[科普中国]-传递性质

传递性质一般特指流体的传递性质，当流体由于某种原因，处于一种非平衡状态时，流体系统会通过某种机理，自发地产生一种过程，使流体趋向一个新的平衡态。流体的这种自发地由非平衡态向平衡态转变的性质，通常称为流体的传递性质。

简介当流体由于某种原因，处于一种非平衡状态时，流体系统会通过某种机理，自发地产生一种过程，使流体趋向一个新的平衡态。比如，当流体各层间的速度不同时，粘性切应力将引起流层间动量传递，使各层速度趋向均匀。当流体各处温度不同时，流体内将发生传热，使其温度趋向均匀。当流体各处的密度不同时，扩散造成的质量传递使流体各处的密度趋向均匀。流体的这种自发地由非平衡态向平衡态转变的性质，通常称为流体的传递性质。

流体的传递性质，主要指动量传递、能量传递和质量传递。在宏观上，这三种传递表现为粘滞现象、导热现象和扩散现象，并遵循各自的规律。这种传递性质产生的原因是分子的无规则热运动和分子间的相互碰撞。分子在无规则运动的过程中，将原先所在区域的流体宏观性质输运到另一区域，再通过分子间的相互碰撞，交换和传递各自的物理量，从而形成新的平衡。1

动量传递当流体流动时，若相邻各层流体的速度不同，相邻两层流体间将互施作用力以阻碍流体层之间的相对运动，这种现象称为粘滞现象。这种抵抗流体元形变的力称为粘性应力。

牛顿粘性定律流体的粘滞现象遵循牛顿粘性定律。1687年，艾萨克·牛顿发表了一项有关剪切流动的实验结果。该实验装置为两块浸没在粘性流体中的平板。两板平行放置，相距h。由于平板面积足够大，故平板四周边界的影响可以忽略。固定下平板不动，使上平板在其自身平面内以恒定速度“向右运动，则上下两平板间微元的速度分布如图1.4所示。

该实验结果指出：对于多数流体，y = c平面的负方向侧流体施加给正方向流体的粘性作用力F与速度梯度 和作用面积A成正比，即：

式中：

——垂直于速度梯度的粘性力的作用面积，该面与速度梯度垂直，m2；

——比例系数，称为流体的动力粘性系数，简称粘度，Pa·s；

负号表示若 ，则y = c平面下方流体施加给该面上方流体粘性力的方向与x轴的负方向相同。

单位面积上的粘滞力称为粘性应力，以 表示。则y = c平面正方向侧流体对负方向侧流体的粘性应力沿x轴方向的分量为 ，负方向侧流体对正方向侧流体的粘性应力沿x轴方向的分量为 。

许多情况下，u和y的关系并非线性，可以用速度梯度 代替 ，于是有

这就是著名的牛顿粘性定律。

流体的动力粘性系数动力粘性系数是流体的重要物理性质之一，它是流体组成和状态(（压力、温度）的函数。利用气体动力学理论可粗略推算流体的动力粘性系数与流体分子运动微观量之间的关系，即

式中

——流体的动力粘性系数，Pa·s；

——流体的密度，kg/m3；

——分子运动平均速度，m/s；

——分子运动平均自由程，m。

液体的动力粘性系数较气体要大得多。随温度升高，液体分子间吸引力减小，动力粘性系数也减小。而气体则随温度的增高，热运动加剧，动量交换加快，粘性增大。通常情况下，压力对粘性的影响很小，但在高压作用下流体的动力粘性系数随压强的增加而增加。

牛顿型流体与非牛顿型流体凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，否则为非牛顿型流体。所有气体和大多数低相对分子质量的液体均属牛顿型流体，如水、空气等；而某些高分子溶液、油漆、血液等则属非牛顿型流体。非牛顿流体与牛顿流体具有不同的流动特性。

理想流体与粘性流体自然界中存在的流体都具有一定的粘性，称为实际流体或粘性流体。粘性的存在给流体运动的数学描述和处理带来很大困难。因此，当流体的粘性较小（如水、空气等），或各层流体运动的相对速度也不大时，所产生的粘性应力较之其他的作用力（如惯性力等）可忽略不计，这时可近似地把流体看成是无粘性的，以方便地求出流体运动规律。这种粘性系数等于零的流体称为理想流体或无粘性流体。理想流体虽然事实上不存在，但这种抽象模型却有着重大的理论和实际意义：在一些粘性并不起重要作用的情况下（如考虑绕流物体的升力问题），忽略粘性可简化问题，所得到的结果与实际出入也不大；在粘性影响不可忽视的情况下（如绕流物体的大雷诺数流动），也可先采用理想流体模型分析远离固体器壁处的运动规律，再考虑粘性对固体器壁附近流场的影响，最后加以修正。许多粘性流体力学问题往往都是以理想流体的运动规律为基础，再进一步研究分析解决的。1

能量传递导热现象遵循傅里叶（Fourier）定律。如图1.5所示，设在流体中相距为 的上下平面上，温度分别稳定地保持为 和 ，且 > ，由于分子的热运动，将有热量从上方到下方传递，且满足

式中:：

Q——单位时间内通过面积A的热量，W；

A——热量通过最多的面积，该面与温度梯度垂直，m2；

k——流体的导热系数，W/(m·K)。

负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。

单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度口（或称面积热流量），单位为W/m2。当物体的温度仅在x方向发生变化时，热流密度的表达式为

这就是傅里叶导热定律。1

质量传递当流体的密度分布不均匀时，流体的分子会从高密度处向低密度处迁移，这种现象就是流体的扩散。流体的扩散包括自扩散和互扩散两类。其中自扩散是指在单组分流体中，因流体自身密度差所引起的扩散；互扩散则是指在包含多组分的混合流体中，因各组分各自的浓度差而在其他组分中所引起的扩散。在解决实际的传质问题时，互扩散比自扩散的作用更为重要。

如图1.6所示，假定流体的密度分布函数为 ，其梯度为 。由于分子的热运动，流体将从上方向下方扩散，这种流体的扩散遵守菲克定律，即

式中

——流体沿y轴方向的质量扩散通量（单位时间内通过单位面积的物质质量），kg/(m2·s)；

D ——流体的扩散系数，m2/s，量纲为L2/t。

对于含有A、B两种组分的混合流体，其菲克定律可表示为

式中，和分别表示组分A在组分B中的质量扩散通量和扩散系数。类似粘度系数和热传导系数，可以推算流体的扩散系数，即1

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学