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微分衡算方程
第一章 微分衡算方程
1-1连续介质流体及其研究方法
连续介质假定(连续粘性流模型)。
传递介质由无数质点连续组成,
∴质点的特性()是连续的,
宏观看,流场特征尺度L质点尺度,
∴质点可看成几何点,
微观看,质点包含无数分子,质点尺寸分子平均自由程,
∴质点的特性是大量分子的统计平均值,
Knudsen 准数
连续粘性流
过渡流
自由分子流(只有分子与壁面的作用占主导地位)
(分子间碰撞机会消失,粘性、导热性失去意义)
不符合连续介质的特殊情况(见P9-10),如:
(1)高真空(真空容器、管道、分子蒸馏、冷冻干燥),很大,很小
(2)微孔扩散(膜分离、催化剂)。
压缩性:
对低速粘性流,流体质点运动(惯性力)和分子运动(粘性力)构成决定流体运动形态矛盾。体现这对矛盾力量对比的准数是雷诺数Re。
当气体流速增加时,气体主流动能将影响分子的运动,即变化已不可忽略,需要考虑压缩性的影响
Mach数
牛顿型流体
符合牛顿粘性定律,如一维形式为非牛顿型流体,是“流变学(Rheology)”的范畴,本课程暂不讲述。(见P3-P4)
4,描述流体的两种观点:(P37)
Euler 观点
(空间点法)
(类似电磁场的方法) Lagrange观点
(质点法、跟踪法)
(类似刚体力学中的方法)
观点
与
方法 固定空间位置(x,y,z),
固定被研究流体的体积,
但质量可随时间变化。
分析该固定位置处流体状况的变化,并由此获得整个流场流体运动的规律。
场论的方法(速度场、压力场、密度场、温度场) 选择某一固定质量的流体微元,追随它一起运动。位置不固定,体积可能变化。
根据该运动流体微元的变化情况,来获得整个流场流体运动的规律。 流体
运动的
几何表示 流线是速度场的几何表示是同一时刻不同质点所组成的曲线,它给出同一时刻不同流体质点的运动速度方向。 轨迹是同一流体质点位置随时间变化的运动规律的几何表示,它给出同一质点在不同时刻的速度方向。 曲线
方程
(P66例1-2)
其中是自变量,积分原消去,得到轨迹方程。
5,稳态与非稳态-与时间 无关或有关
(定常与非定常)
6,
系统 控制体 具有特性固定不变的物质的集合 流体在流动过程中所通过的一个空间范围
可以有限,也可以无限小。
可是固定不动的,也可是运动的。
数学复习
Hamilton 算子
Divergence 散度
Gradient 梯度
Rotation 旋度
Laplace 算子
7,随体导数(P39)
对流体场中的物理量f(矢量或标量B)。
对f求全微分,得
用去除上式,则得到f的变化率(对时间的全导数)
式中, , , 为观察者的运动速度分量。
如果,观察者随流体随波逐流,即观察者在流体中的运动速度与流体流动的速度完全一致时,则 , , ,这种随流体流动的导数称为随体导数。这时,用 代替 ,即
随体导数 = 局部导数+对流导数
随流体的变化率=由于场的非稳态引起的变化率+由于场的不均匀性引起的变化率
(即由于流体运动)
实例,见P14。
作业:写出密度在直角坐标系中的随体导数表达式,
写出温度t 在柱座标系中的随体导数表达式。
1-2微分质量衡算方程
根据的基本物理定律 衡算的物理量 微分衡算方程
(变化方程) 质量守恒定律
(物质不灭定律) 质量衡算 单组分的连续性方程
多组分的传质方程 能量守恒定律
(热力学第一定律) 能(热)量衡算 能(热)量方程 动量守恒定律
(牛顿第二运动定律) 动量衡算
(力的衡算) 运动方程(动量方程)
(Navier-stokes方程)
单组分体系的连续性方程
依据-质量守恒定律
[流出控制体的质量速率]-[流入控制体的质量速率]+[控制体内质量的累积速率]=0
应用Euler观点
取直角坐标系中固定不动的平行六面体,为衡算的微分控制体
在(x,y,z)处, ,等,
由左边进入的质量通量:
由右边流出的质量通量:
复习题:Taylor(台劳)幂级数
……
取一次近似式,即
对微分控制体进行质量衡算——
(质量流率[] = 质量通量×面积[m2])
(流出-流入)+累积=0(因为没有生成)
x方向(流出-流入)
y方向(流出-流入)
z方向(流出-流入)
微分控制体内质量累积:
两边同除以(),(
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