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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
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§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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