流体传输特性：探讨流体在传输过程中的特点

流体由非平衡态转向平衡态时物理量的传递性质，称为流体的传输特性。流体的传输特性，主要指动量输运、能量输运、质量输运。从宏观上看，它们分别表现为粘滞现象、导热现象、扩散现象，并具有各自的宏观规律。

1.动量输运（粘滞现象）

（1）牛顿粘性定律 对于平行于x轴的水平流动，当各层流体的速度不同时，任意两层流体之间将互施作用力以阻碍各层流体之间的相互运动，这种现象称为粘滞现象。

设在两相距h的平行平板之间充满粘性流体，若令下平板固定不动，而使上平板在其自身平面内以等速u向右运动，则附于上下平板的流体质点其速度分布为u及0。两平板间的速度分布如图1-4所示。

图1-4 两平板间的速度分布

实验表明，使上平板以速度u运动的外力为F，则该力与速度u及平板面积A成正比，与平板间距h成反比，即

或

式中，u/h是速度梯度。一般而言，当速度分布为u（y）时，流体层y处的剪切力为

式中，是速度梯度；μ是动力粘度，其值随流体不同而不同。μ的法定单位为Pa·s。

（2）温度、压力对流体粘度的影响

1）温度的影响。对于液体，温度升高时，分子间的间隙增大，吸引力减小，定居时间减小，粘度也减小。对于气体，温度增高，热运动加剧，动量交换加快，粘度增大。

2）压力的影响。压力对流体粘度的影响很小，但在高压作用下，流体的粘度均随压力的增加而增加。

（3）动力粘度μ、运动粘度ν工程中除了用动力粘度μ外，还常用到运动粘度ν，它是动力粘度系数μ与流体密度ρ之比，即

ν=μ/ρ （1-34）

运动粘度ν的法定单位是m²/s。表1-8列出一些流体的动力粘度μ及运动粘度ν值。(www.xing528.com)

表1-8 一些流体的动力粘度μ及运动粘度ν值

（4）无粘性流动 实际流体都是有粘性的，但若流体的粘度很小，而且流场中速度梯度不大，这时流场中出现的粘性力很小，可以将这种流体流动近似地认为是无粘性流动。

2.质量输运（扩散现象）

当流体的密度分布不均匀时，流体的质量就会从高密度区迁移到低密度区，这种现象称为扩散现象。一般分为两类：一类是在单组分流体中，由于其自身密度差所引起的扩散，称为自扩散；另一类是在两种组分的混合介质中，由于各组分的各自密度差在另一组分中所引起的扩散，称为互扩散。

（1）自扩散与自扩散系数 自扩散是由于自身密度差所引起的扩散现象。当流体分子进行动量与热能交换时，也同时伴有质量的交换，因此质量输运的机理与动量和热能输运的机理完全相同。

（2）互扩散与菲克扩散定律 互扩散是指在两种组分的混合介质中，由于各组分各自的密度差在另一组分中所引起的扩散现象。

A、B组分中每单位面积的质量扩散量及扩散系数分别用j_AB和D_AB表示。扩散系数D_AB的单位为m²/s，它的大小与压力、温度和混合物的成分有关。一般，液体的扩散系数比气体的小几个数量级，j_AB的单位为kg/s。表1-9与表1-10列出几种物质在空气和水中的扩散系数。

表1-9 几种物质在空气中的扩散系数

表1-10 几种物质在水中的扩散系数

流体的动量、热能和质量三种传输特性，都是通过分子的热运动及分子的相互碰撞，输运了它们原先所在区域的宏观性质，从而使原先区域的状态不平衡渐渐趋向状态平衡。在宏观上，三种传输特性的规律、表达式的结构相类似，即

粘性　牛顿定律

热传导 傅里叶定律

扩散 菲克第一定律

三种输运过程均为不可逆过程，且这些分子输运现象主要在层流流动中考虑。一旦流动为湍流，由于湍流输运远较分子输运强烈，分子输运常常予以忽略。