四川大学化工原理PPT课件 1第一章 流体流动的基本概念与流体中的传递现象资料

第一章

流体与流体中的传递现象

特征

流体 (Fluid) 与流体流动 (Flow) 的基本概念

在航空、航天、航海，石油、化工、能源、环境、材料、医学和生命科学等领域，尤其是化工、石油、制药、生物、食品、轻工、材料等许多生产领域以及环境保护和市政工程等，涉及的对象多为流体。

“流程工业”

在流动之中对流体进行化学或物理加工 加工流体的机器与设备

过程装备

物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体

物质外在宏观性质由物质内部微观结构和分子间力所决定物质的三种形态

分子的随机热运动和相互碰撞给分子以动能使之趋于飞散

分子间相互作用力的约束以势能的作用使之趋于团聚

两种力的竞争结果决定了物质的外在宏观性质。而这两种力的大小与分子间距有很大关系。

约为1×10-8 cm （分子尺度的量级），分子间相互作用势能出现一个极值称为“势阱”，即分子的结合能，其值远远大于分子平均动能。分子力占主导地位，分子呈固定排列分子热运动仅呈现为平衡位置附近的振荡。有一定形状且不易变形。

分子间距

液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞争势均力敌。分子间距比固体稍大1/3左右。不可压缩、易流动。

气体：分子间距约为3.3×10-7cm （为分子尺度的10倍）。分子平均动能远远大于分子间相互作用势能，分子近似作自由的无规则运动。有易流动、可压缩的宏观性质。

超临界流体、等离子体 流体

固体

连续介质假定(Continuum hypotheses)

V

m V V ∆∆=∆→∆lim 0ρ∆V 0：流体质点或微团。尺度远小于液体所在空间的特征尺度，而又远大于分子平均自由程

连续介质假定：流体微团连续布满整个流体空间，从而流体的物理性质和运动参数成为空间连续函数

流体是由离散的分子构成的，对其物理性质和运动参数的表征是基于大量分子统计平均的宏观物理量

平均质量 注：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，例如高真空稀薄气体的流动，连续介质假定受到限制。

场力或体积力（质量力）：非接触力，大小与流体的质量成正比，例如：重力，离心力，电磁力等

表面力：接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面（或假想表面）积成正比，例如：压强和应力 a a F V m ρ==处于重力场中的流体， 无论运动与否都受到力的作用。 连续介质的受力服从牛顿定律。

重力场——重力加速度

离心力场——离心加速度

压强被视为外部作用力（包括流体柱自身的重力）在流体中的传播，其方向始终与作用面相垂直；无论流体运动与否，压强始终存在，静止流体中的压强称为静压强。在流体空间的任一点处，静压强数值相等地作用在各个方向。

⎩⎨⎧-+=真空度

表压大气压强真实压强正应力：与压缩（或扩张）形变相对应的应力，方向与作用面相垂直。 剪应力：与剪切形变相对应的应力，方向与作用面相平行。 表面张力：存在于不同流体的相邻界面，使液体表面具有收缩的趋势。其大小用表面张力系数 σ 来表示，其单位为

N/m 。其大小对于流体的分散和多相流动与传热传质有重要影响。

用压力计（manometer ）测定压强

当真实压强大于大气压强时称为表压、当真实压强小于大气压强时称为真空度。

流体受力会产生形变

单组分与多组分 （single and multicomponent ） 单相流与多相流 （ single and multiphase ）

单组分体系只含有一种物质，组成均匀且无化学反应 。 例：纯水、氧气、氮气等，空气有时也被视作单组分体系。 多组分体系中各物质有浓度变化及由此引起的体系性质改变。 单相流体系：体系所含的物质只有一种相态，其主要特征是体系内部不存在相界面及相间传递，体系的各种性质在空间连续分布。 多相流体系：体系内含两种或两种以上相态的物质，其主要特征是体系内存在气(汽)-液、气-固或液-固、液-液相界面，且界面上的传递速率对体系的性质具有重要影响。

三维、二维与一维体系

非稳态与稳态（Steady and unsteady ）

按流动参数随空间坐标变化的特征来区分流动体系。 严格说流体流动都是在三维空间中进行，因此流动参数（浓度、密度、温度、速度、压力、……）都是三维空间座标的连续函数。

T = f(x,y,z) 三维 (three-dimensional ，3D) 可根据体系的流动特征将其简化为

T = f(x,y) 二维 (two-dimensional ，2D)

T = f(x) 一维 (one-dimensional)

非稳态流动：流动参数随时间而变化， T = f(x,y,z,t)； 稳态流动：流动参数不随时间变化， T = f(x,y,z) 。

层流与湍流(Laminar and Turbulent Flow) 雷诺实验

层流：流体质点很有秩序地分层顺着轴线平行流动，不产生流体质点的宏观混合。

湍流：流体质点沿管轴线方向流动的同时还有任意方向上的湍动，因此空间任意点上的速度都是不稳定的，大小

和方向不断改变。

层流与湍流(Laminar and Turbulent Flow)

u u

t 湍流流体的流速波形反映了湍动的强弱与频率，同时也说明宏观上仍然有一个稳定的时间平均值。其它参数如温度、压强等也有类似性质。

湍流的特点

对直管内的流动而言：

μ

ρ

du Re =

雷诺准数的定义

流型判别的依据——雷诺准数(Reynolds number)

流型的判别

黏性力

动力

=

=

d

u

u

μ

ρ2

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