流体动量传递
2016-04-06 04:40阅读:
在流动着的流体中动量由高速流体层向相邻的低速流体层的转移,与热量传递和质量传递并列为三种传递过程。动量传递影响到流动空间中速度分布的状况和流动阻力的大小,并且因此而影响热量和质量的传递。动量传递的理论基础是流体力学,它的主要研究对象是粘性流体流动。
动量传递的两种机理是:①分子动量传递,由分子热运动和分子间的吸引力造成;②涡流动量传递,由流体微团的脉动运动(或涡旋运动)所造成。动量传递的两个前提是相邻流体层间存在的速度差异(速度梯度)和物质的交换。
(1)粘性动量通量
从物理量的量纲来考虑,粘性动量通量即相当于作用在单位面积上的粘性力,亦即切应力,可由牛顿粘性定律来描述。对不可压缩流体,有式中ν——运动粘性系数,又称动量扩散系数。单位体积流体的动量梯度,即动量浓度梯度,表明粘性动量通量的大小与y方向上的动量浓度梯度成正比,负号表示其方向与动量浓度梯度的方向相反,即从动量高处传向动量低处。
值得指出的是:
粘性动量传递的方向与流体动量的方向一般是不相同的。如上所述,粘性动量传递的方向为y方向,而流体动量的方向为x方向,符号Tyx的前一个角标y指动量传递的方向,后一个角标x指动量的方向。
粘性动量传递的方向与动量浓度梯度的方向相反,即动量由高流速层向低流速层传递,而动量浓度梯度的方向都是从低速指向高速。由于粘性动量传递的方向永远与动量梯度的方向相反,所以式中的负号是必须的。
牛顿粘性定律所确定的动量传递由流体的分子运动而引起,不包括各流体层之间流体质点(或微团)的横向脉动过程。因此,牛顿粘性定律只适用于流体分子运动引起的层流流动。
(2)紊流粘性动量通量
紊流粘性动量的传递是流体紊流流动过程中,由于流体质点(或微团)的横向脉动而产生的。工程中,描述紊流现象常引入时均化的概念。如图1-2-17所示,紊流的时均速度u定义为,瞬时速度u可表示为时均速度u和脉动速度u,之和。今设一紊流流体沿x轴方向运动,时均速度为附加的脉动速度,则其瞬时速度为其在y轴方向具有不同的速度,如图1-2-18所示。表明,低速流体质点(微团)B因脉动由低流速区向高流速区转移时,单位时间通过单位面积传递的动量为等于单位面积上作用一个同样大小的力,即相当于流体的紊流脉动所引起的附加动量通量。式中,E称为涡流切应力,负号表示流团自低速区转移至高速区时使高速区的流速降低,引起高速区流体动量的亏损。梯度为的两相邻流体层之间沿时均速度的垂直方向移动的距离。它不是流体的物理特征,而是与局部流动条件和局部几何形状有关的量。
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在流动着的流体中动量由高速流体层向相邻的低速流体层的转移,与热量传递和质量传递并列为三种传递过程。动量传递影响到流动空间中速度分布的状况和流动阻力的大小,并且因此而影响热量和质量的传递。动量传递是化工设备研究和设计的基础。动量传递的理论基础是流体力学,它的主要研究对象是粘性流体流动。
两种机理:分子动量传递、涡流动量传递
动量传递速率:单位时间单位面积上所传递的动量
两种机理是:
①分子动量传递,由分子热运动和分子间的吸引力造成;
②涡流动量传递,由流体微团的脉动运动(或涡旋运动)所造成。
动量传递的两个前提是相邻流体层间存在的速度差异(速度梯度)和物质的交换。
设与CC平面相邻的两流体层具有不同的速度,即AA层较快,动量也较大,BB层较慢,动量也较小。当此两流体层间由于分子的热运动或流体微团的脉动运动(见湍流)而造成物质的交换时,动量便由AA层传递到BB层。
动量传递速率
动量传递速率由动量通量表示,为单位时间单位面积上所传递的动量。由物理学的动量定理推知:动量传递的结果,在层间必出现剪切应力τ,大小等于动量通量。对AA层来说,剪切应力的方向与流动方向相反,它阻滞流体的前进;对BB层来说,剪切应力的方向与流动方向相同,它推动流体前进(图b)。动量传递研究的基本点是动量通量τ(即剪切应力)和速度梯度dux/dy(即剪切应变率)的关系。对分子尺度上的动量传递,剪切应力与剪切应变率的关系反映流体的力学属性。根据这种关系的不同,流体有理想流体、粘性流体、牛顿型流体和非牛顿型流体之分(见粘性流体流动)。对微团尺度上的涡流动量传递,剪切应力与剪切应变率的关系不仅因流体性质而异,而且与流动空间的几何形状和尺寸以及边界表面状况和流动速度等有关。剪切应力与剪切应变率的关系,常被运用于以牛顿第二定律为基础的运动方程之中,借以求解速度分布和流动阻力。
按流动的内在结构,流动分为层流和湍流。在这两种状态下,动量传递机理是互不相同的。湍流中的动量传递虽然包括分子动量传递,但主要为由流体微团的脉动运动所引起的涡流动量传递,层流中的动量传递则由分子运动所引起。这两种状态下的流动特性是有显著差异的。
