化工原理-第1章

稳定流动与不稳定流动
p、u、V f ( x,y,z,τ ) p、u、V f ( x,y,z)
流体的流量和流速
V qv w qm Q

m
[m / s ] [kg / s]
u1
3
A2 A1
u2

qv V u [m / s ] 或 [m 3 /(m 2 s )] A A w qm 2 G [kg /(m s)] A A
第一章 流体中的传递现象
基本概念
气液固三态（动能势能） 单组份-多组分, 单相-多相, 一维-多维, 稳态-非稳态 连续介质假定（分子，流体质点）
流体受力
体积力（重力，离心力） 表面力（压力，粘性应力，表面张力）
流体的密度、可压缩性
流体单位体积具有的质量称为密度或质量浓度
y
u x ( y)
ux
dux u x dy
y
T ( y)
λ λ
λ λ
T
dT T dy
x
x
动量扩散示意图
y
wA ( y )
热量扩散示意图
wA
dwA wA dy
x
质量扩散示意图
两种运动：宏观运动ux，微观运动νλ 分子交换： 3 1 c A 3 (两点说明) 质量交换：
准数特点
• 无因次 • 其值不因自变量单位而异
其他形式
Re
du


dG


du

流动边界层
层流与湍流可共存于同一流动体系：管中心部位充分 湍动，管壁一薄层流体被管壁粘附处于层流-层流底层
uo

Xo


d
圆管入口处的流动边界层发展
uo
y
uo

u(x,y) x
平板上的流动边界层发展
扩散现象与扩散定律
•牛顿运动定律：
yx d ( ux )
3 dy d ( ux ) du x du x dy dy dy
dux dy
•傅里叶定律：
q
d ( c pT )
3 dy

d ( c pT ) dy
流体的黏度用μ表示，其国际单位是Pa· S
理想流体和非理想流体
理想流体：μ=0，极易流动，极易变形，流动无阻力 实际流体：μ＞0，不易流动，反抗变形，流动有阻力
流体静压力
• 静压力定义 • 压力基准 • 两个基准： 零压基准：绝压 大气压基准：表压 • 压力单位及换算 1atm=101325N/m2=760mmHg=10.33mH2O 1at=1kgf/cm2=9.81×104N/m2=10mH2O 1mmHg=133.32N/m2 1mmH2O=9.81N/m2
关系：
w V Au qm qv Au
G u
质量通量
流动体系与流型 （层流，湍流）
层流
过渡流
湍流 (a) (b)
Fra Baidu bibliotek
雷诺实验
雷诺数与流型判据 du Re
• Re<2000 ，稳定的层流区 • 2000<Re<4000 ，由层流向湍流过渡区
• Re>4000 ，湍流区
m V
理想气体密度
[kg/m 3 ]
MP RT
可压缩性流体：气体
f ( P, T )
混合气体密度
不可压缩性流体：液体
M mP M m M i xi RT
流体的黏性
黏性反映流体流动性大小，粘度愈大，反抗流体变形的力愈 大，流动性愈差，反之亦反。 流体黏度随温度而变，对于液体，温度升高，粘度减小，流 动性增强；对于气体，温度升高，粘度增大，流动性变差。
dT dT c p k dy dy
dT q k dy
•费克定律：
JA
d ( wA )
3 dy
DAB
d ( wA ) dwA dcA DAB D dy dy dy
dcA J A D dy
• 剪切应力
内摩擦力，反抗变形，阻止速度差进一步加大。
• 热焓变化

dT d ( c pT ) c p T T 3 3 dy dy
• A组分浓度变化

dwA d ( wA ) wA wA 3 3 dy dy
DAB

k c p

3
α －导温系数 ν －运动黏度 D －扩散系数

k c p
几个参数
• 黏度μ －反映流体流动性大小的物理量
f (T )
• 气体：温度升高，黏度增大 • 液体：温度升高，黏度减小
N/m2 N s 2 Pa s m/s m du kg—m—s： dy m

g—cm—s：

du dy
dyn/cm2 dyn s P(泊) 2 cm/s cm cm
1P 100cP( 厘泊)
1Pa s 10 P 1000cP
导热系数k－反映物体导热能力大小的物理量
导热系数单位： W/(m K) k=f(组成，结构，温度，压力)
扩散现象与现象方程 动量扩散与牛顿粘性定律 热量扩散与傅立叶热传导定律 质量扩散与费克定律
欧姆定律：
U I R
通式：
传输推动力 传输速率 传输阻力
dI dU dA dl
欧姆定律微分形式：
［扩散通量］＝－［系数］· ［扩散推动力］ ——唯象方程(Phenomenological equation)
cAM
3
y

cA


3
u x ( y)
ux
du x u x dy
λ λ
x
• 动量变化

d ( u x ) du x u x u x 3 3 dy dy