算关系SI制：CGS制：cP（厘泊）运动粘度SI制的单位为m2/s粘度μ又称为动力粘度。⑥μ的变