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《化工流体力学》
第一章流体运动规律的影响因素和研究方法
流体的物理属性
(1)连续介质假定
在流体力学中研究研究流体的运动规律时,考察的是大量分子组成的流体质点的宏观运动规律,而不着眼于微观分子的运动状况,因此可以采用连续介质来代替流体的真实结构。
但是,在高空或真空等稀疏气体条件下,连续介质假设不再成立。
在我们研究的盐溶液运移造腔过程中可以采用连续介质假设。
(2)密度、压缩性
密度:由于温度、压力、组分的差异可引发密度差,从而导致自然对流。
靠近腔壁、腔顶位置盐溶液浓度高,而中心位置浓度低,在外部流体运动的带动下势必造成浓度场的运移、变化。
压缩性:其中压力对液体和低速气体的影响较小,可以近似的认为液体、气体是不可压缩的。
而我们所要关注的主要问题是温度变化和盐溶液浓度变化对造腔过程的影响,以及形成的温度场和浓度场随时间和腔体建造过程的变化情况。
瓦斯抽采过程中密度和压缩性同液体。
(3)黏性、牛顿流体
/黏性:
流体受到剪切力作用时抵抗变形的能力称为黏性,即流体运移时抵抗运移变形的内摩擦力。一般情况下,流体的黏性可以忽略不计,像水、空气等黏性很小,而蜂蜜、甘油、树脂等黏性较大。
考察运动流体时,黏性是很重要的属性,既是传递动量的动力,又是抵抗运动的因素。
/黏度:
T
剪切应力和速度(或剪切速率)之比:卩=十,类似虎克定律,表明了力和变形
du
x
dy
之间的关系。
式中,M
黏度,N・s/m2或Pa•s或泊,1泊=10"N・s/m2
相邻层流之间的剪切应力
T
yx
dux——速度梯度,剪切变形速率(简称剪切速率),以Y:
dyyx
色表示,即单
dt
位时间内夹角的变化。
运动黏度v=
单位m2/s
/黏度与温度、压力的关系:
低密度气体的黏度随温度上升而增大,-5。
液体的黏度随温度上升而降低。r=ae-bt,-6。
压力对流体的黏度的影响一般可以忽略不计,极高压力除外。
运动黏度v=r/P单位m2/s。在常温、常压下,水的黏度较空气大2个数量级,但运动黏度却小1个数量级。
流体黏度是各类流体运动规律分析和计算中不可缺少的数据,常见的流体黏度可以通过手册查找。
/牛顿流体:
满足剪切应力T
yx与速度梯度(剪切速率)
du
成正比关系的流体均称为牛顿流体。
我们研究的盐溶液或瓦斯流体为牛顿流体。
/宾汉流体:
是指当剪切应力大到一定数量时流体的黏度规律同牛顿流体即:
T
yx
r0
du
这类流体主要有泥浆、污水、颗粒悬浮液等。
(4)导热性、导热率
流体中存在温度差,就会有热量传递,表示流体导热能力的物理性质就是导热率。
单位面积、单位时间所传导的热量称为导热通量或热流强度:q二|-哙,式
中负号表示热流方向与温度梯度方向相反,该方程称为傅立叶热导定律,即热通与温度梯度呈线性关系,k为热导率,k--
dT
dy
气体的热导率随温度升高而增大,大部分液体(水和甘油除外)的热导率随温度的升高而降低。液体中水的热导最高。压力对热导率的影响不大。我们的研究适当考虑热导率在不同层位之间的影响。
q——a
d(pcT)
dy
k
a—一,c为比热容,p为密度,贝临为导温系数或热扩散系数,单位m2/s;pcTpc
为单位体积的能力。
(5)扩散性,扩散系数
混合流体,只要存在浓度差,就会产生扩散。
dC
卅成正比,J——DdCA,负号表dyAABdy
费克定律:由A、B两组分组成的混合物,A组分的扩散率,即单位时间经单位面
dC积扩散的A物质量JA,与扩散方向上的浓度梯度
示扩散是沿着浓度降低的方向进行的。Dab为扩散系数:Dab,表明在单位浓
—A
dy
度梯度下,A组分在B组分中扩散的能力,其随物系变化而变化,随温度、压力、组分而变化。单位m2/s。
流体的扩散系数,是我们研究的主要问题之一,其直接影响了我们最终腔体建造数
学模型的建立。同时对于瓦斯抽采、置换方面的研究也是关键问题。
(6)表面张力
表面张力涉及到毛细现象,一般情况下水的毛细现象表达如下:H—2(2)泌,
0pga
,p水的密度1000kg/m3,8固液接触面夹角50°,a细管半径。
,流动问题
腔体形状决定了流体场的运动特性——流型、速度分布、压力分布、流体与固体表面之间的作用力等。
流体运动问题分类:
外部问题(绕流)、内部问题
(1)内部问题、外部问题的基本差别在于边界条件的给出:外部问题,给出远离边界处以及固体边界上的速度等;内部问题,给出中心线以及固体边界或进出口处的条件。
(2)内部问题限定于一定边界范围以内,通常流量是常数而且已知(指流动与时间无关的定常情况),通常计算平均速度和平均温度。外部问题,流量一般不指定或未知,通常计算采用来流速度和来流温度。
(3)由于流体有黏性,因为固体边界的存在,将使流体的运动受到阻滞,所以在管流时,固体边界对于整个运动流体将有显著影响,阻滞作用遍及整个流动空间。而在绕流中,固壁的阻滞作用局限在固体壁附近的某一流体薄层内,而在沿着物体流动的下游,其影响将加宽。
、工艺过程的操作条件
流体运动的发生分类
(1)压力流、泊谡流:用流体机械,风机或泵,对流体施加一定的压力,使流体在压力差的作用下运动。
(2)拖拽流、库特流:通过边界运动或流体中物体的运动以推动流体运动。
(3)自然对流:由于温度、浓度等不同引起的流体运动。
压力流和自然对流对腔体建造影响较大,同时可以考虑采用拖动方式增加流体能量。
流体运动的状态
(1)层流:层流时,管道内各个质点流动状态确定,轨迹明显,较易研究其质点的运动特性。
(2)湍流(紊流):管道内的质点处于脉动状态,其径向脉动合速度为零。
流动状态的判别——雷诺数
管道内的流体流动状态由四个物理参数确定:
(1)平均流速(2)管道直径d(3)流体密度p(4)流体黏度》雷诺数是判断流体状态的无量纲参数,通过它可以换算出不同管道下的临界速度等参数。在工程上,圆管中流体流动时的临界(Re)cr=2100.
Re=Ud^=Udu――运动黏度
卩v
雷诺数的高低对于流体模型的建立具有指导意义,其主要作用力将有本质变化。而我们研究的腔体建造基本是高雷诺数下的大尺寸、低黏度、较高速度的运动,其边界层流是研究的重点。

理论解析法
步骤:(1)通过实验、观察,分析流体的物理特性及运动特性,建立合理的模型;(2)运用牛顿运动定理、质量守恒定理、能量守恒定律、动量定理等建立流体运动方程,确定初始条件和边界条件;(3)根据实际需要简化方程、求解;(4)检验结果,确定适用范围。
目前,数学的发展水平限制了理论解析法的应用。
实验观测法
测试技术有激光测速(LDA)、粒子图像测速(PIV)
示踪法:(1)示踪剂:壁面显示法一一涂膜法,在壁面涂涂料或油及颜料的混合物,当流体流经壁面时形成条纹;线簇法,在壁面上粘柔细线簇,指示流体流向、剧烈程度等。(2)直接注入法。(3)化学反应法,在水中置一导线作阴极,通以直流电,将产生的气泡(氢气)作为示踪剂。
数值计算法
计算流体力学(CFD)
第二章流体运动学、理想流体运动
流体运动的表示方法(1)拉格朗日法:同刚体力学方法相似;(2)欧拉法:同表示电磁场的方法相似。
这种方法着眼于个别质点的运动。这种跟踪质点的方法,对分析流体运动是比较复杂的。形成轨线。在实际工程中,要了解的是流体通过空间各点时有关物理的变化,通常采用欧拉法。
欧拉法
(1)基本方法:考察速度以及其它物理量(压力、密度、速度)等在流体运动的全部空间内的分布(流场),以及随时间的变化。速度方程如下:
r
u=F(x,y,z,t)
x1
<u=F(x,y,z,t)(1)
y2
u=F(x,y,z,t)
z3
同样压力可以表达为p=p(x,y,z,t)
流线的微分方程dx二dy二d,解微分方程可得[少y,x,z,-*C2)=0式中%c2是两uuuIF(x,y,x,z,t,c,c)=01
xyz212
个积分常数,时间t为参数。当给定c值,并指定t时,可得到指定时刻的流线簇。流线希速度小,切线方向为速度方向。
随体导数
Du
a―x
xDt
dudududu
=xu+十u+xu+-
dxxdyydzzdt
流场中质点加速度表达式:
Du
<a=y
yDt
dudududu
=yu+yu+yu+y
dxxdyydzzdt
质点加速度用女表示,表明了追随流体质点所进行的导数计算,称为随体导数。共有
Dt
两部分组成,前一部分表示位置变化,称为变位导数或对流导数;后一部分是位置不变,
因时间变化所引起的,称为当地导数或局部导数。
定常流与非定常流
相对运动原理在流体运动研究中一样适用。可以将非定常流转换为定常流问题研究。(P29)
一维运动流线表示某一时刻流体的运动状态;轨线表示某一质点随时间推移形成的曲线。
变形的运动——流体微团运动分析
考察整个流场的特性时,不可回避的时流体基本运动特征在流场内的变化情况,如速度梯度、压力梯度、密度梯度等,从而考察相邻流体之间的作用力。将其分成平移、旋转、应变等方面研究。
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