三传基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,动量、热量、质量传输原理,高家锐,研究传输现象基本原理的一门学科。,传输现象是流体的动力过程、传热过程和物质传递过程的统称。也称,动量、热量及质量传递过程,。,这三种传输过程是作为三门独立的学科,流体力学、传热学和传质学,这三种传输过程之间存在着类似性，并且一个现象中常常同时包括有两种甚至三种传递过程。因此传输原理作为研究这三种传递过程的基本原理的学科便独立的发展起来，至今已经成为工程学科的专业基础课。,一、研究对象,前 言,二 传输原理课程的重要性,传输现象在工业生产过程中十分普遍。,例如水泥窑炉中所发生的一系列物理化学变化均与流体流动、热量传递和质量传递过程有关，有时甚至成为物理化学变化的限制性环节。因此，传输原理是工程专业重要的课程。,如何应用传输原理解决工业生产的实际问题则属于应用问题，不在本课程的范围内。,第一篇 动量传输流体力学,第二篇 热量传输传热学,第三篇 质量传输传质学,三,.,如何学好本课程,学习中既要掌握数学方法，又要理解数学符号所代表的物理意义；,提问、交流；,认真独立完成课外作业,；,学会运用参考资料；,在后继课程和将来的工作实践中学习。,1,黄卫星、陈文梅主编，工程流体力学，北京：化学工业出版社，,2001,2,胡敏良主编，流体力学，武汉：武汉工业大学出版社，,2000,3,朱一锟主编，流体力学基础，北京：北京航空航天大学，,1990,4 J.R.,威尔特等著、李为正等译，动量、热量、质量传递原理，北京：国防工业出版社，,1984,5,沈颐身等，冶金传输原理基础，北京：冶金工业出版社，,2002,6,徐重光、徐华编译，流体力学解题指南，杭州：浙江大学出版社，,1987,7,张先焯主编，冶金传输原理，北京：冶金工业出版社，,1988,8,杨世铭,传热学,西安,:,西安交通大学出版社,.,参考书目,第一篇 动量传输,引 言,动量传输是研究流体在外界作用下运动规律的科学，即：流体力学。,牛顿第二定律：,之所以称之为动量传输，是因为从传输的观点看，它与热量传输和质量传输在机理、过程、物理数学模型方面具有类比性和统一性。用动量传输的观点讨论流体流动问题，可以揭示三传现象类似的本质和内涵。,第一章 动量传输的基本概念,1.1,流体的特性,流体,能够流动的物体，包括气体和液体，与之相对的为固体。,特点：,流体的分子平均间距较大，排列松散，分子间的引力较小而运动强烈。,不能抵抗无论多么小的拉力和剪切力。,F,F,气体分子间距远大于液体，气体分子的自由运动会使气体充满整个容器空间；液体分子间引力较大，会使自身表面面积收缩到最小。,液体为不可压缩流体，气体为可压缩流体。,气体和液体的区别,1.2,流体的密度和重度,密度：,对于匀质流体：,比容：,重度：,1.3,流体的压缩性和膨胀性,压缩性：,流体体积随作用在其上的压力增加而减少的性质。,膨胀性：,流体体积随温度增加而增大的性质。,可压缩与不可压缩的概念：,原则上讲，任何流体均是可压缩性的，但液体压缩性小，故工程上将其视为不可压缩流体；气体是否可压缩需根据研究的需要及实际情况而确定，当流速较低，压力变化较小时可视为不可压缩流体。,不可压缩流体的密度为常数,，能使工程计算大为简化。,等温压缩,:,恒压膨胀,:,绝热条件下,:,对一般的气体有：,气体的状态方程,式中，,R,气体常数，,N,m/kgK,式中，,为气体的膨胀系数,为气体的绝热指数,重力,惯性力,1.4,作用力、能量、动量,(1),作用力,表面力,:,作用在流体表面与表面积成正比的力,是分子运动的结果。,静压力：,(,流体流动及静止时均存在,),是分子与壁面的碰撞作用。,特点：方向由外向里，与作用面垂直；在各个方向相等且与方向无关。,粘性切应力：由于粘性而产生的阻止流体流动的力。,特点：速度不同而引起，在静止时表现不出来，作用方向与作用面平行。,体积力,(,质量力,),：,作用在流体整个体积上，与体积成正比的力。,(3),动量,(,mu,),(2),能量,势能,(,位能,),：,E,=,mgh,动能：,E,=,mu,2,/2,静能,(,压力能,),：,E,=,PV,流体所具有的能量，有：,流体的动量传输也就是力能的平衡与转换过程,重力,mg,作用力：,惯性力,ma,N,总压力,PA,位能,mh,能量：,动能,1/2,mu,2,N.m=J,压力能,PV,动量：,mu,kg.m/s,比较三者单位,:,本章小结,流体的概念和特征,流体的密度和重度,流体的压缩性和膨胀性,作用力、能量、动量,第二章 流体流动的基本特征,2.1,流体流动的起因,自然流动,：由流体内部密度,(,温度,),不均产生浮力而引起的流动。,强制流动,：在封闭体系内,由外力,(,如：泵、风机、水压头,),作用所产生的流动,2.2,连续介质及质点,在研究动量传输时，取什么为研究对象呢？,流体是由分子所组成，分子间有间隙，故从微观上看，流体不是连续分布的，但动量传输不研究微观分子运动，只研究宏观运动，故将流体视为连续介质,连续不断的，内部不存在间隙的介质。,欧 拉（,L.Euler,，,1707,1783,）,经典流体力学的奠基人，,1755,年发表,流体运动的一般原理,，提出了流体的连续介质模型，建立了连续性微分方程和理想流体的运动微分方程。,M,V,C,P,M,C,V,V,M,V,C,连续介质,V,在连续介质条件下，,点的密度：,连续介质,失效情况,:,稀薄气体,(120km,高空,空气分子的自由行程达到,1.3m),激波,(,厚度与气体分子平均自由程同一量级,),连续介质,不考虑流体内部的分子结构及分子的运动问题，仅以宏观的微小体积内分子势态的统计平均参量来表征流体的运动特性。,表征流体属性的物理量，如密度、速度、压力、温度等，均可视为空间坐标的连续函数。,质 点,质点：,连续介质的基本组成单元，其体积为,V,C,因此，在同一质点上，表征流体运动的各物理量参量是相同的，无数连续分布的流体质点即构成作为连续介质的流体。,1mm,3,体积 水,:3.3,10,19,个分子,空气,:2.7 10,16,个分子,10,-10,mm,3,体积空气,:2.7,10,6,个分子,大小：,一个质点包含无数个分子,质点,：微观充分大，宏观充分小,2.3(3.1),流体的粘性及牛顿粘性定律,流体的粘性,粘性,：流体内在的阻滞流体流动或变形的性质。,粘性力,：由于粘性而产生的阻滞流体流动的力。,粘性是分子内聚力和流层间分子热运动所引起的动量传递的表现，是流体的固有性质。,牛顿粘性定律,1686,年,牛顿在,自然哲学的数学原理,中假设：,“,流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比,”,。,1841,年，该假说由普阿节尔通过实验验证。,牛顿（,Isaac.Newton,，,1642-1727),英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力学的创建。牛顿的成就，恩格斯在,英国状况十八世纪,中概括得最为完整：,牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学,。,H,u,0,y,x,o,u,0,u,x,(,y,),u,0,不稳定流动,u,0,u,x,(,y,),u,0,稳定流动,实验中发现：,比例系数，称为,动力粘性系数,或,动力粘,度,，,Pa,s,=,kg/,sm,。因粘性力通常看作正值，而梯度有正、负之分，故冠以,号，保证切应力为正。,牛顿粘性定律,粘性力的方向：对快速流层表现为制动，对慢速流层表现为带动作用。,H,u,0,y,x,o,u,0,u,x,(,y,),u,0,不稳定流动,u,0,u,x,(,y,),u,0,稳定流动,这种由一个流层带动另一个流层流动的过程，就是动量传递的过程。,动量传输系数，又称运动粘度，,m,2,/s,，单位体积动量梯度所传递的动量。,u,1,动量传递,u,2,梯度,yx,yx,牛顿流体和非牛顿流体,牛顿流体,：剪应力和变形速率满足线性关系。,非牛顿流体,：剪切应力和变形速率之间不满足线性关系的流体。,韦森堡效应,牛顿流体,非牛顿流体,牛顿流体和非牛顿流体,A,：塑性流体；乳液、沙浆、矿浆,C,A,B,D,yx,0,B,：似塑性流体，,n1,；粘土、石灰及水泥岩的悬浮液。,2.4(2.8),流体的流动性质,层流,(,片流,),：所有质点按同方向作平行流动，质点没有宏观横向掺混的流动，称为层流。,湍流,(,紊流,),：各质点速度的方向不同，且其大小、方向均随时间变化的流动称紊流。即质点作复杂的无规则运动所构成的流动。,雷诺实验,雷 诺（,O.Reynolds,，,1842-1912,）,1883,年用实验证实了粘性流体的两种流动状态,层流和紊流的客观存在，找到了实验研究粘性流体流动规律的相似准则数,雷诺数，以及判别层流和紊流的临界雷诺数，为流动阻力的研究奠定了基础。,层流,过渡状态,紊流,雷诺实验,层流与紊流的区别在于：,层流：流层之间无流体质点的宏观横向掺混，只有微观分子运动存在,;,紊流：流层之间有质点的宏观横向掺混，这是由于涡体的作用所产生的结果。,由实验可知，,u,d,层流紊流，,则紊流层流。,涡体的形成,雷诺在实验中提出确定两种流动状态的转变条件：,由一种状态转变为另一种状态时的,Re,数称为临界雷诺数,Re,c,它是层流转变到紊流的判据。,对管流：,Re,c,=2100-2300,对平板：,Re,c,=1-510,5,流体的动力粘度，,Ns/m,2,流体的运动粘度，,m,2,/s,雷诺准数,(,无量纲,),注意：对不同的流动问题，雷诺数中的定性尺度是不一样的，如流体在平板表面流动时，定性尺寸是长度,L,；流体沿圆球表面绕流流动时，定性尺寸是圆球直径,d,；流体在非圆管内流动，定性尺寸为流通截面的当量直径,d,s,。,当量直径：,A,管的横截面积,S,管壁的周长,流体质点在运动中同时受惯性力和粘性力的作用，当,u,，,则惯性力，易受扰动形成涡体。,而,，,易保持质点原有运动状态，限制质点不规则运动，即保持层流容易。,对,d,而言，,d,，,管壁，对流体的接触面积相对减少，管壁对整个流体运动的作用相对减少，易形成紊流。,例题：,水,=1.7910,-3,Pas,油,=24 10,-3,Pas,油,=800 kg/m,3,若它们以,u,=0.5m/s,的流速在直径为,d,=100mm,的圆管中流动,试确定其流动形态,解,:,水的流动雷诺数,流动为紊流状态,油的流动雷诺数,所以流动为层流流态,紊流脉动的特征,A,u,x,u,x,u,x,u,x,u,u,1,u,2,A,1,2,时均速度,脉动速度,式中，,2.5(2.9),附面层,(,边界层,),附面,层,(,边界,层,),的概念是,1904,年德国科学家普朗特提出的。,普朗特（,L.Prandtl,，,1875,1953,）,建立了边界层理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界层，提出混合长度理论。,1918-1919,年间，论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现代航空工业的发展作出了重要的贡献。,普朗特,1904,年用在水中撤放粒子的方法，获得了水沿薄平板运动的画面。由于画面上粒子留下的轨迹正比于流动的速度，在靠近壁面有一薄层，其中速度比离壁面较远处的速度明显较小，且有大的速度梯度。,边界层的定义,设有速度均一的流体，平行流入平板表面，由于流体的粘性，在表面附近将产生一具有速度梯度的流体层,称流体层为边界层,(,附面层,).,边界层产生的原因,壁面不滑移条件,由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动。,壁面不滑移假设已获得大量实验证实，被称为壁面不滑移条件。,边界层的厚度,理论上讲，边界层厚度为自板面起到流体速度达到来流速度为,u,0,为止处的厚度。极端地，边界层厚度为无限厚。故规定：自板面起流速增至,0.99,u,0,处的厚度为速度边界层厚度,。,边界层的特点,边界层内有速度梯度，边界层外速度均一为来流速度。,x,流入平板的开始阶段，,小，粘性力起主导作用，是层流；随,x,，,变大，惯性力占主导地位，由层流过度为紊流，在紊流区靠近表面处仍有一层流底层区存在。,层流,紊流的判据,边界层外为均一的平行流动无旋流动的势流区,边界层外为均一的平行流动视为非粘性流体,(,理想流体,),将研究区域缩小到有限的局部范围内，同时又不至于使研究结果失真。,管内流动的边界层,管流边界层不存在主流区，故严格的讲管流情况下是不符合边界层的定义的。,2.6,流体运动的描述方法,流场：流体运动所充满的空间称流场。,流场的特征：与流体流动相关的物理参量随时间及空间变化的函数关系，就称为流场的特征。如：,标量与矢量的概念,标量,(,数量,),场,仅有数值的大小而无方向性。,密度、压力、温度、能量,矢量,(,向量,),场,既有大小又有方向,位移、速度、力、加速度、动量,在直角坐标系下：,速度的大小：,速度矢量：,速度分量：,研究流体运动的方法,拉格朗日法,以流体质点为对象,欧拉法,以空间点为对象,流体质点的加速度,(,欧拉法）,同理,时变加速度,位变加速度,流体流动的起因,连续介质,流体的粘性及牛顿粘性定律,流体的流动性质,附面层,流体运动的描述方法,本章小结,思考题,1,试叙述层流和紊流的不同流动特征，如何判断管道内的流态,?,什么叫临界雷诺数,?,自然流动,