內容回顧 第二章流體的性質 第三章流體動力學 第五章邊界層理論 第六章材料加工中的特殊流體動的流動 第七章相似理論及量綱分析 第八 九章熱量傳輸的基本概念 導熱 第十章對流換熱 第十一章輻射換熱 第一章緒論 第四章層流流動與湍流 流體靜力學 質量傳輸的基本概念 菲克定律 傅立葉導熱定律 牛頓粘性定律 一 三種傳輸的基本規律 第一章緒論 第一章緒論 1 數學表達式相似 2 擴散系數具有相同的因次 單位均為 m2 s 3 擴散通量為單位時間內通過與傳遞方向相垂直的單位面積上的動量 熱量和質量 通量的傳遞方向均與該量的濃度梯度的方向相反 因此 通量的表達式中都有一個 二 三種傳輸現象的類似性 第二章流體的性質 一 基本概念 知識 流體 Fluid 自然界中能流動的物質 統稱為流體 連續介質 Continuousmedium 模型將流體看成是由無限多個流體質點所組成的 密集而無間隙的連續介質 流體質點是組成流體的最小單位 質點與質點之間沒有空隙 壓縮性 當作用在流體上的壓力增加時 流體所占有的體積將縮小 這種特性稱為流體的壓縮性 通常用等溫壓縮率 T來表示 膨脹性 當溫度變化時 流體的體積也隨之變化 溫度升高 體積增大 這種現象稱為流體的膨脹性 用膨脹 V系數來表示 第二章流體的性質 粘度 粘滯性 動力粘度 絕對粘度 物理意義為速度梯度為1個單位時 單位面積上內摩擦力 單位為Pa s 根據牛頓粘性定律 以切應力對速度梯度作圖 若得到一條通過原點的直線 具有這種特性的流體稱為牛頓流體 不具有上述特點的流體則統稱為非牛頓流體 牛頓流體 非牛頓流體 第二章流體的性質 流體靜力學 歐拉靜平衡方程 作用在靜止流體上的力 質量力 表面力 流體靜壓強特性 1 垂直受壓面并沿著受壓面的內法線方向 2 大小由位置的坐標決定 與作用方向無關 流體靜力學基本方程 流體靜力學 絕對壓強 相對壓強的概念與計算 靜止流體的壓強分布 等壓面 流體靜力學 一 基本概念 4 有效斷面 過水斷面 即水道 管道 明渠等 中垂直于水流流動方向的橫斷面 即與流束或總流的流線成正交的橫斷面 第三章流體動力學 1 跡線 流場中流體質點運動的軌跡線 2 流線 某一瞬時 流場中連續的不同位置質點流動方向線 是流場中某一瞬時的一條空間曲線 在該線上各點的流體質點所具有的速度方向與曲線在該點的切線方向重合 3 流束 充滿在流管中的液流稱為流束 流束的極限是一條流線 無數流束就構成總流 6 緩 漸 變流 水流的流線幾乎是平行直線的流動 或者雖有彎曲但曲率半徑又很大的流體流動 則可視為漸變流 漸變流的極限是均勻流 漸變流同一過水斷面上的動水壓強分布規律同靜水壓強 即z1 p1 常數 第三章流體動力學 5 平均流速 由通過過水斷面的流量Q除以過水斷面的面積A而得的流速稱為斷面平均流速 7 動能 動量 修正系數 指按實際流速分布計算的動能 動量 與按斷面平均流速計算的動能 動量 的比值 它們的值均大于1 0 且取決于總流過水斷面的流速分布 分布越均勻 其值越小 越接近于1 0 一般工程計算中常取1 0 第三章流體動力學 二 基本的公式 方程 流體運動的速度 加速度 當地加速度 遷移加速度 二 基本的公式 方程 連續性方程與恒定總流連續性方程 不可壓縮流體無分支 無匯集流動時 1A1 2A2 即Q1 Q2 即任意斷面間斷面平均流速的大小與過水斷面面積成反比 不可壓縮流體 第三章流體動力學 恒定總流能量方程 伯努利方程 第三章流體動力學 伯努利方程的幾何意義和物理意義 水頭線1 各斷面的總水頭連線稱為總水頭線或總能線 2 對于理想流動流體的總水頭線為水平線 3 對于實際流動流體的總水頭線恒為下降曲線或直線 其下降值等于兩斷面的水頭損失hw hf 4 各斷面的測壓管水頭連線稱為測壓管水頭線 測壓管水頭線與總水頭線的間距是流速水頭 若是均勻流 則總水頭線平行于測壓管水頭線 應用能量方程時的注意事項 1 沿流動方向在漸變流處取過水斷面列能量方程 2 基準面原則上可任取 但應盡量使各斷面的位置水頭為正 3 在同一問題上必須采用相同的壓強標準 一般均采用相對壓強 而當某斷面有可能出現真空時 盡量采用絕對壓強 4 由于z p 常數 所以計算點在斷面上可任取 但對于管道流動常取斷面中心點 對于明渠流動計算點常取在自由液面上 5 應選取已知量盡量多的斷面 其中一個斷面應包括待求的未知量 如大水池表面v1 0 相對壓強p 0 管道出口斷面相對壓強p 0等 第三章流體動力學 第四章層流流動與湍流運動 Rec取決于邊界形狀 過水斷面形狀 以及特征尺寸的選用 對圓管內流Rec 2320 2300 非圓管Rec 500 明渠Rec 300 時均化處理紊流 瞬時流速 時均流速 脈動流速 1 流體流動的兩種形態 層流和紊流 的特點 運動是否有序 流體微團是否有摻混 2 層流 紊流的判別標準 下臨界雷諾數Rec 3 紊流特點 無序性 耗能性 擴散性 第四章層流流動與湍流運動 4 不可壓縮恒定均勻圓管層流 圓管內層流流速呈旋轉拋物面分布 圓管層流的水頭損失 即水頭損失與流速的一次方成正比 沿程阻力系數 64 Re 如果流量為Q 其沿程損失的功率為 圓管內層流的最大流速是平均流速為的2倍 6 紊流沿程阻力系數 的求解 a 尼古拉茲曲線 根據 與 Re的關系 將整個流區分為5個區 層流 層流向紊流過渡區 水力光滑區 水力光滑區向水力粗糙區的過渡區 水力粗糙區 查圖或利用相應的實驗公式 首先計算雷諾數判斷流動狀態 注意流道的形狀 b 湍流區通用的經驗公式 第四章層流流動與湍流運動 5 紊流切應力 7 非圓形管內流動問題 此時 引入當量直徑de的概念 而且de 4R水力 沿程損失的計算 只需將圓管表達式中的d用de取代即可 非圓形截面的特征長度則是水力半徑R水力 第四章層流流動與湍流運動 8 求解具體問題時注意 根據對具體情況的分析 往往需要進行必要的簡化 結合伯努利方程 有時需要結合連續性方程 靜力學基本方程 第四章層流流動與湍流運動 e 邊界層外可按理想流體對待 邊界層內 1 邊界層的概念與特點 a 邊界層厚度為一有限值 c 邊界層厚度沿程增加 d 邊界層分層流邊界層和紊流邊界層 b 邊界層內速度梯度較大 第五章邊界層理論 第五章邊界層理論 邊界層厚度 速度分布為一無窮級數形式 不作為計算時使用 2 流體掠過平板 層流時的邊界層微分方程 層流時邊界層積分方程 簡化后 邊界層厚度 邊界層內速度分布關系 第五章邊界層理論 第五章邊界層理論 由微分方程 由積分方程 不可壓縮層流 平板繞流摩擦阻力S及摩擦阻力系數Cf 湍流 平板繞流邊界層厚度 摩擦阻力S 及摩擦阻力系數Cf 第五章邊界層理論 2 幾個相似準數 Re Fr Eu a 粘滯力起主要作用時 b 重力起主要作用時 c 壓力起主要作用時 1 幾何相似 原形和模型兩個流場的幾何形狀相似 2 運動相似 原形和模型兩個流場的速度場相似 3 動力相似 原形和模型兩個流場中各相應質點所受的力同名 方向相同 大小成一固定比例 4 初始條件和邊界條件相似 第七章相似理論與量綱分析 1 兩液流流動相似必須滿足 由簡單的物理方程通過相似變換導出某些準數 第七章相似理論與量綱分析 4 量綱和諧原理 凡是正確反映客觀物理現象 過程 的方程 其量綱都必須是一致的 即只有物理方程兩邊量綱相同時 物理方程才能成立 3 基本量綱 具有獨立性的 不能由其他量綱推導出來的量綱 一般取 L M T 導出量綱 由基本量綱導出的量綱 基本知識和概念 導熱物體各部分之間無相對位移 通過物體內部的分子 原子及自由電子等微觀粒子的熱運動進行熱量傳遞的一種方式 稱為熱傳導 簡稱導熱 對流換熱是指流體流經與其溫度不同的固體壁面時發生的熱量傳輸現象 對流換熱發生時 必然伴隨著導熱 而且導熱是制約環節 溫度場是指所研究對象的溫度分布 通常溫度的分布是空間 時間的函數 即物體的溫度可以表示為T f x y z t 輻射換熱物體發出輻射與接受輻射對比的結果 熱量傳輸概述 導熱 等溫面 線 某一時刻 物體中各處溫度相同的各點組成的面稱為等溫面 等溫面與任意一個二維截面的交線稱為等溫線 習慣上以等溫面或等溫線來表示溫度場 熱量傳輸概述 導熱 熱擴散率 熱導率熱導率是表征物體導熱能力的物性參數 在數值上等于溫度梯度為1個單位時 物體內具有的熱流密度 溫度梯度溫度場中 任意一點沿等溫面法線方向單位距離的溫度變化率稱為該點的溫度梯度 是一矢量 是材料自身的熱物性 蓄熱系數 惰性時間非穩態導熱時 物體內某處未受表面升溫影響 波及 的時間 熱阻可以簡單地視作熱量傳輸過程中的阻力 不同的傳熱方式有不同的表示方式 而且與物體表面狀態 結構有關 導熱 基本公式 導熱 導熱 熱量傳輸概述 導熱 第十章對流換熱 牛頓冷卻公式 對流換熱計算表達式 熱流密度 q TW Tf 熱流量 Q A TW Tf 影響對流換熱的因素 固體物的放置方式 水平 鉛垂 熱面朝上 熱面朝下等 流動的起因 強制對流 自然對流 流動的性質 層流 湍流 流體的物性 密度 粘度 熱導率等 表面幾何特征及流體流動的空間 外部掠過 內部流過 換熱微分方程式 對流換熱時 流體與固體表面之間的對流換熱量都必須通過緊貼壁面的速度為零的流體層 穿過此層流體的熱量幾乎完全依靠導熱 將傅立葉導熱微分方程應用于該貼壁層 并聯立牛頓冷卻公式 可以得到局部換熱表面傳熱系數 為 第十章對流換熱 對流換熱準數方程式 1 對流換熱準數 關鍵 第十章對流換熱 Gr 格拉曉夫數 自然對流時采用的準數 反映自然對流換熱過程中浮升 沉降 力 慣性力與粘性力的相對大小 普朗特數 反映流體動量擴散能力與熱量擴散能力的相對大小 努塞爾數 表征對流換熱的相對強弱 可視為導熱熱阻與對流熱阻的比值 雷諾數 表征強制對流時 慣性力和粘性力的相對大小 2 對流換熱準數方程式 對穩定對流傳熱一般表示成 Nu f Re Pr Gr 第十章對流換熱 定性溫度 外部掠過 內部流過不同 特征尺寸 與物體的幾何特征與放置形式有關 自然對流換熱問題 自然對流換熱的準數方程式一般為 要查表10 2確定自然對流換熱中的C及n值 計算出Nu的值 必要時進行修正 或由表10 3給出的簡化公式確定Nu的值 第十章對流換熱 對流換熱系數的求解 步驟 方法 分析流體在空間上的流動方式 原因 確定定性溫度 定性尺度 由定性溫度查找有關物理參數 計算Re或GrPr 判斷流動的狀態 確定系數 指數 根據相應的表達式求出Nu 結合Nu的表達式求出相應的對流換熱系數 必要時進行一定的修正 1 熱輻射的基本概念 1 熱輻射 因熱的原因而產生的電磁波輻射 2 輻射換熱 物體之間相互輻射和吸收輻射能的總效果 3 物體表面的吸收 反射和穿透吸收率 反射率 透射率 黑體 1固體 液體對熱輻射不能穿透 0 1 第十一章輻射換熱 第十一章輻射換熱 2 熱輻射的基本定律 1 斯蒂芬 波爾茲曼定律 四次方定律 輻射力 單位時間內 單位表面積物體表面向其上半球空間所有方向發射的全部波長的總輻射能 斯蒂芬 波爾茲曼定律 四次方定律 黑體輻射力Eb與其熱力學溫度T的四次方成正比 即 發射率 物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比稱為該物體的發射率或黑度 以 表示 即 第十一章輻射換熱 基爾霍夫定律 任何物體的輻射力與它對來自同一溫度黑體輻射的吸收率的比值 恒等于同溫度下的黑體的輻射力 即 推論 1 溫度相同時 黑體的輻射力最大 2 輻射力大的物體 其吸收率也大 善于輻射的物體必然善于吸收 灰體 單色吸收率 為常數的物體 實際物體的 對不同波長的輻射有選擇性 灰體的性質 第十一章輻射換熱 兩個黑體表面間的輻射換熱量為 式中 A1為黑體表面積 X12為表面1對表面2的角系數 1 A1X12 稱為輻射空間熱阻 簡稱空間熱阻 3 黑體間的輻射換熱 第十一章輻射換熱 角系數 角系數的性質 1 相對性 2 完整性 3 可分 加 性 表面1發射的輻射能落到表面2上的量與表面1發射的輻射能的比值 稱為表面1對表面2的角系數X12 從表面1發出而落到表面2 2a 2b 上的總輻射能等于落到表面2上各組成部分的輻射能之和 于是有 角系數的性質 角系數的性質 從表面2發出落到表面1上的總輻射能 等于從表面2的各個組成部分發出而落到表面1上的輻射能之和 即 第十一章輻射換熱 灰體表面間的輻射換熱 1 有效輻射單位時間內離開單位面積的總輻射能稱為該表面的有效輻射 計為J 2 投入輻射單位時間內投射到單位面積上的總輻射能稱為該表面的投入輻射 計為G 第十一章輻射換熱 3 表面熱阻 表面1以輻射方式損失的凈熱量為 第十一章輻射換熱 4 兩灰體表面組成的封閉系統的輻射換熱