1、第一篇 動量傳輸Part 、 Momentum Transfer冶金工程學院*2第一篇 動量傳輸動量、熱量、質量傳輸一般同時存在;動量傳輸是最基本的傳輸過程;動量傳輸是自然界和工程技術中普遍存在的現象.如大氣的流動、河流中水的流動、煙囪的煙氣流動等；在材料加工和冶金過程中，鋼液的流動、氣泡的上浮；煉鐵高爐內氣-固兩相流動、煉鋼轉爐內氣液兩相流動。第一篇 動量傳輸*3傳輸動量傳輸黏性流體在進行對流動量傳輸過程中，同時存在著物性動量傳輸過程。注意第一篇 動量傳輸*4動量傳輸就是研究流體在外界的作用下運動規律的一門學科，也就是流體力學。研究對象：流體流動條件下的動量傳遞過程，其實質是流體流動過程中力

2、、能平衡問題。研究方法：移植自“流體力學”，即將流體視為連續介質，取流體的質點或微團為最小的解析對象。本篇就是要研究各種條件下，流動物體中的動量分布情況、動量的傳輸規律、流動物體的流速隨空間和時間的變化規律。Chapter 1 動量傳輸的基本概念Chapter 2 動量傳輸的基本方程Chapter 3 管流及其能量損失Chapter 4 冶金中的動量傳輸第一篇 動量傳輸*第1章 動量傳輸的基本概念5主要內容第1章 動量傳輸的基本概念*第1章 動量傳輸的基本概念6Chapter 1 The basic concept of momentum transfer 流體及連續介質模型 流體的密度、重度

3、及比體積 流體的壓縮性和膨脹性 牛頓黏性定律Newton viscosity theorem 流體模型 流體上的作用力、能量、動量主要內容流體Fluid流體：在任何剪切應力的作用下會發生連續的變形的物質。即自然界中沒有固定形狀、易于流動的物質，是液體和氣體的總稱。1.1 流體及連續介質模型*第1章 動量傳輸的基本概念71.1 流體及連續介質模型*第1章 動量傳輸的基本概念8基本特性流動性（剪切力作用下連續變形）壓縮性（膨脹性）黏性（阻滯流動的性質）連續性1.1 流體及連續介質模型*第1章 動量傳輸的基本概念9連續介質模型Continuous medium hypothesis流體的分散性流體分

4、子有效直徑分子間的間距，如常溫常壓的空氣：1.1 流體及連續介質模型*第1章 動量傳輸的基本概念10連續介質 研究宏觀運動；宏觀力學性質（P、）是統計平均數值；分子頻繁碰撞。不考慮分子之間的間隙，把流體視為無數連續分布的流體質點組成的連續介質。連續介質模型的意義：用數學方法來描述和研究流體流動的規律。注意高真空狀態下，不能將流體視為連續介質。1.2 流體的密度、重度及比體積*第1章 動量傳輸的基本概念11密度density流體單位體積內所具有的質量稱為密度。（均質流體）重度流體單位體積內所具有的重量稱為重度。 N/m3比體積單位質量流體內所具有的體積稱為質量體積。kg/m3 m3/kg1.2

5、流體的密度、重度及比體積*第1章 動量傳輸的基本概念12注意密度與重度之間的換算；標準狀態下常用介質的密度：空氣=1.293kg/m3;水 =1000kg/m3;水銀=13600kg/m3;比重：物體的重量和同體積的純水在4時的重量之比;混合流體的重度各混合流體各成分的百分數。1.3 流體的壓縮性和膨脹性*第1章 動量傳輸的基本概念13概念壓縮性：流體所承受的壓力增大時，流體體積縮小的性質稱為壓縮性。壓縮系數：表示溫度不變時，單位壓力變化所引起的液體體積相對變化量，即： 膨脹性：流體溫度升高時，流體體積增大的性質稱為膨脹性。膨脹系數：表示壓力不變時，單位溫度變化所引起的液體體積相對變化量，即：

6、 1.3 流體的壓縮性和膨脹性*第1章 動量傳輸的基本概念14液體的壓縮性及膨脹性液體分子距離較近，壓縮時，排斥力增大，難以壓縮；T，略有膨脹，膨脹系數0色線變得彎曲起來（紅線），可以看到無論來流的速度是多少，這條色線總是粘附在固體壁面上。 這種邊界叫無滑移邊界（條件）Vfxy=0= 無滑移邊界條件實驗A實驗二：兩塊無限大的平板之間充滿了流體，兩板間距為y，開始時流體處于停止狀態，t=0時給上平板一個拉力F，使其以恒定速度v沿x方向運動，隨著時間的延，流體會獲得一定的動能，并最終建立一個穩定的速度分布。yV(y)FyFV(y)粘性H A 叫無限大平板1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動

7、量傳輸的基本概念171.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念18庫侖實驗(1784)庫侖用液體內懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內摩擦。 1流體的黏性及黏性力黏性：阻滯流動的性質。產生原因：流體分子間的內聚引力和分子的熱運動。流體流層間產生切應力的現象流體的黏性；切應力黏性力。1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念192牛頓黏性定律流體的黏性力F與速度v0成正比，與兩平板間距離H成反比，與接觸面積A成正比。 穩定狀態： 任意兩流層: N 1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念20單位面積上的黏性力（切應力）N/m2 思考柱坐標系下的F

8、表達式？ N 1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念213黏性系數動力黏性系數，動力黏度。 單位: 物理意義：時，單位面積上的黏性力，流體阻滯流動的能力， ，阻滯作用。 影響因素：流體種類溫度1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念22液體：分子間內聚力為主。溫度，間隙，內聚力，。氣體：分子熱運動。溫度，熱運動加劇，。 Pas 單一氣體空 氣1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念231.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念24運動黏度 m2/s煙氣（CO2、H2O、N2、O2）混合氣體1.4 流體的黏性及牛頓黏

9、性定律*第1章 動量傳輸的基本概念25恩氏粘度恩氏粘度值是被測液體與水的粘度的比較值。其測定方法是：將200ml的待測液體裝入恩氏粘度計中，測定它在某一溫度下通過底部直徑2.8mm標準小孔口流盡所需的時間t1，再將200ml的蒸餾水加入同一恩氏粘度計中，在20溫度下，測出其流盡所需時間t2，時間t1與t2比值就是該液體在該溫度下的恩氏粘度，即 運動黏度、恩式粘度換算m2/s4黏性動量傳輸及黏性動量通量流體黏性作用 流體流層間出現速度差 分子熱運動、分子內聚力 流體流層間產生動量交換 流層間產生切應力（黏性力） 1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念26動量通量：單位時間通

10、過單位面積所傳遞的動量，相當于單位面積上的作用力。黏性動量通量：單位時間通過單位面積所傳遞的黏性動量，亦即單位面積上的黏性力（切應力）。Pa yx高速流層向低速流層傳遞； 低速向高速為正； 動量梯度（單位距離上的動量變化量)。1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念27思考1、黏性動量與黏性力的不同之處？2、粘性通量、對流通量的差異。 黏性動量：高速流層向低速流層(y)。黏性力：流體流向(x) 。快速流層與流向相反；慢速流 層，與流向相同。 動量通量1.4 流體的黏性及牛頓黏性定律*第1章 動量傳輸的基本概念281.5 流體模型*第1章 動量傳輸的基本概念29非牛頓流體流變

11、學不符合牛頓黏性定律的流體；例如：乳液、沙漿、礦漿、水煤漿、石灰等。牛頓流體及非牛頓流體牛頓流體流體力學符合牛頓黏性定律的流體；如氣體、水及油類等。1.5 流體模型*第1章 動量傳輸的基本概念30 塑性流體 如：牙膏，泥漿，沙漿，礦漿等 漲塑性流體 如：漿糊偽塑性流體 如：油漆，紙漿，高分子溶液等n1n11.5 流體模型*第1章 動量傳輸的基本概念31我們以后所討論的流體均為牛頓流體。思考橫坐標、縱坐標分別表示什么？注意1.5 流體模型*第1章 動量傳輸的基本概念32理想流體（ = 0）及黏性流體（ 0）壓縮流體（d0）和不可壓縮流體（d=0）連續流體和非連續流體1.6 流體上的作用力、能量、

12、動量*第1章 動量傳輸的基本概念33表面應力Pn: 總表面力F： 作用力表面力Surface force作用在流體表面上，且與表面積成比例的力。1.6 流體上的作用力、能量、動量*第1章 動量傳輸的基本概念34質量力/體積力Mass force/Body force作用在流體內部質點上，與流體質量成比例的力.單位質量力f:總質量力F：單位體積力=f質量力：重力(mg)、慣性力(ma、m2r)、電磁力等。1.6 流體上的作用力、能量、動量*第1章 動量傳輸的基本概念35能量作用力動量能量、動量1.6 流體上的作用力、能量、動量*第1章 動量傳輸的基本概念36結論1、動量/A = 作用力/A =

13、能量/V2、 作用力、能量、動量是同類物理量的不同表現形式。相互平衡、傳遞及轉換，流體的動量傳輸也就是力、能的平衡與轉換過程。1.6 流體上的作用力、能量、動量*第1章 動量傳輸的基本概念37kW例題1-1 一滑動軸承，軸與軸承的間隙=0.1cm，軸的轉速n=2980r/min，軸的直徑D=15cm，軸承寬度b=25cm。求軸承所消耗的功率。潤滑油的粘度為=0.245Pa/s。解：軸表面的圓周速度：軸承間隙里流速呈線性分布，速度梯度 ：內摩擦力： F=0.2453.140.150.2523400 =675N滑動軸承所消耗的功率：1.6 流體上的作用力、能量、動量*第1章 動量傳輸的基本概念38例題1-2 一沿著涂有潤滑油的傾角為30的斜面等速向下運動的木板，其底面積為100100 cm，其質量為10 Kg，速度為2 m/s，平板與油斜面的距離為=1 mm，油的密度為800Kg/m3。求潤滑油的動力粘度和運動粘度。解：1.6 流體上的作用力、能量、動量*第1章 動量傳輸的基本概念39例題1-3 、一流體密度1000kg/m2,粘度0.007cm2/s,在平板