
(完整版)化工传递过程基础(第三版)课件.ppt
781页化工传递过程基础化工传递过程基础第一章第一章传递过程概论传递过程概论本本章章主主要要论论述述流流体体流流动动的的基基本本概概念念,动动量量、热热量量与与质质量量传传递递的的类类似似性性及及衡衡算算方法等内容方法等内容1.传递过程基本概念1.1 概论系统状态:非平衡状态(传递现象)平衡状态 物理量:c,T,v传递种类:质量、能量、动量时空间物理量的差异 梯度 流体流动、热量传递、质量传递平衡过程和传递过程传递过程:物理量向平衡转移平衡状态:强度性质的物理量不存在梯度补充:体系的宏观可测性质可分为两类:1.广度性质,与体系的数量成正比,如体积、质量等,具有加和性 2.强度性质:强度性质:不具有加和性,其数值取决于体系自身特性,与体系数量无关,如温度、压力、密度等平衡过程和传递过程热力学:研究热和其他形式的能量转换关系,探讨平衡过程的规律,能否进行,到何程度、如何影响热力学平衡条件:1.热平衡:体系各部分温度相等2.力学平衡:边界不发生相对移动3.相平衡:相间没有物质转移4.化学平衡:体系组成不随时间变化平衡过程和传递过程1.动量传递过程:在流体中,若两个相邻的流体层速度不同,则发生由高速层向低速层的动量传递两个相邻流体层的动量传递平衡过程和传递过程2.热量传递过程:物体各部分存在温度差,热量由高温区向低温区传递平衡过程和传递过程3.质量传递:当体系中的物质存在化学势差异时,则发生由高化学势区向低化学势区域的传递 化学势的差异可以由浓度、温度、压力或电场力所引起。
常见的是浓度差引起质量传递过程,即混合物种某个组分由高浓度向低浓度区扩散平衡过程和传递过程传递过程的速率可以用通式表示如下1.11.11.11.1流体的定义和特征流体的定义和特征第一章第一章 传递过程概论传递过程概论(动量传递动量传递)物质存在的形态有三种:物质存在的形态有三种:固体、液体固体、液体和和气体我们通常把能够流动的液体和气体统称为流体通常把能够流动的液体和气体统称为流体从力学角度来说,流体在受到微小的剪切力作用时,将连续不断地发生变形(即流动),直到剪切力的作用消失为止所以,流体可以这样来定义:流体可以这样来定义:在任何微小剪切力作用下能够连续变形的物质叫作流在任何微小剪切力作用下能够连续变形的物质叫作流体流体和固体由于分子结构分子结构和分子间的作用力分子间的作用力不同,因此,它们的性质也不同在相同体积的固体和流体中,流体所含有的分子数目比固体少得多,分子间距就大得多,因此,流体分子间的作用力很小,分子运动强烈,从而决定了流体具有流动性,而且流体也没有固流体具有流动性,而且流体也没有固定的形状定的形状u流体不能承受集中力,只能承受分布力u流体的上述物理力学特性使流体力学(水力学)成为宏观力学的一个独特分支。
1.11.11.11.1流体的定义和特征流体的定义和特征 流体与固体相比有以下区别:流体与固体相比有以下区别:(1)(1)固固体体既既能能够够抵抵抗抗法法向向力力压压力力和和拉拉力力,也也能能够够抵抵抗抗切切向向力力而流流体体仅仅能能够够抵抵抗抗压压力力,不能够承受拉力,也不能抵抗拉伸变形另外,流流体体即使在微小的切向力作用下,也很容易变形或流动2)(2)固固体体的的应应变变与与应应力力的的作作用用时时间间无无关关,只要不超过弹性极限,作用力不变时,固体的变形也就不再变化,当外力去除后,形变也就消失;对对于于流流体体,只只要要有有应应力力作作用用,它它将将连连续续变变形形(流动流动),当应力去除后,它也不再能恢复到原来的形状当应力去除后,它也不再能恢复到原来的形状1.11.11.11.1流体的定义和特征流体的定义和特征 液液体体和和气气体体虽虽都都属属于于流流体体,但但两两者者之之间间也也有有所所不不同同液体的分子间距和分子的有效直径相当当对液体加压时,只要分子间距稍有缩小,分子间的排斥力就会增大,以抵抗外压力所以液体的分子间距很难缩小,即液液体体很很难难被被压压缩缩以致一定质量的液体具有一定的体积。
液体的形状取决于容器的形状,并且由于分子间吸引力的作用,液液体体有有力力求求自自己己表表面面积积收收缩缩到到最最小小的的特特性性所以,当容器的容积大于液体的体积时,液体不能充满容器,故故在在重重力力的的作作用用下下,液液体体总总保保持持一一个个自自由由表表面面,通常称为水平面水平面气体的分子间距比液体大,在标准状态(0,10 1 325Pa)下,气体的平均分子间距约为3.3106mm,其分子的平均直径1.11.11.11.1流体的定义和特征流体的定义和特征 约为2.5107 mm分子间距比分子平均直径约大十倍因此,只有当分子间距缩小得很多时,分子间才会出现排斥力可见,气气体体是是很很容容易易被被压压缩缩的的此外,因气体分子间距与分子平均直径相比很大,以致分子间的吸引力很微小,而分子热运动起决定性作用,所以气气体体没没有有一一定定的的形形状状,也也没没有有固固定定的的体体积积,它它总是能均匀地充满容纳它的容器而形成不了自由表面总是能均匀地充满容纳它的容器而形成不了自由表面 1.11.11.11.1流体的定义和特征流体的定义和特征1.2流体力学(水力学)的主要研究内容1.流体在外力作用下,静止与运动的规律;关于流体平衡的规律,即流体静力学;关于流体运动的规律,即流体运动学和流体动力学;2.流体与边界的相互作用。
1.3与流体力学相关的工程领域和学科 空空气气和和水水是是地地球球上上广广泛泛存存在在的的物物质质,所所以以与与流流体体运运动动关关联联的的力力学学问问题题是是很很普普遍遍的的流流体体力力学学在在许许多多学学科科和和工工程程领领域有着广泛的应用,其重要性不言而喻域有着广泛的应用,其重要性不言而喻1.4 与其他课程之间的联系流体力学是继流体力学是继高等数学高等数学、大学物理大学物理理论理论力学力学之后开设,同时又成为学习许多后续专业课之后开设,同时又成为学习许多后续专业课程计算流体力学和从事专业研究的必备基础程计算流体力学和从事专业研究的必备基础高等数学要求复习掌握:微分(偏导数、导数)、高等数学要求复习掌握:微分(偏导数、导数)、积分(曲面积分、定积分、曲线积分)、多元函数积分(曲面积分、定积分、曲线积分)、多元函数的泰勒公式、势函数、微分方程的泰勒公式、势函数、微分方程理论力学要求复习掌握:质量守恒定律、能量守恒理论力学要求复习掌握:质量守恒定律、能量守恒定律、动量定律定律、动量定律1.5 流体力学发展简史第一阶段(第一阶段(17世纪中叶以前):流体力学成为一门独立学世纪中叶以前):流体力学成为一门独立学科的基础阶段科的基础阶段第二阶段(第二阶段(17世纪末世纪末-19世纪末)流体力学沿着两个方向世纪末)流体力学沿着两个方向发展发展理论、应用理论、应用第三阶段(第三阶段(20世纪初世纪初-20世纪中叶)理论分析与实验相结世纪中叶)理论分析与实验相结合合第四阶段(第四阶段(20世纪中叶以来)流体力学飞跃发展世纪中叶以来)流体力学飞跃发展第一阶段(第一阶段(17世纪中叶以前)流体力学成为一门独世纪中叶以前)流体力学成为一门独立学科的基础阶段立学科的基础阶段l1452-1519年 达.芬奇物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等1586年斯蒂芬水静力学原理1650年帕斯卡“帕斯卡原理”1686年牛顿牛顿内摩擦定律1738年伯努利出版流体动力学,建立了伯努利方程第二阶段(第二阶段(17世纪末世纪末-19世纪末)流体力学沿着两个世纪末)流体力学沿着两个方向发展方向发展理论流体力学、应用流体力学理论流体力学、应用流体力学工程技术快速发展,提出很多经验公式1769年谢才谢才公式(计算流速、流量)1895年曼宁曼宁公式(计算谢才系数)1732年比托比托管(测流速)1797年文丘里文丘里管(测流量)理论 1775年欧拉理想流体的运动方程 1823年纳维,1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组第三阶段(第三阶段(20世纪初世纪初20世纪中叶)理论分析与实世纪中叶)理论分析与实验相结合验相结合理论分析与试验研究相结合量纲分析和相似性原理起重要作用1883年雷诺雷诺实验(判断流态)1903年普朗特边界层概念(绕流运动)1933-1934年尼古拉兹尼古拉兹实验(确定阻力系数)第四阶段(第四阶段(20世纪中叶以来)流体力学飞跃发展世纪中叶以来)流体力学飞跃发展前沿-湍流;流动稳定性;涡旋和非定常流交叉学科和新分支:工业流体力学;气体力学;环境流体力学;稀薄气体力学;电磁流体力学;微机电系统;宇宙气体力学;液体动力学;微尺度流动与传热;地球流体力学;非牛顿流体力学;生物流体力学;多相流体力学;物理-化学流体力学;渗流力学和流体机械等。
流体力学在中国u钱学森(19112009)浙江省杭州市人,他在火箭、导弹、航天器等领域的丰富知识,为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献1957年获中国科学院自然科学一等奖,1979年获美国加州理工学院杰出校友奖,1985年获国家科技进步奖特等奖1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号,1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章u周培源(19021993)1902年8月28日出生,江苏宜兴人理论学家、流体力学家主要从事物理学的基础理论中难度最大的两个方面即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论的研究与教学并取得出色成果u吴仲华(Wu Zhonghua)在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论,至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据流体力学在中国 众所周知,任何流体都是由无数的分子组成的,分子与分子之间具有一定的空隙这就是说,从从微微观观的的角角度度来来看看,流流体体并并不不是是连连续续分分布布的的物物质质。
但是,流体力学所要研究的并不是个别分子的微观运动,而是研研究究由由大大量量分分子子组组成成的的宏宏观观流流体体在在外外力力作作用用下下的的机机械械运运动动我们所测量的流体的密度、速度和压力等物理量,正是大量分子宏观效应的结果因此,在在流流体体力力学学中中,取取流流体体微微团团来来代代替替流流体体的的分分子子作作为为研研究究流流体体的的基基元元所所谓谓流流体体微微团团是是指指一一块块体体积积为为无无穷穷小小的的微微量量流流体体由于流体微团的尺寸极其微小,故可作为流体质点来看待这样,流流体体就就可可以以看成是由无限多的连续分布的看成是由无限多的连续分布的流体质点流体质点所组成的连续介质所组成的连续介质1.6 连续介质模型流体质点具有下述四层含义1.流体质点宏观尺寸非常小流体质点宏观尺寸非常小2.流体质点微观尺寸足够大流体质点微观尺寸足够大3.流体质点是包含有足够多分子在内的一个物理实体,流体质点是包含有足够多分子在内的一个物理实体,因而在任因而在任何时刻都具有一定的宏观物理量如流体质点具有质量、密度、何时刻都具有一定的宏观物理量如流体质点具有质量、密度、温度、压强、流速、动量、动能、内能等。
温度、压强、流速、动量、动能、内能等4.流体质点形状可以任意划定,因而质点和质点之间可以完全没流体质点形状可以任意划定,因而质点和质点之间可以完全没有间隙流体质点流体质点(fluid particle)(fluid particle):又称:又称“流体微团流体微团”含有足够的分含有足够的分子,可作为连续介质基本单元的最小流体团子,可作为连续介质基本单元的最小流体团流体质点流体质点:流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体一个物理实体以密度为例当V很小,由于分子不规则运动,故其质量波动大当V逐渐向 ,流体密度。












