传输原理复习

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1、传输过程物质或能量从非平衡态到平衡态转移的物理过程。动量传输：垂直于流体流动的方向上，动量由高速度区向低速度区的转移。热量传输：热量由高温度区向低温度区的转移。质量传输：物系中一个或几个组分由高浓度区向低浓度区的转移。课程教学要求 掌握动量、热量和质量三种传输过程的基本概念、基本规律和解析方法。及其在材料加工与成形过程中的应用。 了解三种传输现象的区别及联系，为正确分析和解决有关问题奠定基础。第一篇 动量传输流体流动的时候，其内部不同部位的质点或集团的速度往往并不相同，从而产生流体中的动量分布不均，继而发生动量的交换或传递过程。这样的动量传递，也将会影响到热量和质量的传输过程。第一章 流体及其

2、流动一、流体及其物理性质1.流体(Fluid)能够流动的物体。(一般指气体或液体） 流体的力学性质：l 流体不能传递拉力，可以承受压力，传递压力和切力，并在压力和切力作用下出现流动。（流动可持续）l流体流动时内部出现内摩擦力，静止流体没有内摩擦力。2. 连续介质模型 流体连续性基本假设流体质点之间没有空隙没有空隙。 即把流体看成占有一定空间的无限多个流体微团(质点)组成的密集无间隙的连续介质。 反映宏观流体的物理量也是空间坐标的连续函数。 （密度、压力、粘度、流速）3. 流体的压缩性和热膨胀性 温度膨胀系数-1 Pa/dV Vdp -1 K/dVVdT压力增大，体积减小！(1)液体体积压缩系数

3、 -1 Pa/V Vp 例：液体水的体积压缩系数压力（MPa）0.51.02.04.05.0 (10-10 Pa-1)5.395.375.325.245.15pVV/0水在不同压力下的值pVVpVV/1039. 51051039.5VV0.5MPa时，若压力增大0.1MPa，则：此时体积的减小只有约万分之0.5610101 . 01039. 5VV液体水的热膨胀系数 温度 T = 1020 ，压力 P = 0.1MPa水1.5 10-4 K-1TVV/4105 . 1VV当温度变化T1K时，4. 流体的粘性两平板之间充满液体，上板以速度vx运动。液体中的粘性力带动下层液体流动，形成一个速度梯度

4、。运动快的流体层带动运动慢的流体层，两层流体之间在存在反向的相互作用，阻碍相对运动。这种性质，即流体的粘性粘性。粘性阻力的产生与分子间相互作用及分子热运动有关。紧贴于运动平板下方的一薄层流体也以同一速度运动。 当vx不太大时，板间流体将保持成薄层流动。靠近运动平板的液体比远离平板的液体具有较大的速度，且离平板越远的薄层，速度越小，至固定平板处，速度降为零。各物理量关系构成牛顿粘性定律 （Newton, 1686)dydvAFxyx 牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产生的切应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。yx为切应力，第一个脚标y表示切应力的法

5、线方向（速度梯度方向)，第二个脚标表示切应力的方向(速度方向)。流体粘度（动力粘度）。 单位 Ns /m2 (Pa s) dydvxyx流体运动粘度， m2/s正负号的选择：应使计算得到的切应力为正值。注意单位换算： 1N=105dyn 1Pas = 1N s/m2 = 10 dyn s /cm2 =10P，1P = 0.1Pas 运动粘度：1m2/s = 104 cm2/s =104 st粘度(粘性系数)取决于流体种类,是一个物性参数。对于给定流体，粘度随温度和压力变化。 P.8 流体中之所以出现粘性，主要是由分子间内聚力（引力）内聚力（引力）和流体分子的垂垂直流动方向的热运动（动量交换）直

6、流动方向的热运动（动量交换）引起，液体中以前者前者为主，气体以后者后者为主。 所以液体的粘度是随温度升高而减小，而气体的粘度则随温度升高而增大。5. 理想流体、牛顿流体和非牛顿流体xyxdvdyl理想流体 无摩擦力，无粘性，不可压缩。l牛顿流体 -粘性力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律。l非牛顿流体 - 粘性力与速度梯度的关系不符合牛顿粘性定律。二、流体的流动1. 流体的流动形态 雷诺实验 （Reynald， 1882）水流较慢时，红色液体不与周围的水混合，自己形成流线。表明各层水平行流动层流 (Laminar flow)水流速度加快时，红色液体振荡，流线弯曲。振荡随流速加大而加剧。过渡区流速

7、增加到一定程度，液体出现混合。表明水流状况非常紊乱.紊流 (Turbulent flow) (湍流)层流与紊流的形成，是由流体质点流动时的惯性力和所受粘性力的比值决定的。 粘性力大层流。由于粘滞性的存在，在管道中流动的流体自然出现分层流动，各流体层只作相对滑动而彼此不相混合 。 惯性力大紊流。流体不再保持分层流动，流动显得紊乱且不稳定。 层流与紊流可以用雷诺数来判别RevDv D惯性力 / 粘性力下临界雷诺数（层流开始变紊流）：ReCr 21002320上临界雷诺数 （稳定紊流）： ReCr 1000013800ReCr Re ReCr 过渡区RevRR水力半径R=流体有效截面积 / 润湿周长

8、5 Re pa） pa 大气压 真空度 pV pV=-p表 （pF，沉降（阻力，沉降（阻力Fd向上），开始时较小，阻力较向上），开始时较小，阻力较小；速度小；速度v变大，因变大，因Fdv，阻力也变大。，阻力也变大。v增大至增大至vf时，时，Fw =F+Fd，此时圆球受力平衡，开始自由沉降。，此时圆球受力平衡，开始自由沉降。2332166fsvCAgdgd设球密度为设球密度为 s s，流体密度为，流体密度为 gdvCAsf)(621322134sfCgdvP.60 (3-76)当当vvf时，流体就会带动圆球向上运动时，流体就会带动圆球向上运动gdCgdvssf)(18134221一般情况：一般情

9、况： 雷诺数不同时，统一用上式计算，改变阻力系数雷诺数不同时，统一用上式计算，改变阻力系数1. Re1Re24C斯托克斯区vdvCAFd3212(3-76)此时，因Re1，得圆球直径条件为m )(61. 53122gdssStokes 公式公式十一、平板边界层中的流动十一、平板边界层中的流动1. 边界层边界层 对于实际流体的流动，无论是层流还是紊流，真正能够求解的问题很少。不过，实际工程中的大多数问题，是流体在固体流体在固体容器或管道中的流动容器或管道中的流动，这样的流动有如下特点：特点：1) 紧贴固体表面的流体，流速为零。2) 在该层流体上方的一个薄层的流体中，在垂直固体表面的方向（法向），

10、速度增加得很快，速度梯度很大。3) 再往流体内部，速度梯度变得很小，可以忽略粘性力，视为理想流体理想流体，用欧拉方程可解。4) 靠近固体壁面的薄层，称做边界层边界层，或附面层或附面层，由于边界层很薄，可以因此使得有关的方程得到简化处理。这样，对整个区域的求解问题就转化成了求解主流区内理想流体这样，对整个区域的求解问题就转化成了求解主流区内理想流体的流动问题和靠近壁面的边界层内的流动问题。的流动问题和靠近壁面的边界层内的流动问题。边界层的基本特征边界层的基本特征 厚度很小 （相对于固体长度而言）。 法向速度梯度很大。 沿流动方向增厚。 截面压力近似等于同一截面上的边界层外边界压力。（压力与厚度无

11、关） 层内粘性力与惯性力同一数量级。混合边界层混合边界层在整个长度上边界层内都是层流，称层流边界层层流边界层。仅在起始长度上是层流，而在其他部分为紊流的称混合边界层混合边界层。(1) 层流区，xxc5102Revxv外边界层上流速（主流区流速）x=xc时，Re=2105(2) 过渡区，2105Re3106分区的长度与进流分区的长度与进流速度有关速度有关第四章 流体的紊流流动紊流（湍流）状态中，质点进行的是极不规则的流动，速度的大小和方向都随时间变化，因此紊流实际上是非稳定流动。一、紊流流动特征 速度时均化原则 紊流的流场中，任一点的瞬时速度都有着随机性质的变化。但是，这样的变化在足够长的时间之