1、Part、Momentum Transfer冶金工程学院冶金工程学院17:49:392l动量、热量、质量传输动量、热量、质量传输一般一般同时存在同时存在;l动量传输是最基本的传输过程动量传输是最基本的传输过程;l动量传输是自然界和工程技术中普遍存在的现象动量传输是自然界和工程技术中普遍存在的现象.如大气的流动、河流中水的流动、烟囱的烟气流动等；在材料加工和冶金过程中，钢液的流动、气泡的上浮；炼铁高炉内气-固两相流动、炼钢转炉内气液两相流动。17:49:403。物性和流体的流动特性观运动所产生，取决于对流传输：由物体的宏散系数例如分子扩散取决于扩物性。传输特性构成，取决于物性传输：由物体本身)(
2、传输速度。决于流体的密度和流动的宏观运动所产生，取对流动量传输：由流体亦称粘性动量传输取决于流体的粘性而产生运动所产生的粘性作用微观分子物性动量传输：由流体。，）（动量传输黏性流体在进行对流动量传输过程中，同时存在着物性动量传输过程。注意17:49:404l动量传输就是研究流体在外界的作用下运动规律的一门学科，也就是流体力学。l研究对象：流体流动条件下的动量传递过程，其实质是流体流动过程中力、能平衡问题。l研究方法：移植自“流体力学”，即将流体视为连续介质，取流体的质点或微团为最小的解析对象。l本篇就是要研究各种条件下，流动物体中的动量分布情况、动量的传输规律、流动物体的流速随空间和时间的变化
3、规律。lChapter 1 动量传输的基本概念动量传输的基本概念lChapter 2 动量传输的基本方程动量传输的基本方程lChapter 3 管流及其能量损失管流及其能量损失lChapter 4 冶金中的动量传输冶金中的动量传输17:49:40第1章 动量传输的基本概念5主主要要内内容容第第1章章 动量传输的基本概念动量传输的基本概念17:49:41第第1章章 动量传输的基本概念动量传输的基本概念6Chapter 1 The basic concept of momentum transferl 流体及连续介质模型流体及连续介质模型l 流体的密度、重度及比体积流体的密度、重度及比体积l 流体
4、的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性l 牛顿黏性定律牛顿黏性定律Newton viscosity theoreml 流体模型流体模型l 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量主主要要内内容容l流体流体Fluid流体流体：在任何剪切应力的作用下会发生连续的变形的物质。即自然界中没有固定形状、易于流动的物质，是液体和气体的总称。1.1 1.1 流流体及连续介质模型体及连续介质模型17:49:41第1章 动量传输的基本概念71.1 1.1 流流体及连续介质模型体及连续介质模型17:49:41第1章 动量传输的基本概念8基本特性基本特性流动性（剪切力作用下连续变形）压缩性（膨胀性）黏性（
5、阻滞流动的性质）连续性1.1 1.1 流流体及连续介质模型体及连续介质模型17:49:41第1章 动量传输的基本概念9l连续介质模型连续介质模型Continuous medium hypothesis流体的分散性流体的分散性流体分子有效直径分子间的间距，如常温常压的空气：mmd910103,101.1 1.1 流流体及连续介质模型体及连续介质模型17:49:41第1章 动量传输的基本概念10连续介质连续介质 研究宏观运动；宏观力学性质（P、）是统计平均数值；分子频繁碰撞。不考虑分子之间的间隙，把流体视为无数连续分布的流体质点组成的连续介质。连续介质模型的意义：用数学方法来描述和研究流体流动的规
6、律。注意高真空状态下，不能将流体视为连续介质。1.2 1.2 流体的密度、重度及比体积流体的密度、重度及比体积17:49:42第1章 动量传输的基本概念11Vm ddVmgVmgVG1vl密度密度density流体单位体积内所具有的质量称为密度。（均质流体）l重度重度流体单位体积内所具有的重量称为重度。N/m3l比体积比体积单位质量流体内所具有的体积称为质量体积。kg/m3 m3/kg1.2 1.2 流体的密度、重度及比体积流体的密度、重度及比体积17:49:42第1章 动量传输的基本概念12注意注意密度与重度之间的换算密度与重度之间的换算；标准状态下常用介质的密度标准状态下常用介质的密度：空
7、气=1.293kg/m3;水 =1000kg/m3;水银=13600kg/m3;比重比重：物体的重量和同体积的纯水在4时的重量之比;混合流体的重度混合流体的重度)(01.02211nn各混合流体各成分的百分数。1.3 1.3 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性17:49:42第1章 动量传输的基本概念13l概念概念压缩性：流体所承受的压力增大时，流体体积缩小的性质称为压缩性。压缩系数：表示温度不变时，单位压力变化所引起的液体体积相对变化量，即：VdVdp1膨胀性：流体温度升高时，流体体积增大的性质称为膨胀性。膨胀系数：表示压力不变时，单位温度变化所引起的液体体积相对变化量，即：VdVdT
8、11.3 1.3 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性17:49:42第1章 动量传输的基本概念14l液体的压缩性及膨胀性液体的压缩性及膨胀性液体分子距离较近，压缩时，排斥力增大，难以压缩；T，略有膨胀，膨胀系数0色线变得弯曲起来（红线），可以看到无论来流的速度是多少，这条色线总是粘附在固体壁面上。这种边界叫无滑移边界（条件）Vfxy=0=无滑移边界条件实验无滑移边界条件实验A实验二：实验二：两块无限大的平板之间充满了流体，两板间距为y，开始时流体处于停止状态，t=0时给上平板一个拉力F，使其以恒定速度v沿x方向运动，随着时间的延，流体会获得一定的动能，并最终建立一个稳定的速度分布。vV(
9、y)vV(y)粘性粘性H H A A 叫无限大平板叫无限大平板1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:43第1章 动量传输的基本概念171.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:43第1章 动量传输的基本概念18库仑实验库仑实验(1784)(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。1流体的黏性及黏性力黏性：阻滞流动的性质。产生原因：产生原因：流体分子间的内聚引力和分子的热运动。流体流层间产生切应力的现象流体的黏性；切应力黏性力。1.4 1.4 流体的黏性及牛顿
10、黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:43第1章 动量传输的基本概念192牛顿黏性定律流体的黏性力F与速度v0成正比，与两平板间距离H成反比，与接触面积A成正比。稳定状态：AHvF0任意两流层:AddAddyvFyvFxxN 1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:43第1章 动量传输的基本概念20单位面积上的黏性力（切应力）xyyvAFxxyddN/m2 思考柱坐标系下的F表达式？LrvFxdddN 1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:43第1章 动量传输的基本概念213黏性系数l动力黏性系数，动力黏度。单位:
11、)smkg(sPamsNm)s/m(mNdd22yvxxy 物理意义：1ddyvx时，单位面积上的黏性力，流体阻滞流动的能力，阻滞作用。影响因素：u流体种类u温度1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的基本概念22液体：液体：分子间内聚力为主。温度，间隙，内聚力，。气体：气体：分子热运动。温度，热运动加剧，。230273273TCTC Pas 单一气体273122127312210TT空 气1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的基本概念231.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定
12、律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的基本概念24l运动黏度 m2/siiiiiii21iii21iiMMMM烟气（CO2、H2O、N2、O2）混合气体1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的基本概念25l恩氏粘度恩氏粘度值是被测液体与水的粘度的比较值。其测定方法是：将200ml的待测液体装入恩氏粘度计中，测定它在某一温度下通过底部直径2.8mm标准小孔口流尽所需的时间t1，再将200ml的蒸馏水加入同一恩氏粘度计中，在20温度下，测出其流尽所需时间t2，时间t1与t2比值就是该液体在该温度下的恩氏粘度，即 21t
13、tE l运动黏度、恩式粘度换算601031.613.70EEm2/s4黏性动量传输及黏性动量通量流体黏性作用 流体流层间出现速度差 分子热运动、分子内聚力 流体流层间产生动量交换 流层间产生切应力（黏性力）1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的基本概念26动量通量：动量通量：单位时间通过单位面积所传递的动量，相当于单位面积上的作用力。黏性动量通量：黏性动量通量：单位时间通过单位面积所传递的黏性动量，亦即单位面积上的黏性力（切应力）。yvyvyvxxxxyd)(dd)(dddPa yx高速流层向低速流层传递；yvxdd低速向高速为正；y
14、vxd)(d动量梯度（单位距离上的动量变化量)。1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的基本概念27思考1、黏性动量与黏性力的不同之处？2、粘性通量、对流通量的差异。黏性动量：高速流层向低速流层(y)。黏性力：流体流向(x)。快速流层与流向相反；慢速流 层，与流向相同。Payd)(dddvvAvAvAvmvyv，xxxy的对流动量，即间通过单位面积所传递对流动量通量：单位时即的粘性动量间通过单位面积所传递粘性动量通量：单位时动量通量动量通量1.4 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律流体的黏性及牛顿黏性定律17:49:44第1章 动量传输的
15、基本概念281.5 1.5 流体模型流体模型17:49:44第1章 动量传输的基本概念2900ddddxyxxxyyvyv，呈线性关系与非牛顿流体非牛顿流体流变学不符合牛顿黏性定律的流体；例如：乳液、沙浆、矿浆、水煤浆、石灰等。l牛顿流体及非牛顿流体牛顿流体及非牛顿流体牛顿流体牛顿流体流体力学符合牛顿黏性定律的流体；如气体、水及油类等。1.5 1.5 流体模型流体模型17:49:44第1章 动量传输的基本概念30 塑性流体 如：牙膏，泥浆，沙浆，矿浆等 涨塑性流体 如：浆糊伪塑性流体 如：油漆，纸浆，高分子溶液等dydv0ndydv)(ndydv)(n1n11.5 1.5 流体模型流体模型17
16、:49:44第1章 动量传输的基本概念31我们以后所讨论的流体均为牛顿流体。思考横坐标、纵坐标分别表示什么？注意1.5 1.5 流体模型流体模型17:49:45第1章 动量传输的基本概念32l理想流体（=0）及黏性流体（0）l压缩流体（d0）和不可压缩流体（d=0）l连续流体和非连续流体1.6 1.6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量17:49:45第1章 动量传输的基本概念33。）dyd。，；）。（，、）在和有速度差的流层间存运动流体与固体的界面作用方向与表面平行，粘性力切应力内力还可传向各方在各方向均等流体中任意点上的压力，指向作用面作用方向与作用面垂直特征产生于流体分
17、子运动静压力静止流体运动压强压力外力表面力:A/(:PA/(SPPnn limdSPFsn表面应力Pn:总表面力F：l作用力作用力表面力表面力Surface force作用在流体表面上，且与表面积成比例的力。1.6 1.6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量17:49:45第1章 动量传输的基本概念34ZYXtzyxfVFf),(limdVtzyxfFV),(质量力质量力/体积力体积力Mass force/Body force作用在流体内部质点上，与流体质量成比例的力.单位质量力f:总质量力F：单位体积力=f质量力：重力(mg)、惯性力(ma、m2r)、电磁力等。1.6 1.
18、6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量17:49:45第1章 动量传输的基本概念35PVmv21mgh32静压能：动能：位能：PammNVmNAPmamg总压力：惯性力：重力：PamNAN2能量作用力动量AsNmvPasmsN2l能量、动量能量、动量1.6 1.6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量17:49:45第1章 动量传输的基本概念36结论1、动量/A=作用力/A=能量/V2、作用力、能量、动量是同类物理量的不同表现形式。相互平衡、传递及转换，流体的动量传输也就是力、能的平衡与转换过程。1.6 1.6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、
19、动量17:49:45第1章 动量传输的基本概念37smDn/4.2360298015.014.360123400001.04.23Sdyd8.15602.2.nDFMNkW例题例题1-1 一滑动轴承，轴与轴承的间隙=0.1cm，轴的转速n=2980r/min，轴的直径D=15cm，轴承宽度b=25cm。求轴承所消耗的功率。润滑油的粘度为=0.245Pa/s。解：轴表面的圆周速度：轴承间隙里流速呈线性分布，速度梯度：内摩擦力：F=0.2453.140.150.2523400=675N滑动轴承所消耗的功率：1.6 1.6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量17:49:45第1章
20、动量传输的基本概念38NFFmg495.08.910sinsPaAFAF00245.0sm/100625.3/26例题例题1-2 一沿着涂有润滑油的倾角为30的斜面等速向下运动的木板，其底面积为100100 cm，其质量为10 Kg，速度为2 m/s，平板与油斜面的距离为=1 mm，油的密度为800Kg/m3。求润滑油的动力粘度和运动粘度。解：1.6 1.6 流体上的作用力、能量、动量流体上的作用力、能量、动量17:49:45第1章 动量传输的基本概念39例题例题1-3、一流体密度1000kg/m2,粘度0.007cm2/s,在平板上流动，距板端0.5m时的速度分布vx=3y-y3，求在（0.5,1）m点处x方向的动量通量。解：2/4000/2,10133mNvvsmvydydvyydydvconxxx对流动量通量：，没有物性动量通量；时，本章小结本章小结一、本课的基本要求一、本课的基本要求1了解流体的黏性及黏性力。2掌握牛顿黏性定律及应用；黏性系数的单位、物理意义、影响因素。3掌握黏性动量传输、黏性动量通量及其表达式。4理解流体上的作用力、能量、动量之间的关系。二、本课的重点、难点二、本课的重点、难点重点：牛顿黏性定律及应用。难点：概念的理解和掌握。三、作业三、作业习题P1 1-1-17:49:4540第1章 动量传输的基本概念
