[六年级其它课程]流体流动.doc

流体流动 1.1概 述 1.1.1流体流动的考察方法 流体：流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且各单个分子作着随机运动的、混乱的运动。其包括液体和气体。 质点：指一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。 连续性假定 ：在研究中，如果以单个分子作为考察对象，流体将是一种不连续的介质，这将给研究带来很大的困难，甚至是不可能的。但是，流动规律的研究中，人们感兴趣的是流动宏观的机械运动，因此，可以取流体质点（或微团）作为研究对象，从而可以假定流体是由大量质点组成的、彼此之间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，从而可以用连续函数的数学工具加以描述，实践证明，这样的连续性假定在绝大多数情况下的适合的，只是在高真空稀薄气体的情况下不成立。 通常有下列两种方法被用于考察流体的流动 拉格朗日法：选定一个流体质点对其跟踪观察，描述其运动的参数（如S、U）与时间的关系，即该法描述的是同一质点在不同时刻的状态。一般用于描述单个固体质点的运动。 欧拉法：在固定空间位置上观察流体质点的运动情况（如U、P、T），即直接描述各在关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。如，对速度可作如下描述： UX=fX（X，Y，Z，t） 一般用于描述流体的流动，尤其是定态流动尤为简便 定态流动：运动空间各点的状态不随时间而变，仅随位置而变。 轨线：描述同一质点在不同时间的位置，是某一流体质点的运动的轨迹，显然，是拉格朗日法考察流体运动的结果。 流线：表示同一瞬间不同质点的速度方向，其线上点的切线表示同一时刻各点的速度方向。因此，各流线不会相交。在定态流动时轨线与流线重合。显然，流线是欧拉法考察的结果。 系统：是指包含众多流体质点的集合。系统与外界之间的分界面称为系统边界，边界随流体一起运动，其形状、大小都随时间而变，所以系统与外界有力的作用和能量交换，而没有质量交换。 控制体：为研究方便而划定一固定的空间体积作为考察对象，该空间体积称为控制体，构成控制体的空间界面称为控制面，控制面总是封闭的固定界面，流体可以自由进出，控制面上也可以有力和能量的交换。 U 流体的特征：抗剪和抗张能力很小，无定形，在外力作用下其内部发生相对运动，因而具有流动性。本章的主要内容有三大方面。 研究流体流动规律及其数学表达式，以解决化工生产中的流体输送问题，确定输送过程中的流速、管径、管路安排，设计输送机械，确定输送功率（外加功），从而优化输送方案或确定合理输送方案。 研究流体静力学方程和流动规律，解决化工生产中一些工艺参数的测量问题，为调控化工生产提供依据，如：P、U、V、T等。确定这些参数的测量位置及其对测量仪表的要求，以便合理地选择和安装这些工艺参数的测量仪表。 研究流体流动的形态及其规律性，为解决化工生产设备的适宜流动条件提供依据，如后面将要学习的传热、传质的强化或削弱措施。 2流体流动中的作用力 体积力：作用于流体的每一个质点上，并与流体的质量成正比的力称为体积力（质量力），如重力、离心力。对均质流体，体积力也与体积成正比。 表面力：与表面积成正比的力称为表面力。对微元体而言，可分为垂直于表面的力（压力）和平行于表面的力（剪力），而对运动着的粘性流体内部的剪切力也称为内摩擦力。 压强：单位面积上所受的压力，N/m2， 剪应力：单位面积上所受的剪力。 下面分析一下内磨擦力大小与哪些因素有关，为研究方便假定： 平板面积无限大， 且水平放置， 平板间距离很近， 且充满某种液体， 下板固定，上板在 恒力作用下恒速U向X方向移动 在满足上述条件下，粘在上板的液体随上板以U速度沿X方向移动，其下各层液体速度依次递减，最终在下板的液体速度为0，大量实验证明：内磨擦力F与两层液体间的速度差ΔU及接触面积S成正比，与其产的距离成反比，即 F∝S 引入比例系数μ，则F=μS 令τ=F/S=μ τ-表示单位面积上的内磨擦力，称为剪应力 上式仅适用于Y-U成直线的场合，当Y-U不成直线时，用微分代替增量即可，可写成 τ=μ（du/dy） 式中，du/dy-速度梯度 μ-粘度 上两式称为牛顿粘性定律 说明：1、剪应力与法向速度梯度成正比，与法向压力无关，表明流体之间的磨擦力的变化规律与固体表面的磨擦力变化规律截然不同；静止流体是不能承受剪应力和抵抗剪应力的。 粘度因流体而异，是流体的一种物性，τ及μ只能是有限值，速度梯度也是有限值，所以，相邻流体层的速度只能连续变化，由此，可知流体在管内速度分布如下： 3、粘性是指流体在运动的状态下，所具有的一种抗拒内在 的向前运动的特性