第一章流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響因素和研究方法郭寧山東輕工業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院2009.3影響化工設(shè)備中流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的因素流體的物理性質(zhì)流動(dòng)空間，包括邊界和內(nèi)構(gòu)件的幾何特征引發(fā)流體運(yùn)動(dòng)的條件其他，比如傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等1.1流體的物理性質(zhì)連續(xù)介質(zhì)模型流體是連續(xù)分布的物質(zhì)，并可無(wú)限分割為均布質(zhì)量的宏觀微元體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及離解的運(yùn)動(dòng)流體服從熱力學(xué)關(guān)系流體的力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)在時(shí)空中是連續(xù)可微的

連續(xù)介質(zhì)模型是一種理想模型，不適用于高空和真空條件下的氣體流體微團(tuán)：把流體無(wú)限分割為具有均布質(zhì)量的微元，它是研究流體運(yùn)動(dòng)的最小單元。宏觀上無(wú)限小，微觀上無(wú)限大在宏觀上可以用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示不考慮體積和變形，微團(tuán)可以視作沒(méi)有體積的質(zhì)點(diǎn)，稱為流體質(zhì)點(diǎn)密度

常見(jiàn)的密度（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）：4℃時(shí)的水20℃時(shí)的空氣容重（重度）比重相對(duì)密度，固體和液體的比重是該物質(zhì)的密度與在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，3.98℃時(shí)純H2O下的密度（1g/cm3）的比值。對(duì)于氣體是氣體的分子量同空氣的分子量(28.9644)的比值。液體或固體的比重說(shuō)明了它們?cè)诹硪环N流體中是下沉還是漂浮。壓縮性流體體積或密度隨壓力變化的性能稱為壓縮性。液體的壓縮性<<氣體的壓縮性為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以近似地認(rèn)為氣體也是不可壓縮的是否考慮流體的壓縮性要根據(jù)情況而定黏性在外力作用下，流體微團(tuán)間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體受到剪切力作用時(shí)抵抗變形的能力稱為黏性。微觀機(jī)制：分子間吸引力、分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換yxAABBuxux+duxCC牛頓黏性定律流層之間的速度變化(梯度)dux/dy相鄰流層之間的剪切應(yīng)力τyx應(yīng)該與該處的速度梯度有線性關(guān)系剪切應(yīng)力的作用面垂直于y軸剪切應(yīng)力方向動(dòng)力黏度速度梯度dux/dy

的物理意義速度梯度還可以理解為剪切變形速率uxdt(ux+dux)dtduxdtdy-dδBAδ黏度

動(dòng)力粘度（系數(shù)）μ：與流體性質(zhì)有關(guān)Pa·S(SI)P(泊，CGS)1P=100cP=0.1Pa·S

運(yùn)動(dòng)黏度m２/scm２/s(斯)討論

氣體熱運(yùn)動(dòng)T↑

μ↑

T0=273.16K，Ts=110.4K(Sutherland常數(shù))液體吸引力T↑

μ↓（近似）非牛頓流牛頓流體——服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）黏塑性流體——克服初始應(yīng)力τ0后，τ才與速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）(賓漢型流體)假塑性流體——τ的增長(zhǎng)率隨dv/dz的增大而降低（高分子溶液、紙漿、血液等）膨脹型流體——τ的增長(zhǎng)率隨dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挾沙水流）ττ0dux/dyo膨脹型流體牛頓流體假塑性流體賓漢性流體例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。求該實(shí)驗(yàn)液體的黏度hnr1r2解：得四、三傳類比傅里葉定律費(fèi)克定律牛頓黏性定律五、表面張力表面張力σ：由分子的內(nèi)聚力引起單位：N/m發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界氣液界面（氣泡內(nèi)壓力差）浸潤(rùn)現(xiàn)象(氣液固三相)毛細(xì)管現(xiàn)象1.2流動(dòng)空間的幾何特征流動(dòng)問(wèn)題的分類（壁面性質(zhì)和形狀，流固關(guān)系）外部問(wèn)題（繞流）固體特征尺寸作為運(yùn)動(dòng)的幾何特征尺寸內(nèi)部問(wèn)題（管流）管道的特征尺寸作為運(yùn)動(dòng)的幾何特征尺寸討論內(nèi)部問(wèn)題與外部問(wèn)題的基本差別在于邊界條件的給出內(nèi)部問(wèn)題限定于一定邊界范圍以內(nèi)，而外部問(wèn)題則不然由于流體有黏性，管流時(shí)，邊界對(duì)流動(dòng)影響較大，而繞流則影響很小二、化工設(shè)備中的流動(dòng)問(wèn)題化工設(shè)備中繞流和管流都會(huì)遇到。不僅處理的流體比較復(fù)雜，而且設(shè)備的形狀也是各式各樣。按結(jié)構(gòu)可以分：攪拌槽鼓泡塔固定床流化床1.3流體運(yùn)動(dòng)的分類根據(jù)施加力的不同方式分為：壓力流、泊謖流：壓力差推動(dòng)下的流動(dòng)拖曳流、庫(kù)特流：邊界或者內(nèi)部固體的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)下的流動(dòng)自然對(duì)流：由于溫度或濃度不同，引起流體密度的不同而使流體產(chǎn)生的流動(dòng)二、根據(jù)流體的流動(dòng)狀態(tài)分為：層流管道中的流體流速較低時(shí)，水是以直線方式流動(dòng)，又叫滯流湍流管道中的流體流速較高時(shí)，水的流動(dòng)比較紊亂，各流體質(zhì)點(diǎn)的流速具有隨機(jī)性，又叫紊流。三、流體流動(dòng)狀態(tài)的判別影響流體流動(dòng)