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火电厂专业英语教案
1.1DefinitionofaFluidandClassificationofFluidFlow
流体的定义和流体流动的分类
Afluidisasubstancethatdeformscontinuouslywhensubjectedtoashearstress,nomatterhowsmallthatshearstressmaybe.Ashearforceistheforcecomponenttangenttoasurface,andthisforcedividedbytheareaofthesurfaceistheaverageshearstressoverthearea.Shearstressatapointisthelimitingvalueofshearforcetoareaastheareaisreducedtothepoint.
无论受到多么小的剪切力都会发生连续变形的物质叫做流体。
剪切力是与表面相切方向上的分力,该力除以面积便得此面积上的平均切应力,当面积缩成一点时,即为该点上的切应力。
InFig.1-1asubstanceisplacedbetweentwocloselyspacedparallelplates,solargethatconditionsattheiredgesmaybeneglected.Thelowerplateisfixed,andaforceFisappliedtotheupperplate,whichexertsashearF/Aonanysubstancebetweentheplates.Aistheareaoftheupperplate.WhentheforceFcausestheupperplatetomovewithasteady(nonzero)velocity,nomatterhowsmallthemagnitudeofF,onemayconcludethatsubstancebetweenthetwoplatesisafluid.
如图1-1a所示,两块平行放置非常靠近的平板间充满某种物质,平板很大,因此平板四周边缘处的情况可以不予考虑。
固定下平板,对上板施加一作用力F,平板间的物质便会受到剪切力F/A的作用,其中A是上板面积。
只要作用力F能使上板以恒定(不等于零)的速度运动,而不论力F的量值多么小,你就可以断定板间的物质是一种流体。
Thefluidinimmediatecontactwithasolidboundaryhasthesamevelocityastheboundary,i.e.,thereisnoslipattheboundary.Thisisanexperimentalfactwhichhasbeenverifiedincountlesstestswithvariouskindsoffluidsandboundarymaterials.Thefluidinareaabcdflowstothenewpositionab′c′d,eachfluidparticlemovingparalleltotheplateandvelocityuvaryinguniformlyfromzeroatthestationaryplatetoUattheupperplate.Experimentsshowthat,otherquantitiesbeingheldconstant,FisdirectlyproportionaltoAandtoUandisinverselyproportionaltothicknesst.Inequationform
inwhichμistheproportionalityfactorandincludestheeffectoftheparticularfluid.Ifτ=F/Afortheshearstress,
TheratioU/tistheangularvelocityoflineab,oritistherateofangulardeformationofthefluid,i.e.,therateofdecreaseofanglebad.Theangularvelocitymayalsobewrittendu/dy,asbothU/tanddu/dyexpressthevelocitychangedividedbythedistanceoverwhichthechangeoccurs.However,du/dyismoregeneral,asitholdsforsituationsinwhichtheangularvelocityandshearstresschangewithy.thevelocitygradientdu/dymayalsobevisualizedastherateatwhichonelayermovesrelativetoanadjacentlayer.Indifferentialform,
(1-1)
istherelationbetweenshearstressandrateofangulardeformationforone-dimensionalflowofafluid.Theproportionalityfactorμiscalledtheviscosityofthefluid,andEq.(1-1)isNewton’slawofviscosity.
紧贴固体边壁的流体其速度与边壁速度相同,也就是说交界处并无滑移,这一事实已为不同流体和不同边壁材料进行的千万次试验所证实。
面积abcd里的流体流到新的位置ab′c′d处,各流体质点均平行于平板运动,其速度u从固定平板上的零值均匀地变化到上板处的U。
实验表明,保持其他参数不变,F正比于AU,且反比于厚度t。
可以表示成公式形式:
式中μ是与特定流体有关的比例系数,令τ=F/A代表剪切应力,则有
比值U/t是线段ab的角速度,或者说是流体的角变形速度,即角bad减小的速度。
角速度也可以表达为du/dy,,因为U/t和du/dy这两者都表示的是速度的变化量除以发生该变化所需的距离。
然而,du/dy更具普遍性,因为它适用于角速度和切应力随y变化的情况。
速度梯度du/dy还可以形象地看作是某层相对于其邻层流体间的速度。
表示成微分形式为:
上式即为流体一元流动中切应力同角变形率间的关系。
比例系数μ称为流体的粘度。
方程(1-1)称为牛顿粘性定律。
Materialsotherthanfluidscannotsatisfythedefinitionofafluid.Aplasticsubstancewilldeformacertainamountproportionaltotheforce,butnotcontinuouslywhenthestressappliedisbelowitsyieldshearstress.Acompletevacuumbetweentheplateswouldcausedeformationatanever-increasingrate.Ifsandwereplacedbetweenthetwoplates,Coulombfrictionwouldrequireafiniteforcetocauseacontinuousmotion.Hence,plasticsandsolidsareexcludedfromtheclassificationoffluids.
非流体材料就不能满足流体的定义。
塑性物质会随着所施加作用力的大小而发生一定的变形,但当作用其上的切应力小于屈服切应力时,变形即终止。
若两平板间完全真空,变形速率将不断增大。
若将沙粒填充于两平板之间,那么库伦摩擦要求作用力必须超过某一数值才会引起连续运动,因此塑料和固体均无法归入流体的分类。
FluidsmaybeclassifiedasNewtonianornon-Newtonian.InNewtonianfluidthereisalinearrelationbetweenthemagnitudeofappliedshearstressandtheresultingrateofangulardeformation(μconstantinEq.1-1).Innon-Newtonianfluidthereisanonlinearrelationbetweenthemagnitudeofappliedshearstressandtherateofangulardeformation.
流体可分为牛顿流体和非牛顿流体,牛顿型流体中施加的切应力的大小同其所引起的角变形速率之间的关系是线性的(方程1-1中的μ为常数);非牛顿型流体中施加的切应力的大小同其所引起的角变形速率间有着非线性的关系
Anidealplastichasadefiniteyieldstressandaconstantlinearrelationofτtodu/dy.Athixotropicsubstance,suchasprinter’sink,hasaviscositythatisdependentupontheimmediatelypriorangulardeformationofthesubstanceandhasatendencytotakeasetwhenatrest.GasesandthinliquidstendtobeNewtonianfluids,whilethicklong-chainedhydrocarbonsmaybenon-Newtonnian.
理想塑性流体有一确定的屈服应力,同时其中的τ与du/dy之间有一定的线性关系。
触变性物质,如油墨之类,其粘度依该物质当时经历的角变形而定,且在静止不动时趋于凝聚态。
各种气体和稀薄液体近乎牛顿型流体,而粘稠的长链碳氢化合物则常为非牛顿型流体。
Forpurposesofanalysis,theassumptionisfrequentlymadethatafluidisnonviscous.Withzeroviscositytheshearstressisalwayszero,regardlessofthemotionofthefluid.Ifthefluidisconsideredtobenonviscous,itisthencalledanidealfluid.
为了分析为题起见,通常假定流体是无粘性的。
粘度为零时,不管流体是否流动,切应力总等于零。
若把流体看成是无粘性的,那么这就称为理想流体。
Fluidflowmaybeclassifiedinmanyways,suchassteadyornonsteady,rotationalorirrotational,compressibleorincompressible,andviscousornonviscous.
流体的流动可用多种方式加以分类,如定常流或非定常流;有旋流或无旋流;可压缩流或不可压缩流;以及粘性流动或无粘性流等。
Fluidflowcanbesteadyornonsteady.Whenthefluidvelocityatanygivenpointisconstantintime,thefluidmotionissaidtobesteady.Thatis,atanygivenpointinasteadyflowthevelocityofeachpassingfluidparticleisalwaysthesame.Atsomeotherpointaparticlemaytravelwithadifferentvelocity,buteveryotherparticlewhichpassesthissecondpointbehavestherejustasthisparticledidwhenitpassedthispoint.Theseconditionscanbeachievedatlowflowspeeds,agentlyflowingstreamisanexample.Innonsteadyflow,asinatidalbore,thevelocitiesareafunctionofthetime.Inthecaseofturbulentflow,suchasrapidsorawaterfall,thevelocitiesvaryerraticallyfrompointtopointaswellasfromtimetotime.
流体的流动可以是定常的或非定常的。
如果在任一给定点处流体的速度不随时间而变化,这种流体的流动就称为定常流,也就是说流经定常流中任一给定点的每一流体质点的速度总是相同的;在另一点上某质点的流动速度可能不同,但任一通过该第二点上的其它质点恰好同该质点经过此点时的速度相同。
在低的流动速度下就可能出现这种情形,徐缓的溪流便是其中一例。
非定常流方面,可以举出涨潮时的激浪为例,其速度是时间的函数,诸如激流或瀑布—紊流情形里,各点间以及不同时刻下的速度均变化不定。
Fluidflowcanberotationalorirrotational.Iftheelementoffluidateachpointhasnonetangularvelocityaboutthatpoint,thefluidflowisirrotational.Wecanimagineasmallpaddlewheelimmersedinthemovingfluid.Ifthewheelmoveswithoutrotating,themotionisirrotational;otherwiseitisrotational.Rotationalflowincludesvortexmotion,suchaswhirlpools.
流体流动可以是有旋的或者无旋的。
如果每个点上的流体微团绕该店均无净角速度,这时的流体流动便是无旋的;我们不妨设想在运动流体中有一个小的自行车蹬,只要车蹬运动时不发生旋转,这种运动便是无旋的,否则就是有旋的,有旋运动包含像一些漩涡那样的涡旋运动。
Fluidflowcanbecompressibleorincompressible.Liquidscanusuallybeconsideredasflowingincompressible.Butevenahighlycompressiblegasmaysometimesundergounimportantchangesindensity.Itsflowisthenpracticallyincompressible.Inflightatspeedsmuchlowerthanthespeedofsoundinair(describedbysubsonicaerodynamics),themotionoftheairrelativetothewingsisoneofnearlyincompressibleflow.
流体可以是可压缩的或者不可压缩的。
各种液体通常可作为不可压缩流动看待。
不过即使是某种有高度压缩性的气体,有时它的密度并未表现出多大的变化,这样的流体实际上仍是不可压缩的。
飞行速度远小于空气中的声速时(用亚声速空气动力学来描述),空气相对于飞机机翼的运动便是一种不可压缩流动。
Fluidflowcanbeviscousornonviscous.Viscosityinfluidmotionistheanalogyoffrictioninthemotionofsolids.Inmanycases,suchasinlubricationproblems,itisextremelyimportant.Sometimes,however,itisnegligible.Viscosityintroducestangentialforcesbetweenlayersoffluidinrelativemotionandresultsindissipationofmechanicalenergy.
流体流动还可以是粘性的或者无粘性的。
流体流动中的粘性可以比作固体运动中的摩擦。
许多情形里,比如在润滑问题中这是极其重要的,但有时又可以予以忽略。
粘性引起流体相对运动各层间的切向力,从而导致了机械能的损耗。
2.1BasicConceptsofThermodynamics
热力学的基本概念
Mostapplicationsofthermodynamicsrequirethatthesystemanditssurroundingsbedefined.Athermodynamicsystemisdefinedasaregioninspaceoraquantityofmatterboundedbyaclosedsurface.Thesurroundingsincludeeverythingexternaltothesystem,andthesystemisseparatedfromthesurroundingsbythesystemboundaries.Theseboundariescanbeeithermovableorfixed;eitherrealorimaginary.
热力学的应用大部分都要求对系统及其环境进行定义,热力系统定义为空间的某一区域或某一封闭面包围的物质质量,环境则包括系统外面的一切物体,系统和环境由系统分界面分隔开。
这些分界面可以是运动的也可以是固定不变的,可以是实际存在的也可以是假想的。
Twomasterconceptsoperateinanythermodynamicsystem,energyandentropy.Entropy(s)measuresthemoleculardisorderofagivensystem.Themoreshuffledasystemis,thegreateritsentropy;conversely,anorderlyorunmixedconfigurationisoneoflowentropy.
两个主要概念在任何热力系统中都适用,即能量和熵。
熵计量某一给定系统内分子的无序(程度),系统越混乱,它的熵就越大。
相反,有序或不混乱的结构是一个低熵系统。
Energyisthecapacityforproducinganeffect,andcanbecategorizedintoeitherstoredortransientforms.Storedformsofenergyinclude:
能量是产生某一效果的能力,并且可以分为储存能和瞬时能两类。
储存型能量包括:
thermal(internal)energy,u–theenergy(possessedbyasystem)causedbythemotionofthemoleculesand/orintermolecularforces;
热(内)能,u--由于分子运动和/或分子之间的作用力,系统所具有的能量。
potentialenergy,P.E.–theenergypossessedbyasystemcausedbytheattractiveforcesexistingbetweenmolecules,ortheelevationofthesystem:
P.E.=mgz(2-1)
wherem=mass
g=localaccelerationofgravity
z=elevationaboveahorizontalreferenceplane
势能,P.E.--由于分子间存在的吸引力或系统的高度,系统所具有的能量。
P.E.=mgz(2-1)
式中m=质量;
g=当地重力加速度;
z=相对于水平参考面的高度。
kineticenergy,K.E.–theenergypossessedbyasystemcausedbythevelocityofthemolecules;
K.E.=mv2/2(2-2)
wherem=mass
v=velocityofthefluidstreamscrossingsystemboundaries
动能,K.E.--由于分子速度,系统所具有的能量
K.E.=mv2/2(2-2)
式中m=质量;
v=穿过系统边界的流体速度。
chemicalenergy,Ec–energypossessedbythesystemcausedbythearrangementofatomscomposingthemolecules.
化学能,Ec--由于组成分子的原子的排列
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