3.21流体流动及流体动力学 Adam powell 2003年4月23-30日 摘要 材料科学与工程主要研究材料的结构性能以及加工工艺之间的关系。加工工艺对结构的影 响主要是通过反应动力学,相变化以及传质传热来实现的。通常一个过程的关键控制步骤是对 某单元提供足够的能量或试剂,而试剂或能量常常又是通过流体传递的,因此流体流动对能量 以及质量的传递速率有很大的影响。由于在流体流动时既有扩散又有对流,而且对流流动时流 体速度对浓度和温度分布有影响,因此流体流动中的传质和传热要比在固体中的复杂。另外, 非线性的对流传递将导致湍流的发生。湍流的本质是对流,可以强化质量、热量及动量的扩散。 在接下来的四讲中将会介绍流体动力学的一些概念:动量传递,对流流动,流体性质的封 闭方程(奈维-斯托克斯方程),耦合流动,溶质/热量在流体中的扩散以及湍流流动及输送。最 后将介绍一定流动状态下流体与简单集合形状固体之间的传质、传热系数的计算方法,并将其 扩展到较复杂的情况。通过本部分的学习,将会使读者对于流体输送中的流体动力学具有较深 的了解,并得到系统的动力学知识。 目录: l.动量扩散剪应力压力和斯托克斯流动 1.1溶质扩散及热量扩散简介-- 12速度矢量场及动量扩散张量 333 -5 13动量扩散与机械应力的关系 14斯托克斯流动- 14.τ的分解方程- 142密度p的表达式 143质量守恒与连续性方程 144简化的封闭斯托克斯流动方程 15溶质扩散、热量扩散及动量扩散小结 16例题 16.1库爱特流动- 16.2由于重力作用沿倾斜面的流动-8 163绕过球体的流动 7练习 2.随体导数及奈维斯托克斯方程一 21随体导数- 10 2.1.1例题:热传导、对流、熔化--1 3.21 流体流动及流体动力学 Adam Powell 2003 年 4 月 23－30 日 摘 要 材料科学与工程主要研究材料的结构性能以及加工工艺之间的关系。加工工艺对结构的影 响主要是通过反应动力学，相变化以及传质传热来实现的。通常一个过程的关键控制步骤是对 某单元提供足够的能量或试剂，而试剂或能量常常又是通过流体传递的，因此流体流动对能量 以及质量的传递速率有很大的影响。由于在流体流动时既有扩散又有对流，而且对流流动时流 体速度对浓度和温度分布有影响，因此流体流动中的传质和传热要比在固体中的复杂。另外， 非线性的对流传递将导致湍流的发生。湍流的本质是对流，可以强化质量、热量及动量的扩散。 在接下来的四讲中将会介绍流体动力学的一些概念：动量传递，对流流动，流体性质的封 闭方程（奈维-斯托克斯方程），耦合流动，溶质/热量在流体中的扩散以及湍流流动及输送。最 后将介绍一定流动状态下流体与简单集合形状固体之间的传质、传热系数的计算方法，并将其 扩展到较复杂的情况。通过本部分的学习，将会使读者对于流体输送中的流体动力学具有较深 的了解，并得到系统的动力学知识。 目录： 1. 动量扩散、剪应力、压力和斯托克斯流动-------------------------------------------------------------------3 1.1 溶质扩散及热量扩散简介--------------------------------------------------------------------------------3 1.2 速度矢量场及动量扩散张量-----------------------------------------------------------------------------3 1.3 动量扩散与机械应力的关系-----------------------------------------------------------------------------4 1.4 斯托克斯流动-----------------------------------------------------------------------------------------------5 1.4.1τ的分解方程-----------------------------------------------------------------------------------------5 1.4.2 密度 ρ的表达式-----------------------------------------------------------------------------------6 1.4.3 质量守恒与连续性方程----------------------------------------------------------------------------6 1.4.4 简化的封闭斯托克斯流动方程------------------------------------------------------------------6 1.5 溶质扩散、热量扩散及动量扩散小结--------------------------------------------------------------------7 1.6 例题-----------------------------------------------------------------------------------------------------------7 1.6.1 库爱特流动---------------------------------------------------------------------- --------------------7 1.6.2 由于重力作用沿倾斜面的流动----------------------- -------------------------------------------8 1.6.3 绕过球体的流动-------------------------------------------------------------------------------------9 1.7 练习------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 2. 随体导数及奈维-斯托克斯方程------------------------------------------------------------------------------9 2.1 随体导数-----------------------------------------------------------------------------------------------------10 2.1.1 例题：热传导、对流、熔化-------------------------------------------------------------------------11