传递过程原理-不可压缩流体的问题

作者&投稿:田保 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
为什么水通常视为是不可压缩流体~

压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可以压缩的,只不过可压缩的程度不同而已。液体的压缩性都很小,随着压强和温度的变化,液体的密度仅有微小的变化,在大多数情况下,可以忽略压缩性的影响,认为液体的密度是一个常数。 DΡ/DT=0的流体称为不可压缩流体,而密度为常数的流体称为不可压均质流体。
气体的压缩性都很大。从热力学中可知,当温度不变时,完全气体的体积与压强成反比,压强增加一倍,体积减小为原来的一半;当压强不变时,温度升高1℃体积就比0℃时的体积膨胀1/273。所以,通常把气体看成是可压缩流体,即它的密度不能作为常数,而是随压强和温度的变化而变化的。我们把密度随温度和压强变化的流体称为可压缩流体。
把液体看作是不可压缩流体,气体看作是可压缩流体,都不是绝对的。在实际工程中,要不要考虑流体的压缩性,要视具体情况而定。例如,研究管道中水击和水下爆炸时,水的压强变化较大,而且变化过程非常迅速,这时水的密度变化就不可忽略,即要考虑水的压缩性,把水当作可压缩流体来处理。又如,在锅炉尾部烟道和通风管道中,气体在整个流动过程中,压强和温度的变化都很小,其密度变化很小,可作为不可压缩流体处理。再如,当气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时,气体的密度变化也很小,可以近似地看成是常数,也可当作不可压缩流体处理。

我的理解是这样的:这两者之间没有什么关系,等密度流体是指密度相同的流体,气体和液体都可以是等密度流体;至于不可压缩流体,气体由于其压缩比较高,所以气体属于可压缩流体,而液体的压缩比非常小,我们就称之为不可压缩流体,但是不可压缩流体并不是绝对不可压缩,当在压强足够大的条件下,液体也是可以被压缩的。

由问题可知,在管中流体只有沿着轴向z的速度V。连续性方程:Si*Vi=Sj*Vj 可知,流体在如题所述模型中速度函数V恒定,不随时间t和位置z改变。即:(偏微分)dV/dt=0,dV/dz=0.

由N-S方程组柱坐标形式:由于Vr和Vθ均为0,那么方程简化为:(偏微分)1/r*dV/dr+d2V/dr2=α/μ

μ为粘度,这个方程的解为轴向速度V沿着径向的分布函数:V(r)=α/μ*r^2/4+C1+C2*lg(r)

边界条件:r=a,V=0和r=b,V=0. 代入计算常数C1和C2,最终:

V(r)=α/μ*r^2/4+α*(b^2*lg(a^2/b)-a^2*lg(a))/(4μ*lg(a/b))+α*(b^2-a^2)/(4μ*lg(a/b))*lg(r)

这是一个类抛物线的图像。流体在管中的流速分布用V(r)可以完全表示出来。

注意上面是柱坐标系,画图像的时候要注意。

又牛顿内摩擦力τ=μ*v=μ*dV/dr. 题目所求即为r→a, r→b时τ的值。

dV/dr=α/μ*r/2+α*(b^2-a^2)/(4μ*lg(a/b))/(r*ln(10));

故当r=a时, τ(a)=μ*(α*a/2μ+α*(b^2-a^2)/(4μ*lg(a/b))/(a*ln(10)))

   当r=b时,τ(b)=μ*(α*b/2μ+α*(b^2-a^2)/(4μ*lg(a/b))/(b*ln(10)))

即为管内壁收到的粘性剪切力。 上示意图,彩图为流速的模拟图。













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