1、流體流動的基本概念流體流動的基本概念與流體中的傳遞現象與流體中的傳遞現象 在航空、航天、航海，石油、化工、能源、環境、材料、醫在航空、航天、航海，石油、化工、能源、環境、材料、醫學和生命科學等領域，尤其是化工、石油、制藥、生物、食學和生命科學等領域，尤其是化工、石油、制藥、生物、食品、輕工、材料等許多生產領域以及環境保護和市政工程等，品、輕工、材料等許多生產領域以及環境保護和市政工程等，涉及的對象多為流體。涉及的對象多為流體。特征特征“流程工業流程工業”在流動之中對流體進在流動之中對流體進行化學或物理加工行化學或物理加工加工流體的加工流體的機器與設備機器與設備過程裝備過程裝備 物質的三種常規聚

2、集狀態：固體、液體和氣體；物質的三種常規聚集狀態：固體、液體和氣體；流體流體: :氣態和液態物質合稱為流體（包括超臨界流體、氣態和液態物質合稱為流體（包括超臨界流體、 等離子體等特殊流體）等離子體等特殊流體）流體的基本特征是具有流動性流體的基本特征是具有流動性 從微觀來看從微觀來看分子之間有空隙分子之間有空隙流體的物理量流體的物理量(如如密度、密度、壓強和速度等壓強和速度等)在空在空分布不連續。分布不連續。分子的隨機運動分子的隨機運動所以在空間任一點上，所以在空間任一點上，流體的物理量流體的物理量在時間上在時間上的變化也是不連續的。的變化也是不連續的。在工程技術領域，關心的是流體的宏觀特性，即

3、在工程技術領域，關心的是流體的宏觀特性，即大量分子的統計平均值，為此引入連續介質模型。大量分子的統計平均值，為此引入連續介質模型。P(x,y,z) 質 量m 體積V x y z (a) Vm 0 0V V (b) VmVVlim0 V0：流體質點或微團。尺度遠小于液體所在空間的：流體質點或微團。尺度遠小于液體所在空間的特征尺度，而又遠大于分子平均自由程特征尺度，而又遠大于分子平均自由程 單位體積平均質量單位體積平均質量注意：注意： 該假定對絕大多數流體都適用。但該假定對絕大多數流體都適用。但當當流動體系的特征尺度與分子平均自由程流動體系的特征尺度與分子平均自由程相當時相當時，例如高，例如高真空

4、稀薄氣體真空稀薄氣體的流動，的流動，連續介質假定受到限制。連續介質假定受到限制。 根據連續介質假定根據連續介質假定,任意空間點上流體的物理量都是指位于該任意空間點上流體的物理量都是指位于該點上的流體質點的物理量。流體的密度可以定義為點上的流體質點的物理量。流體的密度可以定義為:VmVV0lim 由于由于 很小很小,因此因此上式又可寫成上式又可寫成:0VVmV0lim),(TpfRTpMVm RTpMVMmmm.BBAAmyMyMM.VBBVAABBAAmXXVVVV一般可當成理想氣體處理一般可當成理想氣體處理:mM混合氣體的平均分子量；混合氣體的平均分子量；AMA組分的分子量；組分的分子量；A

5、yA組分的摩爾分率；組分的摩爾分率；BMB組分的分子量；組分的分子量；ByB組分的摩爾分率。組分的摩爾分率。.BBAABAmVVWWWV(質量守恒質量守恒)VAXA組分的分容；組分的分容；VBXB組分的分容。組分的分容。根據連續介質假定根據連續介質假定,任意空間點上流體的物理量都是指位于該任意空間點上流體的物理量都是指位于該點上的流體質點的物理量。流體的密度可以定義為點上的流體質點的物理量。流體的密度可以定義為:VmVV0lim 由于由于 很小很小,因此因此上式又可寫成上式又可寫成:0VVmV0lim)(Tf設定混合液體的體積設定混合液體的體積=分體積之和分體積之和,即即: .BAVVV.WV

6、WVWVBAAAAWVWWaAA.1BBAAmaa 為為A A組分的質量分率組分的質量分率 , , 為為B B組分的質量分率組分的質量分率 , , 則有：則有：BaAaWWaBBBBBWV1.1.3 流體的黏度流體的黏度 流體在運動時流體在運動時, ,任意相鄰兩層流體有相互抵抗力任意相鄰兩層流體有相互抵抗力, ,這種相互抵抗的作用力稱為剪切力這種相互抵抗的作用力稱為剪切力, , 流體所具有的流體所具有的這種抵抗兩層流體相對滑動速度的性質稱為流體的這種抵抗兩層流體相對滑動速度的性質稱為流體的粘性粘性。 粘性是流體固有的物理性質。粘性是流體固有的物理性質。uu u=0=0d du ud dy yy

7、 yx xF面積面積A A固定板固定板dyduAF dyduAFdyduAF牛頓粘性定律牛頓粘性定律凡遵循牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流凡遵循牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體體( (如水、空氣等如水、空氣等),),否則為非牛頓型流體。否則為非牛頓型流體。1.1.3 流體的黏度流體的黏度dyduAF 粘度是流體的重要物理性質之一粘度是流體的重要物理性質之一,它是流體組成它是流體組成和狀態和狀態(壓力、溫度壓力、溫度)的函數。的函數。),(pTf)(TfT)(TfT一般一般 而言而言: :氣體氣體: :液體液體: :SI制制 sPamsmPadydu./11PsPacP2310.101工程制的單位

8、工程制的單位:泊泊(P);厘泊厘泊(cP或或mPa.s)關糸關糸:sm /2單位單位:SI制制 運動粘度運動粘度:1.1.3 流體的黏度流體的黏度常壓氣體混合物粘度常壓氣體混合物粘度,可采用右式計算可采用右式計算非締合的液體混合物的粘度可用下式計算非締合的液體混合物的粘度可用下式計算2/12/1iiiiimMyMyiimxlglg 式中式中: m 氣體混合物的粘度氣體混合物的粘度yi 氣體混合物組分的摩爾分數氣體混合物組分的摩爾分數 i 同溫度下純組分的粘度同溫度下純組分的粘度 Mi 純組分的摩爾質量純組分的摩爾質量式中式中: m 液體混合物的粘度液體混合物的粘度xi 液體混合物組分的摩爾分數

9、液體混合物組分的摩爾分數理想流體與粘性流體理想流體與粘性流體具有粘性的流體統稱為粘性流體或實際流體具有粘性的流體統稱為粘性流體或實際流體0 的流體稱為理想流體的流體稱為理想流體1.1.3 流體的黏度流體的黏度yufyudd/dd高分子熔體和溶液、表面活性劑溶液、石油、食品以及高分子熔體和溶液、表面活性劑溶液、石油、食品以及含微細顆粒較多的懸浮體、分散體、乳濁液等流體在層流時含微細顆粒較多的懸浮體、分散體、乳濁液等流體在層流時并不服從牛頓粘性定律，統稱為非牛頓流體。并不服從牛頓粘性定律，統稱為非牛頓流體。非牛頓流體的非牛頓流體的粘度粘度 不再為一常數而不再為一常數而與與 dux / dy 有關有

10、關 牛頓型流體 塑型流體 漲塑流體 假塑型流體 du/dy y 賓漢塑性流體或塑性流體（賓漢塑性流體或塑性流體（Bingham plastics）yuKydd y 屈服應力（屈服應力（threshold shear stress）K 賓漢粘度賓漢粘度yuyuyuKandddddd1n 流變指數（流變指數（flow behavior index）K 稠度系數（稠度系數（flow consistency index） a a 表觀粘度表觀粘度冪律（冪律（power law）流體）流體n1 漲塑性流體（漲塑性流體（Dilatant fluid） 牛頓型流體 塑型流體 漲塑流體 假塑型流體 du/dy

11、 y P1P16 6非接觸力，大小與流體的質量成正比，例如：重力，離非接觸力，大小與流體的質量成正比，例如：重力，離心力，電磁力等心力，電磁力等 接觸力，大小與和流體相接觸的物體（包括流體本身）接觸力，大小與和流體相接觸的物體（包括流體本身）的表面（或假想表面）積成正比，例如：壓強和應力的表面（或假想表面）積成正比，例如：壓強和應力 aaFVm處于重力場中的流體，處于重力場中的流體， 無論運動與否都受到力的作用。無論運動與否都受到力的作用。連續介質的受力服從牛頓定律。連續介質的受力服從牛頓定律。重力場重力場重力加速度重力加速度離心力場離心力場離心加速度離心加速度 場力或體積力（質量力）場力或體

12、積力（質量力）表面力表面力工程上習慣將壓強稱為壓力工程上習慣將壓強稱為壓力) )壓力單位壓力單位:SI制制:N/m2 或或Pa；壓力壓力 的單位的單位:pkPa1kPa=1000Pa工程制工程制: 標準大氣壓標準大氣壓(atm)、工程壓力、工程壓力(kgf/cm2)、某流體柱高度等。、某流體柱高度等。1atm=101.325kPa=101325N/m2=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O1mmHg=133.32Pa 1at=1kgf/cm2=9.807104Pa 工程上習慣將壓強稱為壓力工程上習慣將壓強稱為壓力) )壓力單位壓力單位:真空度與表壓真空度與表壓真空度表壓

13、大氣壓強真實壓強(絕對壓強) (Pa) 真空度與表壓真空度與表壓當被測流體的壓力當被測流體的壓力(或絕對壓力或絕對壓力)小于大氣壓時小于大氣壓時:當被測流體的壓力當被測流體的壓力(或絕對壓力或絕對壓力)大于大氣壓時大于大氣壓時:表上讀數表上讀數=大氣壓大氣壓 絕對壓力絕對壓力表上讀數表上讀數=絕對壓力大氣壓絕對壓力大氣壓真空度真空度表壓表壓真空表真空表壓力表壓力表壓力表與真空表壓力表與真空表p p1 1p p2 2真空度真空度絕壓絕壓表壓表壓絕壓絕壓大氣壓大氣壓絕絕對對零壓零壓壓強壓強壓強的基準和度量工程上習慣將壓強稱為壓力工程上習慣將壓強稱為壓力) )壓力單位壓力單位:真空度與表壓真空度與表

14、壓注意注意: :大氣壓與海拔高度有關大氣壓與海拔高度有關注意注意: :大氣壓與海拔高度有關大氣壓與海拔高度有關例例:有一設備要求絕壓為有一設備要求絕壓為20mmHg,成都、拉薩的大氣壓分成都、拉薩的大氣壓分別為別為720mmHg、459.4mmHg,問真空度各為多少問真空度各為多少Pa?20mmHg成都的真空度成都的真空度=72020=700mmHg =700101325/760 =93326Pa解解:拉薩的真空度拉薩的真空度=459.420=439.4mmHg =439.4101325/760 =58581Pa1mmHg=133.32Pa工程上習慣將壓強稱為壓力工程上習慣將壓強稱為壓力) )

15、壓力單位壓力單位:真空度與表壓真空度與表壓注意注意: :大氣壓與海拔高度有關大氣壓與海拔高度有關表面張力：存在于不同流體的相鄰界面，表面張力：存在于不同流體的相鄰界面，使使流流體表面具有收體表面具有收縮的趨勢。表面張力的大小用表面張力系數縮的趨勢。表面張力的大小用表面張力系數s s 來表示，其來表示，其單位為單位為N/mN/m。其大小對于流體的分散和多相流動與傳熱傳質。其大小對于流體的分散和多相流動與傳熱傳質有重要影響有重要影響剪應力：剪應力：與剪切形變相對應的應力，方向與作用面相平行。與剪切形變相對應的應力，方向與作用面相平行。流體靜力學基本方程流體靜力學基本方程 ( Basic equat

16、ions of fluid statics ) 0 y x z z y x根據力的平衡根據力的平衡, ,在在 z 方向方向: : 0zyxgyxppzzz0lim0,gzpzyx即即 0gzp同理可得：同理可得： 0 xp0yp0 dxxp0 dyyp0 gdzdzzpgdzdp對于不可壓縮流體對于不可壓縮流體( =常數常數) ,即有即有 1212zzppgdzdpconstgzpgzp2211constgzpconstgzp或或z o0p 1 2 1z 2z mmgzgz pmpVgzpPgzVmgzpVpVgzpP 單位體積流體的總勢能守恒單位體積流體的總勢能守恒 constgzpPcon

17、stgzpP單位質量流體的總勢能守恒單位質量流體的總勢能守恒單位體積流單位體積流體的位能體的位能單位體積流單位體積流體的壓能體的壓能單位質量流體的總勢能單位質量流體的總勢能單位質量單位質量流體壓能流體壓能單位質量流單位質量流體的位能體的位能單位體積流體的總勢能單位體積流體的總勢能單位單位 J/m3P又叫虛擬壓強又叫虛擬壓強 單位單位Pa即單位體積流體勢能守恒或單位質量流體總勢能守恒即單位體積流體勢能守恒或單位質量流體總勢能守恒 常數gzpP常數gzpP (2.3-32) 1. 重力場中靜止流體總勢能不變，靜壓強僅隨垂直重力場中靜止流體總勢能不變，靜壓強僅隨垂直 位置而變，與水平位置無關，壓強相

18、等的水平面位置而變，與水平位置無關，壓強相等的水平面 稱為等壓面；稱為等壓面；2.靜止液體內任意點處的壓強與該點距液面的距離靜止液體內任意點處的壓強與該點距液面的距離 呈線性關系，也正比于液面上方的壓強；呈線性關系，也正比于液面上方的壓強；3.液面上方的壓強大小相等地傳遍整個液體。液面上方的壓強大小相等地傳遍整個液體。流體靜力學基本方程，表達了如下的流體靜力學原理：流體靜力學基本方程，表達了如下的流體靜力學原理：應用上注意幾點：應用上注意幾點：const1.公式的適用條件公式的適用條件(1) 重力場重力場;(2) 討論的兩個點或兩個面是靜力學連通的討論的兩個點或兩個面是靜力學連通的;(3) 連

19、通的流體是均勻的連通的流體是均勻的( )12ppgh2. 液柱壓力液柱壓力3. 上下壓力上下壓力ghpp上下應用要點應用要點: 1.等壓面等壓面;.(靜止的、連通的、均勻的、同一水平面靜止的、連通的、均勻的、同一水平面 壓力相等壓力相等) 2.上下壓力上下壓力ghpp上下討論討論: :pA與與pB之關糸之關糸?水A AB B流入流出(4)壓縮空氣水A AB B(3)AB(1)水水A(2)油油BpA與與pB之關糸之關糸?pC與與pD之關糸之關糸?流入流出ABCD流體靜力學基本方程的應用流體靜力學基本方程的應用1.1.液柱壓差計液柱壓差計（Manometers)a)a) 普通普通 U 型管壓差計（

20、型管壓差計（Simple manometer） b)b) 倒置倒置 U 型管壓差計（型管壓差計（Up-side down manometer）c)c) 傾斜傾斜 U 型管壓差計（型管壓差計（Inclined manometer）d)d) 雙液體雙液體 U 型管壓差計（型管壓差計（Two-liquid manometer）(a)R0(b)a0(c)R10(d)0102p1p2p1p2p1p2p1p2baRbabab1p2p1p2p2p1p01020R00b1RbbaaaabR1p2p(a)(a)(c)(c)(b)(b)(d)(d)U 型管內位于同一水平面上型管內位于同一水平面上的的 a、b 兩點

21、在相連通的同一兩點在相連通的同一靜止流體內，兩點處靜壓強靜止流體內，兩點處靜壓強相等相等gRpp021由指示液高度差由指示液高度差 R 計算壓差計算壓差, ,若被測流體為氣體，其密度較若被測流體為氣體，其密度較指示液密度小得多，指示液密度小得多，計算式為計算式為: :021Rgppp0 p0 0 p1 p2 R a b 0 用于測量液體的壓差，指示劑密度用于測量液體的壓差，指示劑密度 0 小于被測液體密度小于被測液體密度 ， U U 型管內位型管內位于同一水平面上的于同一水平面上的 a a、b b 兩點在相連兩點在相連通的同一靜止流體內，兩點處靜壓強通的同一靜止流體內，兩點處靜壓強相等相等由指

22、示液高度差由指示液高度差 R 計算壓差計算壓差若若 0gRpp210p1p2aRbgRpp021采用傾斜采用傾斜 U 型管可在測量較小的壓差型管可在測量較小的壓差 p 時，時，得到較大的讀數得到較大的讀數 R1 值。值。R10p1p2abgRpp0121sin壓差計算式壓差計算式微差壓計，支管頂端有一個擴大室。微差壓計，支管頂端有一個擴大室。擴大室內徑一般大于擴大室內徑一般大于U U型管內徑的型管內徑的1010倍。壓差計內裝有密度分別為倍。壓差計內裝有密度分別為 01 01 和和 02 02 的兩種指示劑。的兩種指示劑。有微壓差有微壓差 p 存在時，盡管兩擴大室存在時，盡管兩擴大室液面高差很小

23、以致可忽略不計，但液面高差很小以致可忽略不計，但U型管內卻可得到一個較大的型管內卻可得到一個較大的 R 讀數讀數。 對一定的壓差對一定的壓差 p，R 值的大小與所用的指示劑密度有值的大小與所用的指示劑密度有關，密度關，密度差差越小，越小，R 值就越大，讀數精度也越高。值就越大，讀數精度也越高。0102p1p2abgRpp020121gRpp021？R Rz z1 1z z2 21 11 12 22 20 A AR基準面z z1 1z z2 2h h1 11 12 22 20 A AB B)()()(02211Rggzpgzp 當被測管段不是水平而是傾斜時當被測管段不是水平而是傾斜時, ,公公式

24、的推導式的推導 如右圖所示如右圖所示, A 、B面為等壓面面為等壓面,即即BApp)(hRgppA 1 0122RgzzhgppB )()(1hRgp0122)(Rgzzhgp當當z1=z2時時,則有則有gRpp021流體靜力學基本方程的應用流體靜力學基本方程的應用1.1.液柱壓差計液柱壓差計（Manometers)2.液封問題液封問題 1 12 2h h8 80 0m mm mH Hg g( (表壓 )乙炔發水生生器器要求乙炔發生器要求乙炔發生器 里的表壓里的表壓不超過不超過80mmHg，問管伸，問管伸入水中深度最大為多少入水中深度最大為多少?21pp PammHgp 801ghPap2要使

25、乙炔發生器里的表壓不超過要使乙炔發生器里的表壓不超過80mmHg,管伸入管伸入.水中的深度水中的深度mh087.1解解:hPaPa81. 9100032.13380即即mh087. 1解得解得流體靜力學應用之二流體靜力學應用之二液封問題液封問題 流體靜力學基本方程的應用流體靜力學基本方程的應用1.1.液柱壓差計液柱壓差計（Manometers)2.液封問題液封問題 3.遠距離測量液位遠距離測量液位 流體靜力學應用之三流體靜力學應用之三 遠距離測量液位遠距離測量液位 N N2 2H H1 12 2R RP Pa aP Pa a0 Ap 由上得由上得: 21pp App 1RgPapA0gHPap

26、2gHPaRgPa00RH 解解: 如圖所示密閉室內裝有測定室內氣如圖所示密閉室內裝有測定室內氣壓的壓的U型壓差計和監測水位高度的型壓差計和監測水位高度的壓強表。指示劑為水銀的壓強表。指示劑為水銀的U型壓差型壓差計讀數計讀數 R 為為 40mm40mm，壓強表讀數，壓強表讀數 p 為為 32.5 32.5 kPa 。試求：水位高度試求：水位高度 h。 解：根據流體靜力學基本原理，若室外大氣壓為解：根據流體靜力學基本原理，若室外大氣壓為 pa，則，則室內氣壓室內氣壓 po 為為 (p(pA A=p=pB B;p;pA A=p=pa a;p;pB B=p=p0 0+R+R 0 0g)g)RhPpa

27、pap0gRpgRppggHagHao)(ghppgRpOHaHag2)(mggRphOHHg7728191000819136000401053232. A B用復式用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的兩點的壓差。倒置壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。型管段為水。水和空氣的密度分別為水和空氣的密度分別為 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下測得一流量下測得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。試計算試計算A、

28、B兩點的壓差。兩點的壓差。1z1z2z3A4z4B23空氣解：復式解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為用復式用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的兩點的壓差。倒置壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。型管段為水。水和空氣的密度分別為水和空氣的密度分別為 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下測得一流量下測得R1 = z1 - z2

29、 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。試計算試計算A、B兩點的壓差。兩點的壓差。1z1z2z3A4z4B23空氣11Agzpp解：復式解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為用復式用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的兩點的壓差。倒置壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間型管段上方指示劑為空氣，中間U型管段為水。型管段為水。水和空氣的密度分別為水和空氣的密度分別為 = 1000 kg/m3 和

30、和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下測得一流量下測得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。試計算試計算A、B兩點的壓差。兩點的壓差。1z1z2z3A4z4B23空氣11Agzpp解：復式解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為zzgpp21021用復式用復式U型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后型壓差計檢測輸水管路中孔板元件前后A、B兩點的兩點的壓差。倒置壓差。倒置U型管段上方指示劑為空氣，中間型管段上方指示

31、劑為空氣，中間U型管段為水。型管段為水。水和空氣的密度分別為水和空氣的密度分別為 = 1000 kg/m3 和和 0 = 1.2 kg/m3。在某。在某一流量下測得一流量下測得R1 = z1 - z2 = 0.32 m，R2 = z3 - z4 = 0.5m。試計算試計算A、B兩點的壓差。兩點的壓差。1z1z2z3A4z4B23空氣11Agzpp解：復式解：復式U型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬型壓差計可以在有限高度空間范圍內拓寬測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為測量范圍。根據流體靜力學原理，各點流體壓強為zzgpp21021zzgpp2332zzgpp430434B4gzpp

32、Pa5803450320819211000210432104321BA. RRgzzzzgzzzzgpp忽略空氣柱的重量，忽略空氣柱的重量，p1 p2 ，p3 p4 ，有有Pa2 .80445 . 032. 081. 9100021BARRgpp單組分與多組分單組分與多組分 （single and multicomponentsingle and multicomponent） 多相流體系：多相流體系：單相流與多相流單相流與多相流 （ single and multiphase single and multiphase ）單相流體系：單相流體系：三維、二維與一維體系三維、二維與一維體系: :

33、 非穩態與穩態非穩態與穩態 （Steady and unsteadySteady and unsteady）T = f(x,y,z) 穩態穩態 T = f(x,y,z,t) 非穩態非穩態 u= f(x,y,z) 穩態穩態 u= f(x,y,z,t) 非穩態非穩態 流量流量: :單位時間內流經某截面流體的數量。單位時間內流經某截面流體的數量。 體積流量體積流量(volume flowrate):(volume flowrate):qV,m,m3 3/s;m/s;m3 3/h; /h; 質量流量質量流量(mass flowrate(mass flowrate) :) :qm,kg/s;kg/h,k

34、g/s;kg/h; ;流速流速: :流體流動的距離流體流動的距離/ /時間時間; ;質量流速質量流速: :w ;kg/(s.m;kg/(s.m2 2) ) 點速度點速度u;u;平均速度平均速度 ;m/s ;m/s u之間關糸之間關糸: :AVudAqAquVVmqquAqwm解解:查查P131;表表3.3AquV24dA uqdV4? usmu/8 . 1 d=0.0793m=79.3mm 查附錄查附錄(管規格管規格) P435選公稱口徑選公稱口徑80mm 外徑外徑88.5mm 內徑內徑=88.5-24=80.5mm即即d=80.5mm udud2244mm45 .88 smu/75. 1雷諾

35、實驗雷諾實驗層流過渡流湍流(a)(b)雷諾實驗雷諾實驗流體流動依不同的流動條件有兩種不同的流動型態流體流動依不同的流動條件有兩種不同的流動型態,層流與湍流。層流與湍流。湍流：流體質點沿管軸線方向流動的同時還有任意方湍流：流體質點沿管軸線方向流動的同時還有任意方向上的湍動，因此空間任意點上的速度都是不穩向上的湍動，因此空間任意點上的速度都是不穩定的，大小和方向不斷改變。定的，大小和方向不斷改變。 層流：流體質點很有秩序地分層順著軸線平行層流：流體質點很有秩序地分層順著軸線平行 流流 動，不產生流動，不產生流 體質點的宏觀混合。體質點的宏觀混合。uutxy湍流的基本特征湍流的基本特征 時均速度與脈

36、動速度時均速度與脈動速度dtuTuTxx01txuxuyu0yutxxxuuuzzzuuuyyyuuuyyuuzzuudydxuduRe 物理意義：物理意義： 慣性力與粘性力之比慣性力與粘性力之比 雷諾準數雷諾準數Reynolds number除流速除流速u u 外，外， 和和 ，管徑，管徑d d 也都影響流動型態。也都影響流動型態。duRe )./(.222smkgmssmkgmsN du 0003./skgmsmkgmkgsmmRe 2000 穩定的層流區穩定的層流區 2000 Re 4000 湍流區湍流區 流體在管內流動時：流體在管內流動時：duRe 物理意義：物理意義： 慣性力慣性力/

37、 /粘性力粘性力雷諾準數雷諾準數Reynolds numberdu例例1.4 P19求雷諾數求雷諾數Re1. d=0.1m, =1000kg/m3, u=1m/s, =1cp2. d=0.1m, u=1m/s, =10-6m2/s3. d=0.1m, qm=(10 /4)kg/s, =1cp流動邊界層流動邊界層 流體流動受固體壁面影響（能感受到固流體流動受固體壁面影響（能感受到固體壁面存在）的區域稱為流動邊界層體壁面存在）的區域稱為流動邊界層層流邊界層層流邊界層湍流邊界層湍流邊界層層流內層層流內層邊界層界限邊界層界限u0u0u0 xy內摩擦：一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速內摩擦：

38、一流體層由于粘性的作用使與其相鄰的流體層減速邊界層：受內摩擦影響而產生速度梯度的區域（邊界層：受內摩擦影響而產生速度梯度的區域（d）u=0.99u0層流邊界層層流邊界層湍流邊界層湍流邊界層層流內層層流內層邊界層界限邊界層界限u0u0u0 xy邊界層發展：邊界層發展： 邊界層厚度邊界層厚度d d 隨流動距離增加而增加隨流動距離增加而增加流動充分發展：邊界層不再改變，管內流動狀態也流動充分發展：邊界層不再改變，管內流動狀態也 維持不變維持不變Xouodddd進口段進口段圓管入口處的流動邊界層發展圓管入口處的流動邊界層發展 層流邊界層：邊界層內的流動類型為層流層流邊界層：邊界層內的流動類型為層流湍流

39、邊界層：邊界層內的流動類型為湍流湍流邊界層：邊界層內的流動類型為湍流層流內層：邊界層內近壁面處一薄層，無論邊界層內的流型層流內層：邊界層內近壁面處一薄層，無論邊界層內的流型為層流或湍流，其流動類型均為層流為層流或湍流，其流動類型均為層流充分發展的管內流型屬層流還是湍流取決于匯合點充分發展的管內流型屬層流還是湍流取決于匯合點處邊界層內的流動屬層流還是湍流處邊界層內的流動屬層流還是湍流倒流倒流 分離點分離點u0 D ACCBx2.2.邊界層分離邊界層分離AB順壓強梯度；順壓強梯度； B B點以后逆壓強梯度點以后逆壓強梯度熱力學第二定律指出，所有系統由非平衡態向平熱力學第二定律指出，所有系統由非平衡

40、態向平衡態轉化是熵增大的自發過程，例如：衡態轉化是熵增大的自發過程，例如：熱流從高溫處流向低溫處熱流從高溫處流向低溫處水流從高位處流向低位處水流從高位處流向低位處電流由高電位流向低電位電流由高電位流向低電位唯象方程（唯象方程（Phenomenological equation）擴散通量擴散系數擴散通量擴散系數擴散推動力擴散推動力 傳輸阻力傳輸推動力傳輸速率 氣體在非平衡狀態下，由于分子之間的頻繁碰撞和相互攙氣體在非平衡狀態下，由于分子之間的頻繁碰撞和相互攙和，從而使氣體逐漸向各部分物理性質均勻的平衡狀態過和，從而使氣體逐漸向各部分物理性質均勻的平衡狀態過渡，在此過程中伴隨有某些物理量渡，在此過

41、程中伴隨有某些物理量(例如氣體的定向運動的例如氣體的定向運動的動量、熱運動能量和質員等動量、熱運動能量和質員等)的的遷移遷移，這種現象稱為氣體，這種現象稱為氣體內的內的現象現象氣體內的氣體內的遷移遷移現象有三種：現象有三種：(1)內摩擦現象；內摩擦現象；(2)熱傳導現象熱傳導現象(3)擴散現象擴散現象dyud)( 動量擴散通量動量擴散通量= 負動量擴散糸數動量擴散推動力負動量擴散糸數動量擴散推動力 當當 時可改寫為時可改寫為: constdyuddyud)()(dydu牛頓粘性定律為牛頓粘性定律為: 各物理量的因次各物理量的因次: smsmkgmsmkgmN././.2222動量通量動量通量3

42、3/.msmkgsmmkgu 動量濃度動量濃度u sm2動量擴散糸數動量擴散糸數單組分氣體、一維、等溫層流流動體系中的動量擴散現象單組分氣體、一維、等溫層流流動體系中的動量擴散現象 層流流體中由速度梯層流流體中由速度梯度推動的擴散稱為分度推動的擴散稱為分子動量擴散子動量擴散 um動量動量yuxdd速度梯度速度梯度)(yux速度分布速度分布動量動量一維流動情況下可定為一維流動情況下可定為 x 軸的正向。而動量擴散的方軸的正向。而動量擴散的方向，則由速度梯度決定、并且指向速度降低的方向。向，則由速度梯度決定、并且指向速度降低的方向。 yux, T, A ux(y), T(y), A(y)ounMuxrx宏觀上，分子數密度為宏觀上，分子數密度為 n 、分子量為、分子量為 Mr 的氣體的動的氣體的動量濃度量濃度( (即單位體積流體具有的動量即單位體積流體具有的動量) )為為根據分子動理學原理根據分子動理學原理流動氣體分子的運動流動氣體分子的運動流體的宏觀運動，流體的宏觀運動，ux迭加在宏觀運動上的分迭加在宏觀運動上的分子微觀熱運動，其均方子微觀熱運動，其均方根速度為根速度為 v 微觀上，分子無規熱運動引起氣體分子之間的碰微觀上，分子無規熱運動引起氣體分子之間的碰撞和動量交換，力圖