化工流體力學讀書筆記

1、學習隨筆化工流體力學第一章 流體運動規(guī)律的影響因素和研究方法1.1 流體的物理屬性（1）連續(xù)介質(zhì)假定 在流體力學中研究研究流體的運動規(guī)律時， 考察的是大量分子組成的流體質(zhì)點的宏 觀運動規(guī)律， 而不著眼于微觀分子的運動狀況， 因此可以采用連續(xù)介質(zhì)來代替流體的真 實結(jié)構(gòu)。但是，在高空或真空等稀疏氣體條件下，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不再成立。 在我們研究的鹽溶液運移造腔過程中可以采用連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。（2）密度、壓縮性 密度：由于溫度、壓力、組分的差異可引發(fā)密度差，從而導致自然對流。 靠近腔壁、 腔頂位置鹽溶液濃度高， 而中心位置濃度低， 在外部流體運動的帶動下 勢必造成濃度場的運移、變化。壓縮性： 其中壓力對液體

2、和低速氣體的影響較小， 可以近似的認為液體、 氣體是不 可壓縮的。而我們所要關(guān)注的主要問題是溫度變化和鹽溶液濃度變化對造腔過程的影響， 以及 形成的溫度場和濃度場隨時間和腔體建造過程的變化情況。瓦斯抽采過程中密度和壓縮性同液體。（3）黏性、牛頓流體? 黏性：流體受到剪切力作用時抵抗變形的能力稱為黏性， 即流體運移時抵抗運移變形 的內(nèi)摩擦力。一般情況下，流體的黏性可以忽略不計，像水、空氣等黏性很小，而 蜂蜜、甘油、樹脂等黏性較大?？疾爝\動流體時， 黏性是很重要的屬性， 既是傳遞動量的動力， 又是抵抗運動的因 素。? 黏度：剪切應(yīng)力和速度（或剪切速率）之比： yx ，類似虎克定律，表明了力和變形d

3、uxdy之間的關(guān)系。式中，黏度， Ns/m2或 Pas或泊， 1泊=10-1Ns/m2 yx相鄰層流之間的剪切應(yīng)力 dux 速度梯度，剪切變形速率（簡稱剪切速率） ，以 yx=-d 表示，即 dy dt 單位時間內(nèi)夾角的變化。運動黏度單位 m2/s? 黏度與溫度、壓力的關(guān)系：低密度氣體的黏度隨溫度上升而增大，公式見 P5式 1.1-5。 液體的黏度隨溫度上升而降低。ae bt ，其它公式見教材 P6式 1.1-6。壓力對流體的黏度的影響一般可以忽略不計，極高壓力除外。運動黏度 v / 單位 m2/s。在常溫、常壓下，水的黏度較空氣大 2 個數(shù)量級，但 運動黏度卻小 1 個數(shù)量級。流體黏度是各類

4、流體運動規(guī)律分析和計算中不可缺少的數(shù)據(jù)， 常見的流體黏度可以 通過手冊查找。? 牛頓流體：滿足剪切應(yīng)力 yx 與速度梯度（剪切速率） dux 成正比關(guān)系的流體均稱為牛頓流體。dy 我們研究的鹽溶液或瓦斯流體為牛頓流體。? 賓漢流體：是指當剪切應(yīng)力大到一定數(shù)量時流體的黏度規(guī)律同牛頓流體即：yxduxdy這類流體主要有泥漿、污水、顆粒懸浮液等。（4）導熱性、導熱率流體中存在溫度差，就會有熱量傳遞，表示流體導熱能力的物理性質(zhì)就是導熱率。k ddTy ，dy單位面積、單位時間所傳導的熱量稱為導熱通量或熱流強度： 中負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反， 該方程稱為傅立葉熱導定律， 即熱通與溫度 梯度呈線

5、性關(guān)系， k 為熱導率， kdy氣體的熱導率隨溫度升高而增大， 大部分液體（水和甘油除外） 的熱導率隨溫度的 升高而降低。 液體中水的熱導最高。 壓力對熱導率的影響不大。 我們的研究適當考慮熱 導率在不同層位之間的影響。k，cc 為比熱容，為密度，則為導溫系數(shù)或熱擴散系數(shù)，單位m2/s； cTd( cT )dy為單位體積的能力。（5）擴散性，擴散系數(shù)混合流體，只要存在濃度差，就會產(chǎn)生擴散。費克定律：由 A、B兩組分組成的混合物， A 組分的擴散率，即單位時間經(jīng)單位面 積擴散的 A物質(zhì)量 JA，與擴散方向上的濃度梯度 dCA成正比， JA DABdCA ，負號表 dy dy示擴散是沿著濃度降低的

6、方向進行的。 DAB 為擴散系數(shù)： D ABJA ，表明在單位濃dCAdy度梯度下， A 組分在 B 組分中擴散的能力，其隨物系變化而變化，隨溫度、壓力、組 分而變化。單位 m2/s。流體的擴散系數(shù)， 是我們研究的主要問題之一， 其直接影響了我們最終腔體建造數(shù) 學模型的建立。同時對于瓦斯抽采、置換方面的研究也是關(guān)鍵問題。（6）表面張力cos 表面張力涉及到毛細現(xiàn)象， 一般情況下水的毛細現(xiàn)象表達如下： H 0 2（ ）cos ， g水的表面張力 0.0731N/m，水的密度 1000kg/m3,固液接觸面夾角 50，細管半 徑。1.2 流動空間的幾何特征，流動問題腔體形狀決定了流體場的運動特性流

7、型、 速度分布、 壓力分布、 流體與固體表 面之間的作用力等。? 流體運動問題分類：外部問題（繞流）、內(nèi)部問題（1） 內(nèi)部問題、外部問題的基本差別在于邊界條件的給出： 外部問題， 給出遠離邊界 處以及固體邊界上的速度等； 內(nèi)部問題，給出中心線以及固體邊界或進出口處的 條件。（ 2） 內(nèi)部問題限定于一定邊界范圍以內(nèi)， 通常流量是常數(shù)而且已知 （指流動與時間無 關(guān)的定常情況），通常計算平均速度和平均溫度。外部問題，流量一般不指定或未知， 通常計算采用來流速度和來流溫度。（ 3） 由于流體有黏性， 因為固體邊界的存在， 將使流體的運動受到阻滯， 所以在管流 時，固體邊界對于整個運動流體將有顯著影響，

8、 阻滯作用遍及整個流動空間。 而 在繞流中， 固壁的阻滯作用局限在固體壁附近的某一流體薄層內(nèi)， 而在沿著物體 流動的下游，其影響將加寬。1.3 引發(fā)流體運動的方式、工藝過程的操作條件1.3.1 流體運動的發(fā)生分類（1）壓力流、泊謖流：用流體機械，風機或泵，對流體施加一定的壓力，使流體在壓 力差的作用下運動。（2）拖拽流、庫特流：通過邊界運動或流體中物體的運動以推動流體運動。（ 3）自然對流：由于溫度、濃度等不同引起的流體運動。 壓力流和自然對流對腔體建造影響較大，同時可以考慮采用拖動方式增加流體能量。1.3.2 流體運動的狀態(tài)（ 1）層流:層流時，管道內(nèi)各個質(zhì)點流動狀態(tài)確定，軌跡明顯，較易研究

9、其質(zhì)點的運動 特性。（ 2）湍流（紊流）：管道內(nèi)的質(zhì)點處于脈動狀態(tài)，其徑向脈動合速度為零。1.3.3 流動狀態(tài)的判別雷諾數(shù)管道內(nèi)的流體流動狀態(tài)由四個物理參數(shù)確定：（1）平均流速（ 2）管道直徑 d（3）流體密度（ 4）流體黏度 雷諾數(shù)是判斷流體狀態(tài)的無量綱參數(shù)，通過它可以換算出不同管道下的臨界速度等參 數(shù)。在工程上，圓管中流體流動時的臨界 （Re）cr=2100.Re Ud Ud 運動黏度雷諾數(shù)的高低對于流體模型的建立具有指導意義， 其主要作用力將有本質(zhì)變化。 而 我們研究的腔體建造基本是高雷諾數(shù)下的大尺寸、 低黏度、 較高速度的運動， 其邊界層 流是研究的重點。1.4 研究流體運動規(guī)律的基本

10、途徑1.4.1 理論解析法步驟：（1）通過實驗、觀察，分析流體的物理特性及運動特性，建立合理的模型； （2）運用牛頓運動定理、質(zhì)量守恒定理、能量守恒定律、動量定理等建立流體運動方 程，確定初始條件和邊界條件； （3）根據(jù)實際需要簡化方程、求解； （4）檢驗結(jié)果，確 定適用范圍。目前，數(shù)學的發(fā)展水平限制了理論解析法的應(yīng)用。1.4.2 實驗觀測法測試技術(shù)有激光測速（ LDA ）、粒子圖像測速（ PIV）示蹤法：（ 1）示蹤劑：壁面顯示法涂膜法， 在壁面涂涂料或油及顏料的混合物， 當流體流經(jīng)壁面時形成條紋；線簇法，在壁面上粘柔細線簇，指示流體流向、劇烈程度 等。（2）直接注入法。（3）化學反應(yīng)法，在

11、水中置一導線作陰極，通以直流電，將產(chǎn)生 的氣泡（氫氣）作為示蹤劑。1.4.3 數(shù)值計算法計算流體力學（ CFD）第二章 流體運動學、理想流體運動2.1 流體運動的表示方法（1） 拉格朗日法：同剛體力學方法相似； （2）歐拉法：同表示電磁場的方法相似。2.1.1 拉格朗日法這種方法著眼于個別質(zhì)點的運動。 這種跟蹤質(zhì)點的方法， 對分析流體運動是比較復 雜的。形成 軌線。在實際工程中，要了解的是流體通過空間各點時有關(guān)物理的變化，通 常采用歐拉法。2.1.2 歐拉法（1）基本方法：考察速度以及其它物理量（壓力、密度、速度）等在流體運動的全部空間內(nèi)的分布（流場） ，以及隨時間的變化。速度方程如下：ux

12、F1（x,y,z,t）uy F2（x,y,z,t）（1）uz F3（x,y,z,t）同樣壓力可以表達為 p p（x,y,z,t）流線 的微分方程 dx dyux uydz ，解微分方程可得 F1(x,y,x,z,t,c1,c2) 0式中 c1、c2是兩uzF2(x,y,x,z,t,c1,c2) 0個積分常數(shù)，時間 t 為參數(shù)。當給定 c 值，并指定 t 時，可得到指定時刻的流線簇。流 線希速度小，切線方向為速度方向。2.1.3 隨體導數(shù)axDuxuxx uxuxx uyuxxuzuxDtxyztDuyuyuyuyuyayDtuxuyuztxyz流場中質(zhì)點加速度表達式：質(zhì)點加速度用 Du 表示，表明了追隨流體質(zhì)點所進行的導數(shù)計算，稱為隨體導數(shù)。共有 Dt兩部分組成， 前一部分表示位置變化， 稱為變位導數(shù)或?qū)α鲗?shù)； 后一部分是位置不變， 因時間變化所引起的，稱為當?shù)貙?shù)或局部導數(shù)。2.1.4 定常流與非定常流