流体力学（全套课件）.ppt

第一章 流体流动 流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因有以下三个方面： （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 1.1.2流体流动中的作用力 1.1.3流体流动中的机械能 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。 ux,uy,yz,p,……＝f(x,y,z) 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。 1.1.1 流体流动的考察方法 （5）系统与控制体 （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） （2）表面力 （3）牛顿粘性定律 （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 式中：μ——流体的粘度，Pa.s（N.s/m2）; ——法向速度梯度，1/s。 （3）牛顿粘性定律 ①流体与固体的力学特性两个不同点 不同之一： 固体表面的剪应力τ∝剪切变形（角变形）dθ; 流体内部的剪应力τ∝剪切变形速率（角变形速率） （见图1－3）。 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。 ①流体与固体的力学特性两个不同点 ②流体的剪应力τ与动量传递 根据牛顿粘性定律，对一定τ，μ↑， ↓;μ↓， ↑ 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内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为τ ③粘度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 粘度μ又称为动力粘度。 ④μ的变化