工程流體力學(xué)1

1、1,歡迎進(jìn)入,2,目 錄,第三章 流體動力學(xué)基礎(chǔ),第四章 不可壓縮流體的有旋流動和二維無旋流動,第五章 不可壓縮流體二維邊界層概述,第二章 流體靜力學(xué),第一章 導(dǎo) 論,第六章 黏性流體的一維定常流動,第七章 氣體一維高速流動,英漢詞匯表,返回,3,4,第一節(jié) 流體力學(xué)的任務(wù)及發(fā)展概況,流體力學(xué)是一門基礎(chǔ)性很強(qiáng)和應(yīng)用性很廣的學(xué)科，是力學(xué)的一個重要分支。它的研究對象隨著生產(chǎn)的需要與科學(xué)的發(fā)展在不斷地更新、深化和擴(kuò)大。60年代以前，它主要圍繞航空、航天、大氣、海洋、航運(yùn)、水利和各種管路系統(tǒng)等方面，研究流體運(yùn)動中的動量傳遞問題，即局限于研究流體的運(yùn)動規(guī)律，和它與固體、液體或大氣界面之間的相互作用力問題

2、。60年代以后，能源、環(huán)境保護(hù)、化工和石油等領(lǐng)域中的流體力學(xué)問題逐漸受到重視，這類問題的特征是：尺寸小、速度低，并在流體運(yùn)動過程中存在傳熱、傳質(zhì)現(xiàn)象。這樣，流體力學(xué)除了研究流體的運(yùn)動規(guī)律以外，還要研究它的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律。同樣，在固體、液,5,液體或氣體界面處，不僅研究相互之間的作用力，而且還需要研究它們之間的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律。 工程流體力學(xué)是研究流體（液體、氣體）處于平衡狀態(tài)和流動狀態(tài)時的運(yùn)動規(guī)律及其在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。 流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論由三部分組成。一是流體處于平衡狀態(tài)時，各種作用在流體上的力之間關(guān)系的理論，稱為流體靜力學(xué)；二是流體處于流動狀態(tài)時，作用在流體上的力和流動之間關(guān)系的理論，稱

3、為流體動力學(xué)；三是氣體處于高速流動狀態(tài)時，氣體的運(yùn)動規(guī)律的理論，稱為氣體動力學(xué)。工程流體力學(xué)的研究范疇是將流體流動作為宏觀機(jī)械運(yùn)動進(jìn)行研究，而不是研究流體的微觀分子運(yùn)動，因而,6,在流體動力學(xué)部分主要研究流體的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒及轉(zhuǎn)換等基本規(guī)律。 流體力學(xué)在工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。在能源、化工、環(huán)保、機(jī)械、建筑（給排水、暖通）等工程技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計、施工和運(yùn)行等方面都涉及到流體力學(xué)問題。不同 工程技術(shù)領(lǐng)域的流體力學(xué)問題有各自不同的特點(diǎn)，概括起來主要有三種不同流動形式：一是有壓管流，如流體在管道中的流動；二是繞流，如流體在流體機(jī)械中繞過翼型的流動；三是射流，如流體從孔口或管嘴噴出的流動

4、。流體力學(xué)就是要具體地研究流體流動形式中的速度分布、壓力分布、能量損失，以及流體同固體之間的相互作用，同時也要研究流體平衡的條件。,7,流體力學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科，同其他自然科學(xué)一樣是人類為了滿足自身生活和生產(chǎn)的需要，在認(rèn)識與改造自然的斗爭中，隨著實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，技術(shù)與知識水平的不斷提高才形成和發(fā)展起來的，有著漫長的發(fā)展歷程。其發(fā)展既依賴于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，又受到許多社會因素的影響。我國是世界上三大文明古國之一，有著悠久的歷史和燦爛的文化，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要，遠(yuǎn)在兩三千年以前，古代勞動人民就利用孔口出流的原理發(fā)明了刻漏、 銅壺滴漏（西漢時期的計時工具）。同時又發(fā)明了水磨、水碾等。在唐代以

5、前，我國就出現(xiàn)了水輪翻車，宋元時代出現(xiàn)的水輪大紡車比英國早四五百年(英國在1796年發(fā)明)。北宋時期，在運(yùn)河上修建的真州復(fù)閘，與14世紀(jì)末在荷蘭出現(xiàn)的同類船閘相比約早300多年。清朝雍正年,8,間，何夢瑤在算迪一書中提出了流量為過水?dāng)嗝嫔掀骄魉俪艘赃^水?dāng)嗝婷娣e的計算方法。我國在防止水患、興修水利方面也有著悠久的歷史。相傳4000多年前的大禹治水，就表明我國古代進(jìn)行過大規(guī)模的防洪工作。在公元前256年至前210年間修建的都江堰、鄭國渠和靈渠三大水利工程，兩千多年來效益卓著。以上都說明了我國勞動人民的聰明智慧，當(dāng)時對流體流動規(guī)律的認(rèn)識已達(dá)到相當(dāng)高的水平。14世紀(jì)以前，我國的科學(xué)技術(shù)在世界上是處于

6、領(lǐng)先地位的。但是，近幾百年來由于閉關(guān)鎖國使我國的科學(xué)得不到應(yīng)有的發(fā)展，以致在流體力學(xué)方面由古代的領(lǐng)先 地位而落在后面。 有明確記載的最早的流體力學(xué)原理是在公元前250年，希臘數(shù)學(xué)家及力學(xué)家阿基米德（Archimedes）發(fā)表,9,了一篇“論浮體”的論文，提出了浮體定律，這是流體力學(xué)的第一部著作。由于奴隸制、神權(quán)和宗教觀念的束縛，直到15世紀(jì)文藝復(fù)興時期，尚未形成系統(tǒng)的理論。16世紀(jì)以后，在歐洲由于封建制度的崩潰，資本主義開始萌芽，生產(chǎn)力有了發(fā)展。在城市建設(shè)、航海和機(jī)械工業(yè)發(fā)展需要的推動下，逐步形成近代的自然科學(xué)，流體力學(xué)也隨之得到發(fā)展。意大利的達(dá)芬奇(Vinci，L. da)是文藝復(fù)興時期出類

7、拔萃的美術(shù)家、科學(xué)家兼工程師，他倡導(dǎo)用實(shí)驗(yàn)方法了解水流性態(tài)，并通過實(shí)驗(yàn)描繪和討論了許多水力現(xiàn)象，如自由射流、旋渦形成原理等等。1612年伽利略（Galilei）提出了潛體的沉浮原理；1643年托里拆利(Torricelli，E)給出了孔口泄流的公式；1650年帕斯卡(Pascal，B)提 出液體中壓力傳遞的定理；1686年牛頓（Newton,I.）發(fā),10,表了名著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理對普通流體的黏性性狀作了描述，即現(xiàn)代表達(dá)為黏性切應(yīng)力與速度梯度成正比牛頓內(nèi)摩擦定律。為了紀(jì)念牛頓，將黏性切應(yīng)力與速度梯度成正比的流體稱為牛頓流體。 18世紀(jì)19世紀(jì)，流體力學(xué)得到了較大的發(fā)展，成為獨(dú)立的一門學(xué)科。古

8、典流體力學(xué)的奠基人是瑞士數(shù)學(xué)家伯努利(Bernoulli，D)和他的親密朋友歐拉(Euler，L.)。1738年，伯努利推導(dǎo)出了著名的伯努利方程，歐拉于17 55年建立了理想流體運(yùn)動微分方程，以后納維(Navier,C .-L.-M.-H.)和斯托克斯(Stokes，GG)建立了黏性流體運(yùn)動微分方程。拉格朗日（Lagrange）、拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gosse)等人，將歐拉和伯努利所開創(chuàng)的新興的流體動力學(xué)推向完美的分析高度。但當(dāng)時由于理論的假設(shè)與,11,實(shí)際不盡相符或數(shù)學(xué)上的求解困難，有很多疑難問題不能 不能從理論上給予解決。 19世紀(jì)末以來，現(xiàn)代工業(yè)迅猛發(fā)展，生產(chǎn)實(shí)踐要求理論與

9、實(shí)際更加密切結(jié)合才能解決問題。1883年，雷諾(Reynolds，O.)用不同直徑的圓管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了黏性流體的流動，提出了黏性流體存在層流和紊流兩種流態(tài)，并給出了流態(tài)的判別準(zhǔn)則雷諾數(shù)。12年后，他又引進(jìn)紊流（或雷諾）應(yīng)力的概念，并用時均方法，建立了不可壓縮流體作紊流運(yùn)動時所應(yīng)滿足的方程組，雷諾的研究為紊流的理論研究奠定了基礎(chǔ)。1891年，蘭徹斯特（F.W.）提出速度環(huán)量產(chǎn)生升力的概念，這為建立升力理論創(chuàng)造了條件，他也是第一個提出有限翼展機(jī)翼理論的人。 進(jìn)入20世紀(jì)以后，流體力學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)研究除了在,12,已經(jīng)開始的各個領(lǐng)域繼續(xù)開展以外，在發(fā)展航空航天事業(yè)方面取得了迅猛的發(fā)展。在運(yùn)動物體的

10、升力方面，庫塔（W.M.）和儒可夫斯基（N.E.）分別在1902年和1906年 獨(dú)立地提出特殊的與一般的庫塔儒可夫斯基定理和假定，奠定了二維升力理論的基礎(chǔ)。至于運(yùn)動物體的阻力問題，至此仍缺乏完善的理論，人們普遍認(rèn)為：尾渦是物體阻力的主要來源，遂將注意力轉(zhuǎn)向物體尾流的研究。1912年，卡門（T.von）從理論上分析了渦系（即卡門渦街）的穩(wěn)定性。1904年普朗特(Prandtl，L.)提出了劃時代的邊界層理論，使黏性流體概念和無黏性流體概念協(xié)調(diào)起來，使流體力學(xué)進(jìn)入了一個新的歷史階段。 20世紀(jì)中葉以后，流體力學(xué)的研究內(nèi)容，有了明顯的轉(zhuǎn)變，除了一些較難較復(fù)雜的問題，如紊流、流動穩(wěn)定性,13,與過渡、

11、渦流動力學(xué)和非定常流等繼續(xù)研究外，更主要的是轉(zhuǎn)向研究石油、化工、能源、環(huán)保等領(lǐng)域的流體力學(xué)問題，并與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成許多新分支或交叉學(xué)科，如計算流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)、可壓縮氣體力學(xué)、磁流體力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、生物流體力學(xué)、多相 流體力學(xué)、物理-化學(xué)流體力學(xué)、滲流力學(xué)和流體機(jī)械流體力學(xué)等。一般來說，這些新的分支或交叉學(xué)科所研究的現(xiàn)象或問題都比較復(fù)雜，要想很好地解決它們，實(shí)際上是對流體力學(xué)研究人員的一次大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的流體力學(xué)運(yùn)動方程組不能完全準(zhǔn)確地描述這些現(xiàn)象和新問題，試圖用現(xiàn)有的方程組和純計算的方法去解決這些問題是相當(dāng)困難的，唯一可行的道路是采用純實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)與計算相結(jié)合的方法。近

12、年來在一些分支或交叉學(xué)科（如多相流等）中采,14,用這種方法，獲得了較好的效果，大大推動了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。 13世紀(jì)以前，我國在流體力學(xué)原理的應(yīng)用方面做出了巨大貢獻(xiàn)，曾領(lǐng)先于世界。新中國建立以后，隨著工農(nóng)業(yè)的建設(shè)，在這方面的工作得到迅猛發(fā)展，建造了眾多的各級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，不僅解決了無數(shù)的生產(chǎn)實(shí)際問題，而且還培養(yǎng)了一支具有較高水平的理論和實(shí)驗(yàn)隊(duì)伍。完全可以相 信在今后的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)事業(yè)中，通過流體力學(xué)工作者的不斷努力，我國的流體力學(xué)事業(yè)必將有更大的發(fā)展。,15,第二節(jié) 流體的特征和連續(xù)介質(zhì)假設(shè),一 流體的定義和特征 物質(zhì)常見的存在狀態(tài)是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，處在這三種狀態(tài)下的物質(zhì)分別稱為固體、液

13、體和氣體。通常說能流動的物質(zhì)為流體，液體和氣體易流動，我們把液體和氣體稱之為流體。但這樣說是不嚴(yán)格的，嚴(yán)格地說應(yīng)該用力學(xué)的語言來敘述：在任何微小剪切力的持續(xù)作用下能夠連續(xù)不斷變形的物質(zhì)，稱為流體。根據(jù)上述定義，流體顯然不能保持一定的形狀，即具有流動性。但流體在靜止時不能承受切向力，這顯然與固體不同。固體在靜止時也能承受切向力，發(fā)生微,16,微小變形以抗拒外力，一直達(dá)到平衡為止。只要作用力保持不變，固體的變形就不再變化。 流體和固體具有上述不同性質(zhì)是由于分子間的作用力不同造成的。在相同體積的固體和流體中，流體所含的分子數(shù)目比固體少得多，分子間的空隙就大得多，因此流體分子間的作用力小，分子運(yùn)動強(qiáng)烈

14、，從而決定了流體具有流動性和不能保持一定形狀的特性。 流體中所包括的液體和氣體除具有上述共同特性外，還具有如下的不同特性：液體的分子距和分子的有效直徑差不多是相等的，當(dāng)對液體加壓時，只要分子距稍有縮小，分子間的斥力就會增大以抵抗外壓力。所以，液體的分子距很難縮小，即液體很不易被壓縮，以致一定重量的液體具有一定的體積，液體的形狀取決于容器的形狀，并且由于分子間吸引力的,17,作用，液體有力求自身表面積收縮到最小的特性。所以，當(dāng)容器的容積大于液體的體積時，液體不能充滿容器，故在重力的作用下，液體總保持一個自由表面(或稱自由液面)，通常稱為水平面。 氣體的分子距比液體的大，在0、1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)（1

15、01325Pa）下，氣體的平均分子距約為3.3 10 -7cm，其分子平均直徑約為2.510-8cm，分子距比分子平均直徑約大十倍。因此，只有當(dāng)分子距縮小很多時，分子間才會出現(xiàn)斥力?？梢?，氣體具有很大的壓縮性。此外，因其分子距與分子平均直徑相比很大，以致分子間的吸引力微小，分子熱運(yùn)動起決定性作用，所以氣體沒有一定形狀，也沒有一定的體積，它總是能均勻充滿容納它的容器而不能形成自由表面。,18,二、流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 從微觀角度看，流體和其它物體一樣，都是由大量不連續(xù)分布的分子組成，分子間有間隙。但是，流體力學(xué)所要研究的并不是個別分子的微觀運(yùn)動，而是研究由大量分子組成的宏觀流體在外力作用下的宏觀運(yùn)動

16、。因此，在流體力學(xué)中，取流體微團(tuán)來作為研究流體的基元。所謂流體微團(tuán)是一塊體積為無窮小的微量流體，由于流體微團(tuán)的尺寸極其微小，故可作為流體質(zhì)點(diǎn)看待。這樣，流體可看成是由無限多連續(xù)分布的流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。這種對流體的連續(xù)性假設(shè)是合理的，因?yàn)樵诹黧w介質(zhì)內(nèi)含有為數(shù)眾多的分子。例如，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，lmm3氣體中有2.7 1016個分子；lmm3的液體中有310 19個分子?？梢姺肿娱g的間隙是極其微小的。因此在研究流體宏觀運(yùn)動時，可,19,可以忽略分子間的間隙，而認(rèn)為流體是連續(xù)介質(zhì)。 當(dāng)把流體看作是連續(xù)介質(zhì)后，表征流體性質(zhì)的密度、速度、壓強(qiáng)和溫度等物理量在流體中也應(yīng)該是連續(xù)分布的。這樣，可將流體的各

17、物理量看作是空間坐標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)，從而可以引用連續(xù)函數(shù)的解析方法等數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡和運(yùn)動規(guī)律。 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)對大部分工程技術(shù)問題都是適用的，但對某些特殊問題則不適用。例如，火箭在高空非常稀薄的氣體中飛行以及高真空技術(shù)中，其分子距與設(shè)備尺寸可以比擬，不再是可以忽略不計了。這時不能再把流體看成是連續(xù)介質(zhì)來研究，需要用分子動力論的微觀方法來研究。本書只研究連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)規(guī)律。,20,第三節(jié) 流體的主要物理性質(zhì),一 流體的密度 1、流體的密度 流體的密度是流體的重要屬性之一，它表征流體在空間某點(diǎn)質(zhì)量的密集程度，流體的密度定義為：單位體積流體所具有的質(zhì)量，用符號來表示。 對于流體中

18、各點(diǎn)密度相同的均質(zhì)流體，其密度 （1-1） 式中： 流體的密度，kg/m3； 流體的質(zhì)量，kg； 流體的體積，m3。,21,對于各點(diǎn)密度不同的非均質(zhì)流體，在流體的空間中某點(diǎn)取包含該點(diǎn)的微小體積 ，該體積內(nèi)流體的質(zhì)量 則該點(diǎn)的密度為 （1-2） 2、流體的相對密度 流體的相對密度是指某種流體的密度與4時水的密度的比值，用符號d來表示。 （1-3） 式中： 流體的密度，kg/m3； 4時水的密度，kg/m3。 表1-1和表1-2列出了一些常用液體、氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的物理性質(zhì)。,22,表1-1 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下常用液體的物理性質(zhì),23,表1-2 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20常用氣體性質(zhì),24,二 流體的壓縮

19、性和膨脹性 隨著壓強(qiáng)的增加，流體體積縮??；隨著溫度的增高，流體體積膨脹，這是所有流體的共同屬性，即流體的壓縮性和膨脹性。 1、流體的膨脹性 在一定的壓強(qiáng)下，流體的體積隨溫度的升高而增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。流體膨脹性的大小用體積膨脹系數(shù) 來表示，它表示當(dāng)壓強(qiáng)不變時，升高一個單位溫度所引起流體體積的相對增加量，即 （1-4） 式中 流體的體積膨脹系數(shù)，1/，1/K；,25,流體溫度的增加量，K； 原有流體的體積，m3； 流體體積的增加量，m3。 實(shí)驗(yàn)指出，液體的體積膨脹系數(shù)很小，例如在9.8 104Pa下，溫度在110范圍內(nèi)，水的體積膨脹系數(shù)=1410-61/；溫度在1020范圍內(nèi)，水的體積膨

20、脹系數(shù) =15010-6 1/。在常溫下，溫度每升高1，水的體積相對增量僅為萬分之一點(diǎn)五；溫度較高時，如90100，也只增加萬分之七。其它液體的體積膨脹系數(shù)也是很小的。 流體的體積膨脹系數(shù)還取決于壓強(qiáng)。對于大多數(shù)液體，隨壓強(qiáng)的增加稍為減小。水的在高于50時也隨壓強(qiáng),26,的增加而增大。 在一定壓強(qiáng)作用下，水的體脹系數(shù)與溫度的關(guān)系如 表1-3所示。 表1-3 水的體脹系數(shù) （1/）,27,2、流體的壓縮性 在一定的溫度下，流體的體積隨壓強(qiáng)升高而縮小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。流體壓縮性的大小用體積壓縮系數(shù)k來表示。它表示當(dāng)溫度保持不變時，單位壓強(qiáng)增量引起流體體積的相對縮小量，即 (1-5) 式中 流

21、體的體積壓縮系數(shù)，m2/N； 流體壓強(qiáng)的增加量，Pa； 原有流體的體積，m3； 流體體積的增加量，m3。,28,由于壓強(qiáng)增加時，流體的體積減小，即 與 的變化方向相反，故在上式中加個負(fù)號，以使體積壓縮系數(shù) 恒為正值。 實(shí)驗(yàn)指出，液體的體積壓縮系數(shù)很小，例如水，當(dāng)壓強(qiáng)在(1490)107Pa、溫度在020的范圍內(nèi)時，水的體積壓縮系數(shù)僅約為二萬分之一，即每增加105Pa，水的體積相對縮小約為二萬分之一。表l-4列出了0水在不同壓強(qiáng)下的 值。 表1-4 0水在不同壓強(qiáng)下的 值,29,氣體的壓縮性要比液體的壓縮性大得多，這是由于氣體的密度隨著溫度和壓強(qiáng)的改變將發(fā)生顯著的變化。對于完全氣體，其密度與溫度

22、和壓強(qiáng)的關(guān)系可用熱力學(xué)中的狀態(tài)方程表示，即 （1-6） 式中 氣體的絕對壓強(qiáng)，Pa； 氣體的密度，kg/m3； 熱力學(xué)溫度，K； 氣體常數(shù)，J/(kgK)。 常用氣體的氣體常數(shù)見表1-2。 在工程上，不同壓強(qiáng)和溫度下氣體的密度可按下式計算：,30,(1-7) 式中 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0,101325Pa)下某種氣體的密度。如空氣的 1.293kg/m3；煙氣的 1.34kg/m3。 為在溫度t、壓強(qiáng) N/下，某種氣體的密度。 3、可壓縮流體和不可壓縮流體 壓縮性是流體的基本屬性。任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。液體的壓縮性都很小，隨著壓強(qiáng)和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在

23、大多數(shù)情況下，可以忽略壓縮性的影響，認(rèn)為液體的密度是一個常數(shù)。 =0的流體稱為不可壓縮流體，,31,而密度為常數(shù)的流體稱為不可壓均質(zhì)流體。 氣體的壓縮性都很大。從熱力學(xué)中可知，當(dāng)溫度不變時，完全氣體的體積與壓強(qiáng)成反比，壓強(qiáng)增加一倍，體積減小為原來的一半；當(dāng)壓強(qiáng)不變時，溫度升高1體積就比0時的體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為常數(shù)，而是隨壓強(qiáng)和溫度的變化而變化的。我們把密度隨溫度和壓強(qiáng)變化的流體稱為可壓縮流體。 把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體，都不是絕對的。在實(shí)際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。例如，研究管道中水擊和水下爆炸

24、時，水的壓強(qiáng)變化較大，而且變化過程非常迅速，這,32,時水的密度變化就不可忽略，即要考慮水的壓縮性，把水當(dāng)作可壓縮流體來處理。又如，在鍋爐尾部煙道和通風(fēng)管道中，氣體在整個流動過程中，壓強(qiáng)和溫度的變化都很小，其密度變化很小，可作為不可壓縮流體處理。再如，當(dāng)氣體對物體流動的相對速度比聲速要小得多時，氣體的密度變化也很小，可以近似地看成是常數(shù)，也可當(dāng)作不可壓縮流體處理。 三 流體的黏性和牛頓內(nèi)摩擦定律 1、流體的黏性 黏性是流體抵抗剪切變形的一種屬性。由流體的力學(xué)特點(diǎn)可知，靜止流體不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持續(xù)作用下，流體要發(fā)生連續(xù)不斷地變形。但不同的流體在相同的剪切力作用下其變形速度是不

25、同的，它反映,33,了抵抗剪切變形能力的差別，這種能力就是流體的黏性。 現(xiàn)通過一個實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步說明流體的黏性。將兩塊平板相隔一定距離水平放置，其間充滿某種液體，并使下板固定不動，上板以某一速度u0向右平行移動，如圖1-l所示。由于流體與平板間有附著力，緊貼上板的一薄層流體將以速度u0跟隨上板一起向右運(yùn)動，而緊貼下板的一薄層流體將和下板一樣靜止不動。兩板之間的各流體薄層在上板的帶動下，都作平行于平板的運(yùn)動，其運(yùn)動速度由上向下逐層遞減，由上板的u0減小到下板的零。在這種情況下，板間流體流動的速度是按直線變化的。顯然，由于各流層速度不同，流層間就有相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生切向作用力，稱其為內(nèi)摩擦力。作用在

26、兩個流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力總是成對出現(xiàn)的，即大小相等而方向相反，分別作用,34,圖1-1 流體的黏性實(shí)驗(yàn),35,圖1-1 流體的黏性實(shí)驗(yàn),36,在相對運(yùn)動的流層上。速度較大的流體層作用在速度較小的流體層上的內(nèi)摩擦力F，其方向與流體流動方向相同，帶動下層流體向前運(yùn)動，而速度較小的流體層作用在速度較大的流體層上的內(nèi)摩擦力F，其方向與流體流動方向相反，阻礙上層流體運(yùn)動。通常情況下，流體流動的速度并不按直線變化，而是按曲線變化，如圖1-1虛線所示。 2、牛頓內(nèi)摩擦定律 根據(jù)牛頓(Newton)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果得知，運(yùn)動的流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力(切向力) F 的大小與垂直于流動方向的速度梯度du/dy成正

27、比，與接觸面的面積A成正比，并與流體的種類有關(guān)，而與接觸面上壓強(qiáng)P 無關(guān)。內(nèi)摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為,37,（1-8） 寫成等式為 （1-9） 式中 F 流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力，N； A流體層間的接觸面積，m2； du/dy垂直于流動方向上的速度梯度，1/s； 動力黏度，Pas。 流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為切向應(yīng)力，則 （1-10） 式中切向應(yīng)力，Pa。,38,從式(1-9)可知，當(dāng)速度梯度等于零時，內(nèi)摩擦力也等于零。所以，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度運(yùn)動(流層間沒有相對運(yùn)動)時，內(nèi)摩擦力等于零，此時流體有黏性，流體的黏性作用也表現(xiàn)不出來。當(dāng)流體沒有黏性(=0)時，內(nèi)摩擦力等于零。 在

28、流體力學(xué)中還常引用動力黏度與密度的比值，稱為運(yùn)動黏度用符號表示，即 （1-11） 式中運(yùn)動黏度，m2/s。 常用液體和氣體的動力黏度見表1-1和表1-2。表l-5和表1-6分別給出了水和空氣不同溫度時的黏度。一些常用氣體和液體的動力黏度和運(yùn)動黏度隨溫度的變化見圖1-2,39,和圖1-3。 3、影響?zhàn)ば缘囊蛩?流體黏性隨壓強(qiáng)和溫度的變化而變化。在通常的壓強(qiáng)下，壓強(qiáng)對流體的黏性影響很小，可忽略不計。在高壓下，流體(包括氣體和液體)的黏性隨壓強(qiáng)升高而增大。流體的黏性受溫度的影響很大，而且液體和氣體的黏性隨溫度的變化是不同的。液體的黏性隨溫度升高而減小，氣體的黏性隨溫度升高而增大。造成液體和氣體的黏性

29、隨溫度不同變化的原因是由于構(gòu)成它們黏性的主要因素不同。分子間的吸引力是構(gòu)成液體黏性的主要因素，溫度升高，分子間的吸引力減小，液體的黏性降低；構(gòu)成氣體黏性的主要因素是氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動時，在不同速度分子層間所進(jìn)行的動量交換。溫度越高，氣體分子熱運(yùn)動越強(qiáng)烈,40,動量交換就越頻繁，氣體的黏性也就越大。 4、理想流體的假設(shè) 如前所述，實(shí)際流體都是具有黏性的，都是黏性流體。不具有黏性的流體稱為理想流體，這是客觀世界上并不存在的一種假想的流體。在流體力學(xué)中引入理想流體的假設(shè)是因?yàn)樵趯?shí)際流體的黏性作用表現(xiàn)不出來的場合(像在靜止流體中或勻速直線流動的流體中)，完全可以把實(shí)際流體當(dāng)理想流體來處理。在許多場

30、合，想求得黏性流體流動的精確解是很困難的。對某些黏性不起主要作用的問題，先不計黏性的影響，使問題的分析大為簡化，從而有利于掌握流體流動的基本規(guī)律。至于黏性的影響，則可根據(jù)試驗(yàn)引進(jìn)必要的修正系數(shù)，對由理想流體得出的流動規(guī),41,表1-5 水的黏度與溫度的關(guān)系,42,表1-6 空氣的黏度與溫度的關(guān)系,43,律加以修正。此外，即使是對于黏性為主要影響因素的實(shí)際流動問題，先研究不計黏性影響的理想流體的流動，而后引入黏性影響，再研究黏性流體流動的更為復(fù)雜的情況，也是符合認(rèn)識事物由簡到繁的規(guī)律的?；谝陨现T點(diǎn)，在流體力學(xué)中，總是先研究理想流體的流動，而后再研究黏性流體的流動。 5、黏度的測量 流體的黏度不

31、能直接測量，它們的數(shù)值往往是通過測量與其有關(guān)的其它物理量，再由有關(guān)方程進(jìn)行計算而得到的。由于計算所根據(jù)方程的不同，測量方法有許多種，所要測量的物理量也不盡相同。例如管流法，即讓待測黏度的流體，以一定的流量流過已知管徑的細(xì)管，再在細(xì)管的一定長度上用測壓計測出這段管道上的壓降，從而通過層,44,1-2 流體的動力黏度,45,圖1-3 流體的運(yùn)動黏度,46,流管流的哈根-普索勒（Hagen-Poiseuille）流量定律計算出流體的黏度。落球法，一般用于黏度大的流體。使已知直徑和質(zhì)量的小球沿盛有待測黏度液體的玻璃圓管中心線垂直降落，測量小球在液體中自由沉降的速度，由此速度計算該液體的黏度。旋轉(zhuǎn)法，在

32、兩個有不同直徑的同心圓筒的環(huán)形間隙中，充以待測黏度液體，其中一圓筒固定，另一圓筒以已知角速度旋轉(zhuǎn)，測定出旋轉(zhuǎn)力矩，便可計算出流體的黏度。泄流法，使已知溫度和體積的待測液體通過儀器下部已知管徑的短管自由泄流而出，測定規(guī)定體積的液體全部流出的時間，與同樣體積已知黏度的液體的泄流時間相比較，從而推求出待測液體的黏度。上述幾種流體黏度測定方法的原理和計算公式將在以后有關(guān)章節(jié)中，在敘述有關(guān)基本理論時適當(dāng)予以介紹。這里只簡介工,47,業(yè)上測定各種液體(例如潤滑油等)黏度最常用的測定方法-泄流法，采用的儀器是工業(yè)黏度計，下面介紹工業(yè)黏度計的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)方法。 工業(yè)黏度計有幾種類型。我國目前采用的是恩格勒(En

33、gler)黏度計(歐洲大陸的一些國家，如德國，采用這種黏度計，英國采用Redwood黏度計，美國采用Saybolt黏度計，它們的原理都是一樣的)，其測定結(jié)果為恩氏度，用oE表示，其結(jié)構(gòu)見圖1-4。測定實(shí)驗(yàn)方法如下先用木制針閥將錐形短管的通道關(guān)閉，把220cm3的蒸餾水注入貯液罐1，開啟水箱2中的電加熱器，加熱水箱中的水，以便加熱貯液罐中的蒸餾水,使其溫度達(dá)到20，并保持不變；然后迅速提起針閥，使蒸餾水經(jīng)錐形通道泄入長頸瓶,48,4至容積為200cm3，記錄所需的時間；然后用同樣的程序測定待測液體流出200cm3所需的時間，(待測液體的溫度應(yīng)為給定的溫度)。待測液體在給定溫度下的恩氏度為 （1-

34、12） (cm2/s) （1-13） 【例1-1】 一平板距另一固定平板=0.5mm，二板水平放置，其間充滿流體，上板在單位面積上為=2N/m2的力作用下，以=0.25m/s的速度移動，求該流體的動力黏度。 【解】由牛頓內(nèi)摩擦定律（1-10） 由于兩平板間隙很小，速度分布可認(rèn)為是線性分布，,49,可用增量來表示微分 （Pas） 【例1-2】 長度L=1m，直徑d=200mm水平放置的圓柱體，置于內(nèi)徑D=206mm的圓管中以u=1m/s的速度移動，已知間隙中油液的相對密度為d=0.92，運(yùn)動黏度=5.610-4m2/s，求所需拉力F為多少？ 解】 間隙中油的密度為 （kg/m3） 動力黏度為 （

35、Pas） 由牛頓內(nèi)摩擦定律（1-9）,50,圖1-4 恩格勒黏度計,貯液罐,水箱,電加熱器,長頸瓶,51,由于間隙很小，速度可認(rèn)為是線性分布 （N） 四 液體的表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象 1、表面張力 當(dāng)液體與其它流體或固體接觸時，在分界面上都產(chǎn)生表面張力，出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，例如空氣中的雨滴呈球狀，液體的自由表面好像一個被拉緊了的彈性薄膜等。 表面張力的形成主要取決于分界面液體分子間的吸引力，也稱為內(nèi)聚力。在液體中，一個分子只有距離它約10-7cm的半徑范圍內(nèi)才能受到周圍分子吸引力的作用。在這個范圍內(nèi)的液體分子對該分子的吸引力各方向相等，處于平衡狀態(tài)。但在靠近靜止液體的自由表面、深度小于約,52,10

36、-7cm薄的表面層內(nèi)，每個液體分子與周圍分子之間的吸引力不能達(dá)到平衡，而合成一個垂直于自由表面的合力。這個合力從自由表面向下作用在該分子上，當(dāng)分子處于自由表面上時，向下的合力達(dá)到最大值。表面層內(nèi)的所有液體分子均受有向下的吸引力，從而把表面層緊緊拉向液體內(nèi)部。由于表面層中的液體分子都有指向液體內(nèi)部的拉力作用，所以任何液體分子在進(jìn)入表面層時都必須反抗這種力的作用，也就是必須給這些分子以機(jī)械功。當(dāng)自由表面收縮時，在收縮的方向上必定有與收縮方向相反的作用力，這種力稱為表面張力。在不相混合的液體間以及液體和固體間的分界面附近的分子都將受到兩種介質(zhì)吸引力的作用，沿著分界面產(chǎn)生表面張力，通常稱為交界面張力。

37、表面張力的大小以作用在單位長度上的力表示，單位為,53,N/m。 不同的液體在不同的溫度下具有不同的表面張力值。所以液體的表面張力都隨著溫度的上升而下降。幾種常用液體在20時與空氣接觸的表面張力列于表1-7中，在0100內(nèi)水與空氣接觸時的表面張力列于表1-8中；在20時兩種介質(zhì)分界面上的表面張力列于表1-9中。 現(xiàn)在進(jìn)一步分析表面張力對液體自由表面兩側(cè)壓強(qiáng)的影響。若自由表面是一個平面，則沿著平面的表面張力處于平衡狀態(tài)，平面表面兩側(cè)的壓強(qiáng)相等；若自由表面是曲面，則表面張力將使曲面兩側(cè)產(chǎn)生壓強(qiáng)差p1-p2 ，以維持平衡。 設(shè)在曲表面上取一個邊長為ds1和ds2的微元矩形雙曲面，雙曲面曲率半徑各為R

38、1和R2，夾角為 和 ，作用在曲面凹面和凸面的壓強(qiáng)分別為p1和p2，如圖1-5所示。在,54,R1,R2,ds1,雙曲面曲率半徑R2,雙曲面曲率半徑R1,雙曲面曲率半徑夾角,R1,R1,R1,R2,與邊界線正交的外向力,圖1-5 曲表面的表面張力和壓強(qiáng),55,微元矩形雙曲面兩對邊ds1和ds2上，表面張力產(chǎn)生一對與邊界線正交的向外力 和 ，則垂直于曲面的合力沿曲面法線方向的力平衡方程為 于是得 （1-12）,56,表1-7 常用液體在20時與空氣接觸的表面張力,* 和空氣接觸 * * 和水銀本身蒸汽接觸,57,表1-8 水與空氣接觸的表面張力,58,表1-9 20時兩種介質(zhì)分界面上的表面張力,

39、59,由式（1-12）可知，曲面兩側(cè)壓強(qiáng)差的大小正比于表面張力，反比于曲表面的曲率半徑。 2、毛細(xì)現(xiàn)象 把細(xì)管插入液體內(nèi)，若液體(如水)分子間的吸引力(稱為內(nèi)聚力)小于液體分子與固體分子之間的吸引力，也稱為附著力，則液體能夠潤濕固體，液體將在管內(nèi)上升到一定的高度，管內(nèi)的液體表面呈凹面，如圖1-6(a)所示，若液體(如水銀)的內(nèi)聚力大于液體與固體之間的附著力，則液體不能潤濕固體，液體將在管內(nèi)下降到一定高度，管內(nèi)的液體表面呈凸面，如圖1-6(b)所示。 這種液體在細(xì)管中能上升或下降的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象。液體在細(xì)管中上升或下降的高度與表面張力有關(guān)，可以用簡便方法直接求得。如圖1-6(a)，密度為的液體

40、在潤濕管壁的表面張力作用下，沿半徑為r的細(xì)管上升，到,60,圖1-6 液體在毛細(xì)管內(nèi)上升 (a) 濕潤管壁的液體的液面上升,61,圖1-6 液體在毛細(xì)管內(nèi)上升 (a) 濕潤管壁的液體的液面上升,62,圖1-6 液體在毛細(xì)管內(nèi)下降 (b) 不濕潤管壁的液體的液面下降,63,圖1-6 液體在毛細(xì)管內(nèi)下降 (b) 不濕潤管壁的液體的液面下降,64,h高度后停止，達(dá)到平衡狀態(tài)，即表面張力向上分力的合力與升高液柱的重量相等。設(shè)液面與固體壁面的接觸角(液體表面的切面與固壁表面的夾角)為，細(xì)管內(nèi)液體的凹表面近似地看作是高度為、半徑為R 的球冠。則其平衡關(guān)系式為 或,由圖1-6（a）可知,65,代入上面平衡關(guān)系式，即得上升高度的計算式 （1-13） 又，接觸角與球冠液面的高度的關(guān)系為： 在圖