【2017年整理】传递过程原理讲课提纲04粘性流体运动的微分方程及其应用2.doc

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【2017年整理】传递过程原理讲课提纲04粘性流体运动的微分方程及其应用2

PAGE PAGE 36 §2—4 N—S方程在柱坐标及球坐标中的表示 柱坐标中的表示 x= rcosα y= rsinα z= z 在r分量方向 = 在α分量方向 = 在z分量方向 = 球坐标中的表示 x= (rsinα)cosφ y= (rsinα)sinφ z= rcosα r分量: α分量: φ分量: §3 流体运动方程的应用 §3-1 平壁间的稳定层流 设平板无限大,相互平行,作层流运动一维稳定流动,不可压缩 于是 uy=uz=0 (1) 由连续性方程有 (2) 又对稳定流动 (3) 故N—S方程简化为: 对无限大平板可认为 故, 又在x方向 X = 0 于是 边界条件(Boundary Condition) y=y0, ux=0 初始条件(Initial condition) y=0, 于是 及 式中: 又设平板的宽度为w,则流体流过二平行平板间的体积流量为 另一方面,若设平板间的主体流速(即截面平均流速) 为ub则有QV=ub·B·(2y0) 可得: 故 及 §3-2 圆形直管内的稳定层流 化工原理中已得出了相应的结论。 若采用N—S方程可知: 在沿轴的一维流动时,若处于重力场中: 及 故 N—S方程可简化为: 应用柱坐标系则为: 或 边界条件 r= R uz= 0 初始条件 r= 0 uz=umax 故:, 及 , , 上式均为哈根—泊稷叶 (Hagen—Poiseuille) 方程。 根据以上关系,不难证明,在稳定的层流时,管壁处的流体剪应力 │R 及 §3-3 环形套管中的稳态层流 圆形直管中的柱坐标系N—S方程仍可适应于环形套管中: 或 边界及初始条件: ⑴ r= R1,uz = 0; (2) r =R2,uz = 0; (3) r=Rmax,uz = umax ;及 对前式积分得: 或 根据以上二式有: 此即为对数平均“半径平方”,于是: 及: 环形面积中流体的主体流速(平均流速)ub 或: §4 爬流(蠕动流) 1、概念 爬流—非常低Re数下的流动。具体来说指Re≤1时的流动,在此情况下,流体流动过程的粘性力超过其惯性力。 2、根据N—S方程可知,爬流时,惯性力的影响比粘性力小得多而可忽略。故有: 对不可压缩流体 (不可压缩流体连续性方程) ② ρX, ρY及ρZ≈0(惯性力) ③ ,及≈0(惯性力) 故N—S方程可简化为: 及 当流体以极慢的速度绕过半径为 r0 的球体时,采用球坐标方程并结合球坐标系中的连续性方程及初始条件:φ r =r0时, 可解得 3、球体在流体中所受阻力包括: a .由于压力分布在球体表面所产生的形体阻力Fdf b .球体表面处的剪应力所产生的表面阻力Fds 对形体阻力,其方向在“- Z”方向,其大小为 对表面阻力,其方向在’+Z’方向(即与球面法向应力相反的方向)其大小为 : τrα-作用于球面的剪应力,因p⊥τrα,故-pcosα 恰与τrαsinα在同一方向 对于球坐标系,牛顿粘性定律可表示为 由上述已知的解,代入方程得 故: Fds =4πμr0u0 总阻力: Fd = Fdf+ Fds =6πμr0u0 此即为斯托克斯方程(注意与化工原理中的斯托克斯方程相联系) 通常对粒子的自由沉降,定义,式中 CD为阻力系数(ξ) 根据以上结论可得: CD =ξ = 式中A—球形粒子在运动方向的投影面积 A = πr02 §5 流线及流函数 1、概念 流线—欧拉法考察流体运动的结果。即指任一瞬间,在流场(流动空间)的一条曲线,处于该曲线上的各质点流动方向与该点处曲线的切线相重合(流线既可以为直线,也可为曲线)。 2、流线的几个属性 ① 一个流动空间是由许多条流线组成的,这许多流线通常称为流线束(曲线族); ② 不同时间,流动空间中的流线束有可能不同(如不稳定流动过程); ③ 同一时间,同一空间位置,由于流体质点速度大小及方向的唯一性,故通过该空间点的流线唯一。亦即,同一时间

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