质量传递和热量传递概述

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一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述一、流体流动规律(一)连续介质假设流体是由大量的微小分子所组成，分子间具有一定的空隙，每个分子都在不断地作不规则运动。因此，流体的微观结构和运动在空间或时间上都是不连续的。由于流体力学是研究流体的宏观运动，没有必要对流体进行以分子为单元的微观研究，因而假设流体为连续介质，即认为流体是由比分子大很多的，微观上充分大而宏观上充分小的，可以近似地看成是几何上没有维度的一个点的质点所组成，质点之间没有空隙，连续地充满流体所占有的空间。将流体的运动作为由无数个流体质点所组成的连续介质的运动，它们的物理量在空间或时间上都是连续的。这样，就可以摆脱研究分子运动的复杂性；在方法上可以运用数学分析中的连续函数这一有力工具。根据连续介质假设所得的理论结果，在很多情况下与相当的实验结果很相符合，因此这个假设是被允许的。在某些特殊情况，例如高空的稀薄气体不能作为连续介质来处理。在这里需要说明的，虽然把流体视为连续介质，不研究流体微观的分子运动，但分子运动实际上是客观存在的，因此必须在流体的物理性质中加以考虑，例如流体的一个最重要的物理性质——粘性，就是由于流体内部分子运动所引起的。在连续介质假设的基础上，一般还认为流体具有均匀等向性，即流体是均质的，各部分和各方向的物理性质是一样的。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述(二)流体的主要物理性质流体运动的规律与作用于流体的外部因素及条件有关，但主要决定于流体本身的内在物理性质。因此，先讨论流体的主要物理性质。1、易流动性固体在静止时，可以承受切应力。流体在静止时，不能承受切应力，只要在微小的切应力作用下，就发生流动而变形。流体在静止时不能承受切力、抵抗剪切变形的性质称易流动性。流体也被认为是不能抵抗拉力，而只能抵抗对它的压力。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述2、质量和密度流体和其他物质一样，具有质量。流体单位体积内所具有的质量称密度，以ρ表示。对于均质流体，设体积为V的流体具有的质量为m，则密度ρ为对于非均质流体，由连续介质假设可为密度的单位为kg/m3。流体的密度随温度和压强的变化而变化。实验证明，液体的这些变化甚微，因此，在解决工程流体力学的绝大多数问题时，可认为液体的密度为一常数。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述3、重力·重度地球对流体的引力，即为重力，用重量来表示。流体单位体积内所具有的重量称重度或容重或重率，以表示。对于均质流体，设体积为V的流体具有的重量为G，则重度为对于非均质流体，由连续介质假设可为重度的单位为N/m3。由运动定律知，G＝mg，g为重力加速度(一般可视为常数，并采用，9.80m/s2的数值)。因此，可得或第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述水和空气的重度值可查阅工程流体力学书籍和手册。计算时，一般采用水的重度值为9.8×103N/m3，水银的重度值为133.28×103N/m3。4、粘性流体在运动时，具有抵抗剪切变形能力的性质，称粘性。它是由于流体内部分子运动的动量输运所引起。当某流层对其相邻层发生相对位移而引起体积变形时，在流体中产生的切力（也称内摩擦力）就是这一性质的表现。由于内摩擦力，流体的部分机械能转化为热能而消失。由实验得知，在流体的二维平行直线运动中，如图2-1所示，流层间的切力(内摩擦力)F的大小与流体的粘性有关，并与速度梯度和接触面积A成正比，而与接触面上的压力无关，即单位面积上的切力，即切应力τ为第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述图2-1壁面附近的粘性流动示意图第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述式中μ为与流体粘性有关的系数，称粘度，单位为Pa·s。流体的粘度是粘性的度量，它的值愈大，粘性的作用愈大。μ的数值随流体的种类而不同，且随流体的压强和温度而发生变化。它随压强的变化不大，一般可忽略；但随温度的改变而变化则较大。对于液体来说，随着温度的升高，粘度值则减少；对于气体来说，则反之。这不难从流体的分子结构和运动学说来说明，例如，气体的分子间距较大，吸引力影响很小，根据分子运动理论，分子的动量交换率因温度升高而加剧，因而使切应力亦随之而增大。式中速度梯度，它表示速度沿垂直于速度方向y轴的变化率。关于F与τ的方向，因为它们都是成对出现的，数值相等，方向相反，所以运动较慢的流层作用于运动较快流层上的切力，其方向与运动方向相反，并使运动减慢；运动较快的流层作用于运动较慢流层上的切力，其方向则与运动方向相同，并使运动加快，如图2-1所示。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述在以后还会遇到粘度μ与流体密度ρ的比值，以ν表示，即ν的单位为m2/s。因为它没有力的量纲，是一个运动学要素，为了区别起见，ν称运动粘度，μ则称动力粘度。式(2-8)是由牛顿提出的假设，后被人证实，称牛顿内摩擦定律。它可以理解为切应力与剪切变形角速度成正比。显然，流体静止时，没有切应力。牛顿内摩擦定律只适用于流体的层流运动，而且对某些特殊流体亦不适用。凡符合牛顿内摩擦定律的流体，称牛顿流体，如水、空气、汽油、煤油、乙醇等；凡不符合的流体，称非牛顿流体，如聚合物液体、泥浆、血浆等。牛顿流体和非牛顿流体的区别，可用图2-2表示，τ0为初始(屈服)切应力。在研究流体运动时，常引进理想流体的概念。理想流体和实际流体的区别是没有粘性。进行理想流体研究的目的，一方面是为了简化分析研究工作，使较易得出一些主要结论，然后再对粘性的作用进行专门研究后加以修正、补充，这种修正、补充多半是以实验资料为依据的；另一方面，亦有一些问题，如粘性的影响不是很大，通过对理想流体的研究，可以得出实际可用的结果。理想流体只是实际流体在某种条件下的一种近似(简化)模型。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述图2-2各种流体的粘性第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述5、压缩性和膨胀性当作用在流体上的压力增大时，体积减少；压力减小时，体积增大的性质称流体的压缩性，实际上也可称流体的弹性。当流体所受的温度升高时，体积膨胀；温度降低时，体积收缩的性质称流体的膨胀性。流体的压缩性，一般以压缩系数β和体积模量K来度量。设流体体积为V，压强增加dP后，体积减小dV，则压缩系数β为式中负号表示压强增大，体积减小，使β为正值。β的单位为m2／N。因为质量为密度与体积的乘积，流体压强增大，密度亦增大，所以β也可视为密度的相对增大值与压强增大值之比，即第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律*二、质量传递概述三、热量传递概述压缩系数的倒数称流体的体积模量K，即K的单位为N/m2。不同的流体有不同的β和K值，同一种流体它们亦随温度和压强而变化。水的压缩性和膨胀性都是很小的，一般均可忽略不计。在某些特殊情况，如水击、热水输送等，需考虑水的压缩性和膨胀性。6、表面张力特性在液体自由表面的分子作用半径范围内，由于分子引力大于斥力，在表层沿表面方向产生张力，这种张力称表面张力。它不仅在液体与气体接触的周界面上发生，而且还会在液面与固体或一种液体与另一种液体相接触的周界面上发生。表面张力的大小可用σ来度量。σ是自由表面上单位长度上所受的张力，单位为N/m。σ值随液体的种类和温度而变化。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律二、质量传递概述*三、热量传递概述二、质量传递概述燃烧发生时，燃烧产物将不断离开燃烧区，燃料和氧化剂将不断进入燃烧区，否则，燃烧无法继续进行下去。产物的离开，燃料和氧化剂的进入，都有一个物质传递问题。物质的传递可以通过物质的分子扩散、燃料相界面上的斯蒂芬流、浮力引起的物质流动、由外力引起的强迫对流、湍流运动引起的物质混合等方法来实现。火灾过程中气相火焰是主要燃烧现象，多项燃烧过程中氧化剂是空气，气体中的输运过程往往是燃烧的控制因素。在这里主要介绍前三种物质传递方式，详细内容见第二节。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律二、质量传递概述三、热量传递概述*三、热量传递概述热量传递有三种基本方式，即热传导、热对流和热辐射。(一)热传导的基本概念热传导又称导热，属于接触传热，是连续介质就地传递热量而又没有各部分之间相对的宏观位移的一种传热方式。从微观角度讲，之所以发生导热现象，是由于微观粒子(分子、原子或它们的组成部分)的碰撞、转动和振动等热运动而引起能量从高温部分传向低温部分。在固体内部，只能依靠导热的方式传热；在流体中，尽管也有导热现象发生，但通常被对流运动所掩盖。热传导服从傅里叶定律，即：在不均匀温度场中，由于导热所形成的某地点的热流密度正比于该时刻同一地点的温度梯度，在一维温度场中，数学表达式为第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律二、质量传递概述三、热量传递概述*式中，—热通量，在单位时间，经单位面积传递的热量，单位为W/m2；沿x方向的温度梯度，单位为℃/m；K—导热系数，单位为W/(m·℃)。导热系数表示物质的导热能力，即单位温度梯度时的热通量。不同的物质导热系数不同，同种物质的导热系数也会因材料的结构、密度、湿度、温度等因素的变化而变化。表2-1给出了一些常用材料的K值。式(2—12)中负号表示热量传递是从高温向低温传递，即热流密度和温度梯度方向相反。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律二、质量传递概述三、热量传递概述*第一节质量传递和热量传递概述表2-1一些常用材料的热特性材料KW/(m·K)CpJ/(g·K)ρkg/m2αm2/sKρCW2/(m4·K2)铜38738089401.14×10－41.3×109（低碳）钢45.846078501.26×10－51.6×108混凝土0.8～1.48801900～230057×10－72.0×106玻璃（板）0.7684027003.3×10－71.7×106石膏涂层0.4884014404.1×10－75.8×105有机玻璃0.19142011901.1×10－73.2×105橡木0.1723808008.9×10－83.2×105黄松0.1428506408.3×10－82.5×105石棉板0.1510505772.5×10－79.1×104纤维绝缘板0.04120902298.6×10－82.0×104聚氨酯泡沫0.0341400201.2×10－69.5×102普通砖0.6984016005.2×10－79.3×105空气0.02610401.12.2×10－5— 一、流体流动规律二、质量传递概述三、热量传递概述*(二)热对流热对流又称对流，是指各部分之间发生相对位移，冷热体相互掺混引起热量传递的方式。所以热对流中热量的传递与流体流动有密切的关系，当然，由于流体存在温度差，所以也必然存在导热现象，当导热在整个传热中处于次要的地位。工程上，常把具有相对位移的流体与所接触固体壁面之间的热传递过程称为对流换热。对流换热的热通量服从牛顿冷却公式：式中：—单位时间内单位壁面积上的对流换热量，W/m2；—流体与壁面间平均温差，℃；h—对流换热系数，表示流体和壁面温度差为1℃时，单位时间内单位壁面面积和流体之间换热量，W/(m2·℃)。与导热系数不同的是，对流换热系数h不是物性常数，而取决于系统特性、固体壁面形状与尺寸，以及流体特性，且与温差有关。决定对流换热的因素，全部复杂性都集中在对流换热系数上。第一节质量传递和热量传递概述 一、流体流动规律二、质量传递概述三、热量传递概述*(三)热辐射辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式，热辐射是因热的原因而发出辐射能的现象。辐射换热是物体间以辐射方式进行的热量传递。与导热和对流不同的是，热辐射在传递能量时不需要相互接触即可进行，所以它是一种非接触传递能量的方式，即使空间是高度稀薄的太空，热辐射也照常能进行。最典型的例子是太阳向地球表面传递热量的过程。辐射能力的大小用辐射力来表示，辐射力定义为单位时间内，物体的单位表面积向周围半球空间发射的所有波长范围内的总辐射能，用E表示，单位为W/m2。辐射力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射力也不一样。在所有物体中，在同温度下辐射力最大的物体称为黑体。黑体的辐射力服从下面的斯蒂芬——玻尔兹曼定律：式中：Eb—黑体辐射力；σ—斯蒂芬一玻尔兹曼常数，值为5.67×10-8，W／(m2·K4)；T—表面的绝对温度，K。第一节质量传递和热量传递概述此节末页，点击此处返回本章目录