粘性流体流动的微分方程.ppt
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1、第三章粘性流体流动的微分方程,前面已讨论了总质量、总能量及总质量衡算方程,用它们可以解决工程设计中的许多问题。,总衡算的对象是某一宏观控制体。,特点:由进出口流股的状态、控制体范围与环境之间的交换情况去确定内部某些量发生的总变化。,例:总质量衡算只是考察流体通过圆管的平均速度,而不能确定截面上的速度分布,这一问题要由微观衡算来解决,微观衡算所依据的定律与总衡算一样。,微分衡算方程又称为变化方程,它们描述与动量、热量和质量传递有关的物理量如速度、密度、压力、温度、组分浓度等随位置和时间变化的普遍规律。,本章重点是微分质量衡算和微分动量衡算方程。,第一节 连续性方程,连续性方程:对于单组分系统或组
2、成无变化的多组分系统,应用质量守恒定律进行微分衡算得到的方程。,31 连续性方程的推导,y,如图:在流动的流体中选取一微元体,其边长为dx,dy,dz,相应的各边长分别与x轴,y轴和z轴平行。,流体在任一点(x,y,z)处的速度u沿x,y,z方向的分量分别为ux,uy,和uz,流体的密度为,为x,y,z和的函数。,因此在点(x,y,z)处的质量通量为u,根据质量守恒定律,对此微元体进行质量衡算得:,输出的质量流率输入的质量流率累积的质量流率0,首先分析x方向流过此微元体的质量流率:,设微元体左侧平面处的质量通量为ux,则输入微元体的质量流率ux dydz,右侧平面处的质量通量为,则输出微体的质
3、量流率,沿x方向的净输出质量流率为上述二者之差即:,同理:沿y方向的净输出质量流率为,沿z方向的净输出质量流率为,三者相加便是此微元体中流体质量流率的总输出与总输入之差:,即总净输出量为:,(输出的质量流率)(输入的质量流率),在时,微元体的质量为dxdydz,,在d 时,其质量变为,累积的质量速率为上述两项之差除以d,累积质量速率,于是可证流体流动时的微分质量衡算式为:,写成向量形式为:,(31),(32),散度,此式即为流体流动时的通用微分衡算方程,又称为连续性方程。,适用范围:,(1)由于推导时没作任何假定,故它适用于稳态或非稳态系统。,(2)理想流体和真实流体。,(3)可压缩和不可压缩
4、流体。,(4)牛顿型流体和非牛顿型流体。,它是研究动量、热量和质量传递过程的最基本、最重要的微分方程之一。,32 对连续性方程的分析和简化,将连续性方程展开可得其另一种形式为:,上式的物理意义分析:,与传递过程有关的许多物理量(如压力、密度、速度、温度、浓度等)都是位置和时间的连续函数,,对于有:,将进行全微分得:,(33),(34),写成全导数的形式为:,(36),(35),各项物理意义:,(1)偏导数,表示某固定点处流体密度随时间的变化率。因为x,y,z固定时,后三项均为零,,(2)全导数,它可想象为当测量运动流体密度时,观察者在流体中以任意速度运动(式中,为其速度分量,该速度不一定等于流
5、体速度)时密度对时间的变化率。显然,全导数除了与时间和位置有关外,还与观察者的速度有关。,(3)随体导数,若测量流体密度时,观察者在流体中的运动速度与流体运动的速度完全一致时,则,为流体流速在三个坐标轴的分量。,此时,上述方程即可表明流体密度为位置、时间及流体速度u的函数。此种随流体运动的导数称为“随体导数”或“真实导数”,或称拉格朗日(Lagrangian)导数,记为,(37),随体导数中的物理量可以为标量如(压力、密度、温度、浓度等),也可以为矢量如(速度),流体密度的随体导数可表示为:,(38),局部导数,对流导数,随体导数由两部分组成,其一为局部变化,即量在空间的一个固定点上随时间的变
6、化,称为“局部导数”,另一部分是量的对流变化,即该量由于流体质点的运动,由一点移动到另一点时该量所发生的变化,称为“对流导数”。,上式表明:当流体质点在d时间内,由空间的一点(x,y,z)移动到另一点(xdx,ydy,zdz)时,流体密度对时间的变化率。,连续性方程用随体导数形式表达为:,方程中的前三项是速度向量的散度,现在来看第四项的物理意义:,考察随流体运动的一个单位质量的流体微元,质量衡定,但体积v和密度随时间而变,,因为,(310),两边求随体导数得:,(311),(312),代入方程(39)得:,(313),流体微元的体积膨胀速率或形变速率,速度向量的散度实际上表述了三个轴线方向上的
7、线性形变速率。,速度向量的散度 等于流体运动时体积膨胀速率。此概念很重要,后面要用到多次。,上述方程的物理意义是:,在进行动量、能量和质量衡算及对流体的运动进行分析时,有两种方法。,一是欧拉(Euler)方法:在流体运动的空间内固定某一位置,并且固定被研究流体的体积,但其质量随时间而变,据此,来分析该固定位置流体状况的变化,从而获得整个流场流体运动的规律。,另一是拉格朗日(Lagrange)方法:在流体运动的空间内,选择某一固定质量的微元,观察者追随此流体微元一起运动,并根据此运动着的流体微元的状态变化来研究整个流场流体运动的规律。此时,流体质量固定,位置变化,体积也可能变化。,在总衡算或微分
8、衡算方程的推导过程中,两种观点都可以采用,最终结果也都一样,只是不同的情况用某一种方法会,简化。而用另一种方法会繁琐罢了。,比如:推导连续性方程时采用欧拉法,而分析该方程时又采用Lagrange方法。,后面的微分动量衡算和微分能量衡算方程的推导将采用Lagrange法。,连续性方程的化简,(1)稳态流动的连续性方程,由于是稳态流动,密度不随时间而变,即,,方程(31)可简化为:,(314),上式适用于可压缩和不可压缩流体。,(2)不可压缩流体的连续性方程,由于此时为常数,故(31)式可简化为:,(315),适用于稳态和非稳态流动。此式非常有用!,33 柱坐标系和球坐标系中的连续性方程,在研究圆
9、管、圆筒形流道内的流动时,在相同半径上的所有各点都具有相同的速度及其它物理量,此时用柱坐标系表达连续性方程最为方便。同理,当流动系统的范围面为球形或其一部分时,采用球坐标最方便。,这两种坐标系中的连续性方程的推导,原则上与直角坐标系相似,并且还可通过坐标系间的对应关系由直角坐标系转换而得。这里就不详讲了,结果如下:,柱坐标系上的连续性方程:,R径向坐标,Z轴线坐标,(316),方位角,时间,为三个方向上的流体速度分量,全纬度,方位角,(316),为球坐标系方向上的速度分量。,球坐标系上的连续性方程:,第二节 运动方程,通过微分质量衡算,导出了连续性方程。同样,微分动量衡算可以导出流体的运动方程
10、。两者结合便可解决许多流体运动问题。这两方程是三传的基础方程。,1 运动方程的推导,流体运动所遵循的牛顿第二定律可表述为:流体的动量随时间的变化率等于作用在该流体上的诸外力的向量和。,(318),采用Lagrange方法,对于质量衡定且以相同流速跟随流体运动的微元流体,方程(318)可写成:,(319),方程(319)是向量方程,可以分别为x,y,z三个方向的分量加以描述,其中的质量M可用密度与体积的积表示为:,于是有:,(320),分解为x,y,z三轴方向上的分量时,分别为:,(321a),(321b),(321c),i表示惯性力,为作用在上述流体微元上的,合力在x,y,z方向上的分量。,合
11、外力的每一个分量都由两类力组成:,(1)质量力或体积力,指作用在整个流体微元上的外力,记为,(2)机械力或表面力,指作用在流体诸表面上的外力,记为,分别说明如下:,1 质量力,在传递过程中,仅限于考察处于重力场作用下的流体,所以对于一个流体微元来说,在x方向上的质量力分量 为:,(322),X单位质量流体的质量力在x方向上的分量,因只考虑重力场的作用,所以X又指单位质量流体所承受的重力在x方向上的分量,可写成:,式中为x轴方向与重力方向之间的夹角。因x方向为水平方向,故X0,同理Z0,Yg,则有:,(323a),(323b),(323c),2 表面力,该力来自该流体微元毗邻的外部流体,由静压力
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