流體力學(xué)流體主要物理性質(zhì)課件

1、第二章 流體及其物理性質(zhì) 在研究流體靜止和運動之前，首先要了解流體的內(nèi)在屬性，即流體的物理性質(zhì)。包括密度、壓縮性、膨脹性、粘性等。其中，粘性是流體物理性質(zhì)中最重要的特性。2.1 流體的定義和特征 凡是沒有固定的形狀易于流動的物質(zhì)就叫流體。即液體和氣體。流體與固體的差別表現(xiàn)為：固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形；固體的變形與受力的大小成正比。 流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。在極小切應(yīng)力下就會出現(xiàn)連續(xù)的變形流動。液體和氣體的區(qū)別： 氣體易于壓縮,而液體難于壓縮； 液體有一定的體積，存在一個自由液面；氣體能充滿任意形狀的容器，無一定的體積，不存在自由液面。液體的流動

2、性小于氣體液體和氣體的共同點： 兩者均具有易流動性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會發(fā)生變形或流動，故二者統(tǒng)稱為流體。 1.2 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè) 微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運動的分子所組成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子距離大得多。定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無數(shù)連續(xù)分布的流體微團組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體微團必須具備的兩個條件： 必須包含足夠多的分子； 體積必須很小。一、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)避免了流體分子運動的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運動。2. 物理量作為時空連續(xù)函數(shù)，則可利用高等數(shù)學(xué)中連續(xù)函數(shù)分析方法研究流體平衡與運動規(guī)律。

3、二、采用流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點：（工程應(yīng)用中大多數(shù)狀況滿足假設(shè)）2.3 作用在流體上的力 兩類作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力 一、表面力 1. 應(yīng)力 分離體以外的流體通過流體分離體表面（接觸面）作用在流體上的力，其大小與作用面積成比例單位面積上的表面力。 2. 法向應(yīng)力和切向應(yīng)力 法向應(yīng)力切向應(yīng)力以上兩個力是研究流體流動時經(jīng)常遇到的兩種應(yīng)力二、質(zhì)量力 質(zhì)量力是某種力場作用在全部流體質(zhì)點上的力，其大小和流體的質(zhì)量或體積成正比，故稱為質(zhì)量力或體積力。例如：重力、慣性力、磁力2.4 流體的密度一、流體的密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量。 單位：kg/m3 常見流體的密度： 水1000 kg/m3 空

4、氣1.23 kg/m3 水銀136000 kg/m3均勻流體：二、流體的相對密度 流體的密度與4oC時水的密度的比值。 式中，f 流體的密度（kg/m3） w4oC時水的密度（kg/m3）三、流體的比體積（比容） 單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位： m3/kg四、混合氣體的密度 混合氣體密度按各組分氣體所占體積百分數(shù)計算。式中：1， 2， n 各組分氣體的密度 a1， a2， an各組分氣體所占的體積百分數(shù)1.5 流體的壓縮性和膨脹性一、流體的壓縮性 流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。1.壓縮系數(shù) 2.體積模量 單位壓力增加所引起的體積相對變化率二、流體的膨脹性 流體體積隨著

5、溫度的增大而增大的性質(zhì)。1.膨脹系數(shù) 單位溫度增加所引起的體積相對變化率單位：或1.5 流體的壓縮性和膨脹性三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體 1. 可壓縮性 2. 可壓縮流體和不可壓縮流體 可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體 不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。2.6 流體的粘性一、流體的粘性 1. 粘性的定義 流體內(nèi)部各流體微團之間發(fā)生相對運動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。(1) 庫侖實驗(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內(nèi)摩擦。 (2) 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng) 流體內(nèi)部各流體微團之間會產(chǎn)生粘性力； 流體將粘附于它所接

6、觸的固體表面。 2.牛頓內(nèi)摩擦定律 (1) 牛頓平板實驗 當h和u不是很大時，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)，得：此即牛頓內(nèi)摩擦定律，又稱牛頓切向應(yīng)力公式粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；(2)粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；(3)比例系數(shù) 稱動力粘度，簡稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明： CDBAd badydudt 流體粘性大小的度量,由流體流動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。(1) 動力粘度(2) 運動粘度3.粘度 (3) 粘度的影響因素2.24溫度對流體粘度的影響很大溫度壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要 因素。溫度分子

7、間距分子吸 引力內(nèi)摩擦力粘度氣體：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度分子熱運動動量交換內(nèi)摩擦力粘度 (4) 粘度的測量 一般不能直接測量，不同物質(zhì)的黏度可參考經(jīng)驗公式進行計算。管流法 落球法 旋轉(zhuǎn)法 工業(yè)粘度計Engler粘度計(5)粘性流體和理想流體1.粘性流體 具有粘性的流體（0）。2.理想流體 忽略粘性的流體（= 0）。 一種理想的流體模型。三、牛頓流體和非牛頓流體 1.牛頓流體 2.非牛頓流體 符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體 如水、空氣、汽油和水銀等 不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體 如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等。DACB例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=1

8、1.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內(nèi)筒高h=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實驗液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一hnr1r2得解：注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一得2.7 液體的表面性質(zhì)一、表面張力 1.表面張力現(xiàn)象 水滴懸在樹枝頭而不滴落； 細管中的液體自動上升或下降一個高度（毛細管現(xiàn)象）； 昆蟲浮在液面上而不下沉

9、。 影響球：34r 厚度小于影響球半徑的液面下薄層稱為表面層。表面層內(nèi)的所有液體分子均受到向下的吸引力，從而把表面層緊緊地拉向液體內(nèi)部。 定義：使液體表面處于拉伸狀態(tài)的力為表面張力.表面張力系數(shù) ：單位長度上的表面張力. 表面張力的產(chǎn)生部位：液、氣接觸自由表面,液固接觸的周界、不同液體接觸的周界表面張力產(chǎn)生的原因：由于內(nèi)聚力的不同而導(dǎo)致（分子受力不平衡）。2)毛細管現(xiàn)象在毛細管中,表面張力可以引起液面上升或下降,此現(xiàn)象稱之為毛細管現(xiàn)象.液固間附著力大于液體的內(nèi)聚力H2O液固間附著力小于液體的內(nèi)聚力(Hg)接觸角概念: 當液體與固體壁面接觸時, 在液體,固體壁面作液體表面的切面, 此切面與固體壁

10、在液體內(nèi)部所夾部分的角度 稱為接觸角, 當 為銳角時, 液體潤濕固體, 當 為鈍角時, 液體不潤濕固體.水與潔凈玻璃的 = 0 水銀與潔凈玻璃的 = 140(a)(b)毛細管現(xiàn)象 表面張力在垂直方向的分力與所升高液柱的重量相等時,液柱平衡不再升高.即有:液柱高度h: 圖1-6 液體在毛細管內(nèi)上升 (a) 濕潤管壁的液體的液面上升 圖1-6 液體在毛細管內(nèi)下降 (b) 不濕潤管壁的液體的液面下降內(nèi)聚力: 液體分子間吸引力附著力: 液體與固體分子間吸引力 按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點是指:A、流體的分子；B、流體內(nèi)的固體顆粒； C、幾何的點； D、幾何尺寸同流動空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體。思考題1 (D) 流體的粘性與流體的-無關(guān) (a). 分子內(nèi)聚力 (b).分子動量交換 (c). 溫度 (d). 速度梯度思考題2 (d)溫度升高時表面張力系數(shù)是- (A)增大 (B)減小 (C)不變思考題3(B)毛細液柱高