熱能與動(dòng)力工程專業(yè)英語(yǔ)前三章.docx
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1.1工程熱力學(xué)基礎(chǔ) 熱力學(xué)是一門研究能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)換及傳遞的科學(xué)。能量以內(nèi)能（與溫度有關(guān)）、動(dòng)能（由物體運(yùn)動(dòng)引起）、勢(shì)能（由高度引起）和化學(xué)能（與化學(xué)組成相關(guān)）的形式儲(chǔ)存。不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，而且能量在邊界上可以以熱和功的形式進(jìn)行傳遞。 在熱力學(xué)中，我們將推導(dǎo)有關(guān)能量轉(zhuǎn)化和傳遞與物性參數(shù)，如溫度、壓強(qiáng)及密度等關(guān)系間的方程。因此，在熱力學(xué)中，物質(zhì)及其性質(zhì)變得非常重要。許多熱力學(xué)方程都是建立在實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)之上，而且這些實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果已被整理成數(shù)學(xué)表達(dá)式或定律的形式。其中，熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用最為廣泛。 1.1.1熱力系統(tǒng)和控制體 熱力系統(tǒng)是一包圍在某一封閉邊界內(nèi)的具有固定質(zhì)量的物質(zhì)。系統(tǒng)邊界通常是比較明顯的（如氣缸內(nèi)氣體的固定邊界）。然而，系統(tǒng)邊界也可以是假想的（如一定質(zhì)量的流體流經(jīng)泵時(shí)不斷變形的邊界）。 系統(tǒng)之外的所有物質(zhì)和空間統(tǒng)稱外界或環(huán)境。熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)與外界或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用。系統(tǒng)通過(guò)在邊界上進(jìn)行能量傳遞，從而與外界進(jìn)行相互作用，但在邊界上沒(méi)有質(zhì)量交換。當(dāng)系統(tǒng)與外界間沒(méi)有能量交換時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。 在許多情況下，當(dāng)我們只關(guān)心空間中有物質(zhì)流進(jìn)或流出的某個(gè)特定體積時(shí)，分析可以得到簡(jiǎn)化。這樣的特定體積稱為控制體。例如泵、透平、充氣或放氣的氣球都是控制體的例子。包含控制體的表面稱為控制表面。 因此，對(duì)于具體的問(wèn)題，我們必須確定是選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象有利還是選取控制體作為研究對(duì)象有利。如果邊界上有質(zhì)量交換，則選取控制體有利；反之，則應(yīng)選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象 1.1.2平衡、過(guò)程和循環(huán) 對(duì)于某一參考系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度完全相同。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的特性參數(shù)均相同且不隨時(shí)間變化時(shí)，則稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)邊界某部分的溫度突然上升時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處相同。 當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所經(jīng)歷的一系列由中間狀態(tài)組成的變化歷程稱為過(guò)程。若從一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程中，始終無(wú)限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程，可以把其中任一個(gè)中間狀態(tài)看作為平衡狀態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程可近似視為許多過(guò)程的疊加結(jié)果，而不會(huì)顯著減小其精確性，例如氣體在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的壓縮和膨脹過(guò)程。如果系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)（如燃燒）從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)，則其過(guò)程為非平衡過(guò)程。 當(dāng)系統(tǒng)從一給定的初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間過(guò)程又回到其初始狀態(tài)，則稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)。循環(huán)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)中的各參數(shù)又與初始參數(shù)相同。 在任一特性參數(shù)名稱前加上前綴iso-，表示該參數(shù)在整個(gè)過(guò)程保持不變。等溫（isothermal）過(guò)程中溫度保持不變；等壓（isobaric）過(guò)程中壓強(qiáng)恒定；等容（isometric）過(guò)程中體積保持不變。 1.1.3純物質(zhì)的氣-液相平衡 如圖1-1(a)所示，由活塞和氣缸組成的裝置中裝有1kg水。假定活塞和其上的重物使氣缸內(nèi)壓強(qiáng)維持在0.1Mpa，初始溫度20℃。當(dāng)有熱量開始傳遞給水時(shí)，缸內(nèi)水溫迅速上升，而比容略有增加，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定不變。當(dāng)水溫達(dá)到99.6℃時(shí)，如若再增加傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖1-1(b)所示。也就是說(shuō)，一部分水開始?xì)饣優(yōu)檎羝诖讼嘧冞^(guò)程中，溫度和壓強(qiáng)始終保持不變，但比容卻有大幅度的增加。當(dāng)最后一滴液體被氣化時(shí)，進(jìn)一步的加熱將使蒸汽溫度和比容均有所增加，如同1-1(c)所示。 在給定壓強(qiáng)下發(fā)生氣化的溫度稱為飽和溫度，壓強(qiáng)稱為給定溫度下的飽和壓強(qiáng)。因此，99.6℃水的飽和壓強(qiáng)是0.1MPa，0.1MPa水的飽和溫度為99.6℃。 如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，則稱該液體為飽和液體。如果液體溫度低于當(dāng)前壓強(qiáng)下的飽和溫度，則稱該液體為過(guò)冷液體（表明液體的當(dāng)前溫度低于給定壓強(qiáng)下的飽和溫度）或壓縮液體（表明液體的當(dāng)前壓強(qiáng)大于給定溫度下的飽和壓強(qiáng)）。 若某一工質(zhì)在飽和溫度下以液、氣共存的形式存在，則稱蒸汽質(zhì)量與總質(zhì)量之比為干度。因此，如圖1-1(b)所示，若蒸汽質(zhì)量為0.2kg，液體質(zhì)量為0.8kg，則其干度為0.2或20%。干度只有在飽和狀態(tài)下才有意義。 若某一工質(zhì)處于飽和溫度下并以蒸汽形態(tài)存在，則稱該蒸汽為飽和蒸汽（有時(shí)稱為干飽和蒸汽，意在強(qiáng)調(diào)其干度為100%）。當(dāng)蒸汽溫度高于其飽和溫度時(shí)，則稱之為過(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽的壓強(qiáng)和溫度是彼此獨(dú)立的，因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)，壓強(qiáng)可能保持不變。 在圖1-2所示的溫度-比容圖上作等壓線，表示水由初壓0.1MPa、初溫20℃被加熱的過(guò)程。點(diǎn)A代表初始狀態(tài)，點(diǎn)B為飽和液態(tài)（99.6℃），線AB表示液體由初始溫度被加熱至飽和溫度所經(jīng)歷的過(guò)程。點(diǎn)C表示飽和蒸汽狀態(tài)，線BC表示等溫過(guò)程，即液體氣化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝倪^(guò)程。線CD表示在等壓條件下蒸汽被加熱至過(guò)熱的過(guò)程，在此過(guò)程中，溫度和比容均增大。 類似地，線IJKL表示壓強(qiáng)為10MPa下的等壓線，相應(yīng)的飽和溫度為311.1℃。但是，在壓強(qiáng)為22.09MPa條件下（線MNO），不存在等溫蒸發(fā)過(guò)程。相反，點(diǎn)N是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)上，切線斜率為零，通常把N點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。臨界點(diǎn)下的溫度、壓強(qiáng)和比容分別稱為臨界溫度、臨界壓強(qiáng)和臨界比容。一些工質(zhì)的臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1-1所示。 1.1.4熱力學(xué)第一定律 通常把熱力學(xué)第一定律稱為能量守恒定律。在基礎(chǔ)物理課程中，能量守恒定律側(cè)重動(dòng)能、勢(shì)能的變化以及和功之間的相互關(guān)系。更為常見的能量守恒形式還包括傳熱效應(yīng)和內(nèi)能的變化。當(dāng)然，也包括其它形式的能，如靜電能、磁場(chǎng)能、應(yīng)變能和表面能。 歷史上，用熱力學(xué)第一定律來(lái)描述循環(huán)過(guò)程：凈傳熱量等于循環(huán)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)所做的凈功。 1.1.5熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)第二定律有多種表述形式。在此列舉兩種：克勞修斯表述和凱爾文-普朗克表述。克勞修斯表述：制造一臺(tái)唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環(huán)設(shè)備是不可能的。以冰箱（或熱泵）為例，不可能制造一臺(tái)不用輸入功就能把熱量從低溫物體傳給高溫物體的冰箱，如圖1-3(a)所示。 凱爾文-普朗克表述：制造一臺(tái)從單一熱源吸熱和做功的循環(huán)設(shè)備是不可能的。 換句話說(shuō)，制造這樣一臺(tái)從某一熱源吸熱并對(duì)外做功，而沒(méi)有與低溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱的熱機(jī)是不可能的。因此，該表述說(shuō)明了不存在工作效率為100%的熱機(jī)，如圖1-3(b)所示。 1.1.6卡諾循環(huán) 卡諾機(jī)是低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩撮g運(yùn)行效率最高的熱機(jī)?？ㄖZ機(jī)是一個(gè)理想熱機(jī)，利用多個(gè)可逆過(guò)程組成一循環(huán)過(guò)程，該循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。卡諾機(jī)非常有用，因?yàn)樗倪\(yùn)行效率為任何實(shí)際熱機(jī)最大可能的效率。因此，如果一臺(tái)實(shí)際熱機(jī)的效率要遠(yuǎn)低于同樣條件下的卡諾機(jī)效率，則有可能對(duì)該熱機(jī)進(jìn)行一些改進(jìn)以提高其效率。理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過(guò)程，如圖1-4所示：1→2等溫膨脹；2→3絕熱可逆膨脹；3→4等溫壓縮；4→1可逆絕熱壓縮。卡諾循環(huán)的效率為..注意，提高TH（提高吸熱溫度）或降低TL（降低放熱溫度）均可使循環(huán)效率提高。 1.1.7朗肯循環(huán) 我們所關(guān)心的第一類動(dòng)力循環(huán)為電力生產(chǎn)工業(yè)所采用的，也就是說(shuō)，動(dòng)力循環(huán)按這樣的方式運(yùn)行：工質(zhì)發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。最簡(jiǎn)單的蒸汽-動(dòng)力循環(huán)是朗肯循環(huán)，如圖1-5(a)所示。朗肯循環(huán)的一個(gè)主要特征是泵耗費(fèi)很少的功就能把高壓水送入鍋爐。其可能的缺點(diǎn)為工質(zhì)在汽機(jī)內(nèi)膨脹做功后，通常進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，形成可能損害汽輪機(jī)葉片的液滴。 朗肯循環(huán)是一個(gè)理想循環(huán)，其忽略了四個(gè)過(guò)程中的摩擦損失。這些損失通常很小，在初始分析時(shí)可完全忽略。朗肯循環(huán)由四個(gè)理想過(guò)程組成，其T-s圖如圖1-5(b)所示：1→2為泵內(nèi)等熵壓縮過(guò)程；2→3為爐內(nèi)定壓吸熱過(guò)程；3→4為汽輪機(jī)內(nèi)等熵膨脹做功過(guò)程；4→1為凝汽器內(nèi)定壓放熱過(guò)程。 泵用于提高飽和液體的壓強(qiáng)。事實(shí)上，狀態(tài)1和狀態(tài)2幾乎完全一樣，因?yàn)橛?點(diǎn)開始的較高壓強(qiáng)下的吸熱過(guò)程線非常接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說(shuō)明的需要分別標(biāo)出。鍋爐（也稱蒸汽發(fā)生器）和凝汽器均為換熱器，它們既不需要功也不產(chǎn)生功。 如果忽略動(dòng)能和勢(shì)能的變化，輸出的凈功等于T-s圖曲線下面的面積，即圖1-5(b)中1-2-3-4-1所包圍的面積，由用熱力學(xué)第一定律可證明netnetWQ=。循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)的吸熱量對(duì)應(yīng)面積a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表示為即，熱效率等于輸出能量除以輸入能量（所購(gòu)能量）。顯然，通過(guò)增大分子或減小分母均可以提高熱效率。這可以通過(guò)增大泵出口壓強(qiáng)p2，提高鍋爐出口溫度T3，或降低汽機(jī)出口壓強(qiáng)p4來(lái)實(shí)現(xiàn)。 1.1.8再熱循環(huán) 對(duì)于一個(gè)處于高鍋爐壓強(qiáng)和低凝汽器壓強(qiáng)條件下的朗肯循環(huán)，顯然，很難阻止液滴在汽輪機(jī)低壓部分的形成。由于大多數(shù)金屬不能承受600℃以上的高溫，因此，通常采用再熱循環(huán)來(lái)防止液滴的形成。再熱過(guò)程如下：經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)的部分蒸汽在某中間壓強(qiáng)下被再熱，從而提高蒸汽溫度，直至達(dá)到狀態(tài)5，如圖1-6所示。然后這部分蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸，而后進(jìn)入凝汽器（狀態(tài)6）。再熱循環(huán)方式可以控制或者完全消除汽輪機(jī)中的濕蒸汽問(wèn)題，因此，通常汽輪機(jī)分成高壓缸和低壓缸兩部分。雖然再熱循環(huán)不會(huì)顯著影響循環(huán)熱效率，但帶來(lái)了顯著的額外的輸出功，如圖1-6中的面積4-5-6-4-4所示。當(dāng)然，再熱循環(huán)需要一筆可觀的投資來(lái)購(gòu)置額外的設(shè)備，這些設(shè)備的使用效果必須通過(guò)與多增加的輸出功進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析來(lái)判定。如果不采用再熱循環(huán)來(lái)避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強(qiáng)必須相當(dāng)?shù)馗?，因而?dǎo)致循環(huán)熱效率較低。在這種意義上，與無(wú)再熱循環(huán)且高凝汽器出口壓強(qiáng)的循環(huán)相比，再熱可以顯著提高循環(huán)效率。 1.2流體力學(xué)基礎(chǔ) 流體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出多種不同的運(yùn)動(dòng)形式。有些可以簡(jiǎn)單描述，而其它的則需要完全理解其內(nèi)在的物理規(guī)律。在工程應(yīng)用中，盡量簡(jiǎn)單地描述流體運(yùn)動(dòng)是非常重要的。簡(jiǎn)化程度通常取決于對(duì)精確度的要求，通?？梢越邮?0%左右的誤差，而有些工程應(yīng)用則要求較高的精度。描述運(yùn)動(dòng)的一般性方程通常很難求解，因此，工程師有責(zé)任了解可以進(jìn)行哪些簡(jiǎn)化的假設(shè)。當(dāng)然，這需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，更重要的是要深刻理解流動(dòng)所涉及的物理內(nèi)涵。 一些常見的用來(lái)簡(jiǎn)化流動(dòng)狀態(tài)的假設(shè)是與流體性質(zhì)有關(guān)系的。例如，黏性在某些條件下對(duì)流體有顯著的影響；而在其它條件下，忽略黏性效應(yīng)的影響可以大大地簡(jiǎn)化方程，但并不會(huì)顯著改變計(jì)算結(jié)果。眾所周知，氣體速度很高時(shí)必須考慮其壓縮性，但在預(yù)測(cè)風(fēng)力對(duì)建筑物的影響程度，或者預(yù)測(cè)受風(fēng)力直接影響的其它物理量時(shí)，可以不計(jì)空氣的壓縮性。學(xué)完流體運(yùn)動(dòng)學(xué)之后，可以更明顯地看出采用了哪些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。這里，將介紹一些重要的用來(lái)分析流體力學(xué)問(wèn)題的一般性方法，并簡(jiǎn)要介紹不同類型的流動(dòng)。 1.2.1拉格朗日運(yùn)動(dòng)描述和歐拉運(yùn)動(dòng)描述 描述流場(chǎng)時(shí)，將著眼點(diǎn)放在流體質(zhì)點(diǎn)上是非常方便的。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都包含了微小質(zhì)量的流體，它由大量分子組成。質(zhì)點(diǎn)占據(jù)很小的體積，并隨流體流動(dòng)而移動(dòng)。對(duì)不可壓縮流體，其體積大小不變，但可能發(fā)生形變。對(duì)可壓縮流體，不但體積發(fā)生形變，而且大小也將改變。在上述兩種情況下，均將所有質(zhì)點(diǎn)看作一個(gè)整體在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。 質(zhì)點(diǎn)力學(xué)主要研究單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是時(shí)間的函數(shù)。任一質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度可表示為s(x0,y0,z0,t)，V(x0,y0,z0,t)，a(x0,y0,z0,t)，其它相關(guān)參量也可計(jì)算。坐標(biāo)(x0,y0,z0)表示質(zhì)點(diǎn)的起始位置，也是每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的名字。這就是拉格朗日運(yùn)動(dòng)描述，以約瑟夫Ｌ拉格朗日的名字命名，該描述方法通常用于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)分析。拉格朗日法跟蹤多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程并考慮質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。然而，由于實(shí)際流體包含質(zhì)點(diǎn)數(shù)目巨大，因而采用拉格朗日法研究流體流動(dòng)則非常困難。 與分別跟蹤每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)不同的另一種方法是將著眼點(diǎn)放在空間點(diǎn)上，然后觀察質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)每個(gè)空間點(diǎn)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)速度，由此可以得到質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)各空間點(diǎn)時(shí)的速度變化率，即..還可以判斷某一點(diǎn)上的速度是否隨時(shí)間變化，即計(jì)算..。這種描述方法稱為歐拉運(yùn)動(dòng)描述，以萊昂哈德歐拉的名字命名。在歐拉法中，速度等流動(dòng)參數(shù)是空間和時(shí)間的函數(shù)。在直角笛卡兒坐標(biāo)系中，速度表示為V=V(x,y,z,t)。我們所研究的流動(dòng)區(qū)域稱為流場(chǎng) 1.2.2跡線和流線 可采用兩種不同的流動(dòng)線來(lái)幫助我們描述流場(chǎng)。跡線是某一給定質(zhì)點(diǎn)在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過(guò)的不同空間點(diǎn)形成的軌跡，它記錄了質(zhì)點(diǎn)的“歷史”位置。一定曝光時(shí)間下可以拍得發(fā)亮粒子的運(yùn)動(dòng)跡線。 流線是流場(chǎng)中具有這樣特性的線：任一質(zhì)點(diǎn)在流線上某點(diǎn)處的速度矢量與該流線相切，即Vdr=0。這是因?yàn)閂和dr具有相同的方向，而具有相同方向的兩個(gè)矢量的叉乘積等于零。同跡線相比，流線不能直接由相機(jī)拍攝獲得。對(duì)于一般的非定常流動(dòng)，根據(jù)大量質(zhì)點(diǎn)的短跡線相片可以推斷出流線的形狀。 1.2.3一維、二維和三維流動(dòng).一般來(lái)說(shuō)，歐拉運(yùn)動(dòng)描述中的速度矢量取決于三個(gè)空間變量和時(shí)間變量，即V=V(x,y,z,t)。這樣的流動(dòng)稱為三維流動(dòng)，因?yàn)樗俣仁噶恳蕾囉谌齻€(gè)空間坐標(biāo)。三維流動(dòng)的求解非常困難，并且也超出了序言的范圍。即使假設(shè)流動(dòng)為定常的（如，V=V(x,y,z)），該流動(dòng)仍為三維流動(dòng)。 三維流動(dòng)常?？梢越瞥啥S流動(dòng)。例如，對(duì)于一個(gè)很寬的大壩，受壩兩端條件的影響，水流經(jīng)大壩時(shí)的流動(dòng)為三維流動(dòng)；但遠(yuǎn)離壩端的中間部分的流動(dòng)可看作是二維的。一般來(lái)說(shuō)，二維流動(dòng)是指其速度矢量只取決于兩個(gè)空間坐標(biāo)的流動(dòng)。平面流動(dòng)即是如此，速度矢量只依賴于x，y兩個(gè)空間坐標(biāo)，而與z坐標(biāo)無(wú)關(guān)（如，V=V(x,y)）。 一維流動(dòng)的速度矢量只依賴于一個(gè)空間坐標(biāo)。這類流動(dòng)常發(fā)生在長(zhǎng)直管內(nèi)和平行平板間。管內(nèi)流動(dòng)的速度只隨到管軸的距離變化，即u=u(r)。平行平板間的速度也只與y坐標(biāo)有關(guān)，即u=u(y)。即使流動(dòng)為非定常流動(dòng)，如啟動(dòng)時(shí)的情形，u=u(y,t)，但該流動(dòng)仍是一維的。 對(duì)于完全發(fā)展的流動(dòng)，其速度輪廓線并不隨流動(dòng)方向上的空間坐標(biāo)而改變。這要求研究區(qū)域要遠(yuǎn)離入口處或幾何形狀突然改變的區(qū)域。有許多流體力學(xué)方面的工程問(wèn)題，其流場(chǎng)可以簡(jiǎn)化為均勻流動(dòng)：速度和其它流體特性參數(shù)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均為常數(shù)。這種簡(jiǎn)化只對(duì)速度在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均保持不變時(shí)才成立，而且這種情況非常普遍。例如：管內(nèi)的高速流動(dòng)和溪水的流動(dòng)。平均速度可能從一個(gè)斷面到另一個(gè)斷面有所不同，而流動(dòng)條件僅取決于流動(dòng)方向上的空間變量。 1.2.4牛頓流體和非牛頓流體 牛頓流體是指應(yīng)力與變形率關(guān)系曲線為過(guò)坐標(biāo)圓點(diǎn)的直線的流體。直線的斜率稱為黏度。用τ=μdu/dy這個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式來(lái)描述牛頓流體的特性。τ為流體施加的切向應(yīng)力，μ為流體的動(dòng)力黏度，du/dy為垂直于切應(yīng)力方向上的速度梯度。 如果流體不滿足上述關(guān)系式，則被稱為非牛頓流體，它包括以下幾種類型：聚合物溶液、聚合物熔體、固體懸浮物和高黏度流體。在非牛頓流體中，切向應(yīng)力和變形率成非線性關(guān)系，甚至可能是非定常的，因此不能定義恒定的黏度系數(shù)。但可以定義切向應(yīng)力和變形率的比值(或隨切向應(yīng)力變化的黏度)，這個(gè)概念對(duì)不具有時(shí)間相關(guān)性行為的流體非常有用。 1.2.5黏性和非黏性流動(dòng) 流體的流動(dòng)可大致分為黏性流動(dòng)和非黏性流動(dòng)。非黏性流動(dòng)是指黏性作用對(duì)流動(dòng)的影響很小、可被忽略的流動(dòng)。而在黏性流動(dòng)中，黏度的影響極為重要，不容忽視。 為了模擬分析非黏性流動(dòng)，簡(jiǎn)單地讓黏度為零即可，這顯然忽略了一切黏性作用。在實(shí)驗(yàn)室中，制造非黏性流動(dòng)則非常困難，因?yàn)樗械牧黧w（例如水和空氣）都有黏性。然后問(wèn)題變?yōu)椋菏欠翊嬖谖覀兏信d趣的、且黏性影響微乎其微的流動(dòng)？答案是：“存在，只要流動(dòng)中的切向應(yīng)力很小，而且其作用范圍小到不會(huì)顯著影響流場(chǎng)就可以”。當(dāng)然，這種描述非?；\統(tǒng)，需要大量的分析以證明無(wú)黏性流動(dòng)假設(shè)是正確的。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以用于模擬非黏性流動(dòng)的基本流動(dòng)為外部流動(dòng)，即存在于物體外部的流動(dòng)。非黏性流動(dòng)對(duì)于繞流線型物體的研究非常重要，如繞流機(jī)翼或水翼。任何可能存在的黏性影響只限于薄薄的一層之內(nèi)，稱之為邊界層，它緊貼物體的表面，如圖1-7所示。受黏性的影響，邊界層內(nèi)固定壁面處的速度始終為零。對(duì)于許多流動(dòng)情形，邊界層非常薄，當(dāng)研究繞流線型流動(dòng)的總體特征時(shí)，可以忽略邊界層的影響。例如，對(duì)繞翼型的流動(dòng)，除了邊界層內(nèi)和可能接近尾緣的區(qū)域之外，非黏性流動(dòng)解與實(shí)際情況非常吻合。管道系統(tǒng)中收縮段的流動(dòng)，以及內(nèi)部流動(dòng)中黏性影響均可忽略不計(jì)的小段區(qū)域都可簡(jiǎn)化成非黏性流動(dòng)。 內(nèi)流中的很大一部分情形都屬于黏性流動(dòng)，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這些流動(dòng)中，黏性作用造成相當(dāng)大的“損失”，以此解釋了管道輸運(yùn)石油和天然氣必定耗費(fèi)大量的能源。無(wú)滑移條件使得壁面處的速度為零，由此產(chǎn)生的切應(yīng)力，直接導(dǎo)致這些損失的產(chǎn)生。 1.2.6層流和紊流 黏性流動(dòng)可分為層流和紊流。在層流中，流體與周圍流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)明顯的混合。如果在流動(dòng)中注入染料，除了分子運(yùn)動(dòng)的影響外，流體質(zhì)點(diǎn)不與周圍流體混合，并將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)保持其狀態(tài)。黏性切應(yīng)力始終影響層流流動(dòng)。層流可以是高度非定常的，也可以是定常的。 在紊流中，流體運(yùn)動(dòng)作不規(guī)則地變化，速度和壓強(qiáng)等參數(shù)的大小在時(shí)間和空間坐標(biāo)上呈現(xiàn)隨機(jī)變化，這些物理量往往通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)描述。在這個(gè)意義上，可定義“定?！蔽闪鳎杭磿r(shí)均值不隨時(shí)間變化的紊流。注入紊流中的染料在流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的作用下，迅速與周圍流體進(jìn)行摻混，染料在此擴(kuò)散過(guò)程中很快就會(huì)消散而變得無(wú)法識(shí)別。層流和紊流可用一個(gè)水龍頭進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察其流動(dòng)狀態(tài)。打開水龍頭，這時(shí)的水流正如靜靜的小溪一樣，流動(dòng)得非常緩慢，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)就是層流；慢慢開大水龍頭，觀察到流動(dòng)逐漸變得紊亂。注意，紊流從相對(duì)較小的流量下開始發(fā)展而成。 流動(dòng)狀態(tài)依賴于三個(gè)描述流動(dòng)條件的物理參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度，如邊界層厚度或管道直徑。如果這個(gè)特征長(zhǎng)度尺度足夠大，流動(dòng)中的擾動(dòng)可能會(huì)逐漸增大，從而使得流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌５诙€(gè)參數(shù)是特征速度，如空間平均流速，足夠大的流速將導(dǎo)致紊流的產(chǎn)生。第三個(gè)參數(shù)是運(yùn)動(dòng)黏度，流體的黏性越小，紊流的可能性越大。 上述三個(gè)參數(shù)可以整理成一個(gè)參數(shù)，用于預(yù)測(cè)流動(dòng)狀態(tài)。這個(gè)參數(shù)就是雷諾數(shù)，以?shī)W斯本雷諾的名字命名，該參數(shù)為無(wú)量綱參數(shù)，定義為Re=VL/n，式中，L和V分別為特征長(zhǎng)度和特征速度，n為運(yùn)動(dòng)黏度。例如，在管道流中，L為管徑，V為平均速度。如果雷諾數(shù)相對(duì)較小，流動(dòng)為層流；如果雷諾數(shù)較大，則為紊流。通過(guò)定義臨界雷諾數(shù)Recrit，可更加精確地進(jìn)行表述，當(dāng)Re下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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