第一章、流體物理性質(zhì)

第1章流體及其主要物理性質(zhì)

§1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)§1.3

作用在流體上的力§1.1

流體的定義和特征§1.4

流體的力學(xué)模型1章流體及其主要物理性質(zhì)第一章緒論

教學(xué)基本要求1、明確流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)。2、了解流體的基本特征，連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在流體力學(xué)研究中的作用。3、理解流體幾個主要物理性質(zhì)的特征和度量方法，重點(diǎn)掌握流體的粘滯性，包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適用條件。4、了解質(zhì)量力、表面力的定義，理解單位面積表面力（壓強(qiáng)、切應(yīng)力）和單位質(zhì)量力的物理意義。學(xué)習(xí)重點(diǎn)1、連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念。2、流體的基本特征和主要物理性質(zhì)，特別是流體的粘滯性和牛頓內(nèi)摩擦定律及其應(yīng)用條件。3、作用在流體上的兩種力。1章流體及其主要物理性質(zhì)自然界物質(zhì)有三種存在狀態(tài)：氣體、固體、液體§1.1流體的定義和特征1、流體與固體區(qū)別聯(lián)系從分子間距、內(nèi)聚力、形態(tài)、拉力、壓力、剪切力、2、氣體與液體區(qū)別聯(lián)系是否保持一定的體積1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.1流體的定義和特征在任何微小剪切力作用下，液體變形流動，所以液體具有流動性不能保持一定的形狀，能保持比較固定的體積。當(dāng)氣體遠(yuǎn)比音速小時，在運(yùn)動過程中其密度變化較小，氣體視為不可壓縮，液體（水）力學(xué)基本原理同樣使用于氣體。1章流體及其主要物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)是決定流體流動狀態(tài)的內(nèi)在因素，所以我們先學(xué)習(xí)流體有關(guān)的幾個物理力學(xué)性質(zhì)。§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)§1.2.1慣性、密度、比體積和相對密度慣性是物體保持其原有運(yùn)動狀態(tài)的一種特性，慣性的大小以質(zhì)量來衡量，質(zhì)量大的物體慣性大。當(dāng)流體受外力作用使運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變時，由于流體的慣性引起對外界抵抗的反作用力稱為慣性力。1章流體及其主要物理性質(zhì)水的密度水銀的密度§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)單位體積的流體質(zhì)量是密度，密度的單位為均質(zhì)流體的密度非均質(zhì)流體的密度溫度與水的密度關(guān)系液體的密度隨溫度和壓強(qiáng)的變化甚微，一般近似認(rèn)為液體的密度為常數(shù)。1章流體及其主要物理性質(zhì)物體之間具有相互吸引的性質(zhì)，這個吸引力稱為萬有引力。地球?qū)Φ厍虮砻娓浇矬w的引力稱為重力。用G

表示，重力的大小稱為重量?！?.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)單位體積流體所具有的重力，稱為容重（重度）。1章流體及其主要物理性質(zhì)單位質(zhì)量流體所占據(jù)的空間體積稱為比體積，用符號υ表示（m3/kg）。§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)均值流體質(zhì)量與4度同體積純水的質(zhì)量之比稱為該流體的相對密度，用符號d表示(無量綱數(shù))。1章流體及其主要物理性質(zhì)壓縮性用體積壓縮系數(shù)κ表示(1/Pa)?！?.2.2壓縮性及膨脹性壓縮性：指流體受壓,體積縮小,密度增大,除去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)膨脹性：指流體受熱,體積膨脹,密度減小,溫度下降后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)1.壓縮性體積壓縮系數(shù)指恒溫下液體體積的相對縮小值與壓強(qiáng)增值之比。壓強(qiáng)增大時體積縮小，所以加一個負(fù)號來確保壓縮率為正值?！?.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)一、液體的壓縮性及膨脹性1章流體及其主要物理性質(zhì)流體壓縮時其質(zhì)量并不改變，故故所謂彈性模量K(Pa)，乃體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)，即水的壓縮性和膨脹性很小，在一般情況下可忽略不計，只有在某些特殊情況下，如水管閥門突然關(guān)閉時所發(fā)生的水擊現(xiàn)象，自然循環(huán)的熱水采暖系統(tǒng)等問題時，才需考慮其水的壓縮性和膨脹性?！?.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)2.膨脹性膨脹性用體積膨脹系數(shù)表示，在一定壓強(qiáng)下，單位溫升所引起的體積變化率α(1/K)。1章流體及其主要物理性質(zhì)氣體具有明顯的壓縮性和膨脹性。常用氣體的密度、壓強(qiáng)和溫度三者之間的關(guān)系，相當(dāng)符合理想氣體狀態(tài)方程，即式中，p---為氣體的絕對壓強(qiáng)；

T---為氣體熱力學(xué)溫度；

R---為氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)是287J/（kg·K）。§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)二、氣體的壓縮性及膨脹性觀看錄像演示1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)§1.2.3粘性前面我們學(xué)習(xí)了流體具有流動性。流動性是流體受切力作用發(fā)生連續(xù)變形的性質(zhì)。這種變形亦稱為減切變形。流體在運(yùn)動狀態(tài)下，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗減切變形的性質(zhì)稱為粘性。也就是說：當(dāng)流體處于運(yùn)動狀態(tài)時，流體質(zhì)點(diǎn)之間存在著相對運(yùn)動，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力抵制其相對運(yùn)動，這種性質(zhì)稱為流體的粘滯性，此內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。觀看錄像演示1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)為了理解流體的粘性，如圖所示，液體沿固定平面壁作平面直線運(yùn)動，緊靠固體壁面的第一層水層粘在壁面上不動；第一層通過摩擦作用影響第二層的流速、第二層又通過摩擦（粘性力）作用影響第三層流速，依此類推。

一、粘性表象因各流層的不同，它們之間就有相對運(yùn)動，上層的流得快，它就要拖動下一層，而下一層流得較慢，就要阻止上面一層，于是兩層之間就產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，如圖所示。流體粘性示意圖流體粘性示意圖1章流體及其主要物理性質(zhì)由于運(yùn)動流體內(nèi)部存在摩擦力，于是流體在運(yùn)動過程中為克服內(nèi)摩擦力就要不斷消耗流體的能量，所以說粘性是引起流體運(yùn)動能量損失的根源，因此在分析和研究流體運(yùn)動中流體的粘性占有很重要的地位?！?.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)由于內(nèi)摩擦力與作用力平行，故稱切應(yīng)力，用表示，（單位用Pa，）

應(yīng)指出，粘性對流體運(yùn)動的影響極為重要。1章流體及其主要物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明，相鄰流層接觸面的單位面積上所產(chǎn)生的二、牛頓內(nèi)摩擦定律引入比例系數(shù)為式中，為動力粘度，簡稱粘度。為流速梯度。上式即為牛頓內(nèi)摩擦定律，它可表述為：作層流做運(yùn)動的流體，相鄰流層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力，與流速梯度成正比，與流體的性質(zhì)有關(guān)。內(nèi)摩擦力，即切應(yīng)力§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1章流體及其主要物理性質(zhì)⑴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(Pa.s)。CDBAdbadydudt牛頓內(nèi)摩擦定律表明：(4)運(yùn)動粘度(m2/s)§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)觀看錄像演示1章流體及其主要物理性質(zhì)溫度對流體粘度的影響很大，壓強(qiáng)對流體粘度的影響不大，一般忽略不計。粘度的影響因素T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.296§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)水的粘度隨溫度的變化1章流體及其主要物理性質(zhì)溫度對流體粘度的影響很大溫度壓強(qiáng)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↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓氣體：分子熱運(yùn)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(yùn)動↑→動量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑粘度的影響因素§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1章流體及其主要物理性質(zhì)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。§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1章流體及其主要物理性質(zhì)例題1：一平板在油面上做水平運(yùn)動（如圖所示），已知平板的運(yùn)動速度為u=40cm/s，油層的厚度δ=5mm，油的動力粘度μ=0.1Pa·s，求作用在平板上的切應(yīng)力。

解：由題意可知：直接與平板接觸的油層附在平板上，隨平板一起運(yùn)動，與之相鄰的下面油層，作用在該層上的切應(yīng)力（方向與平板運(yùn)動方向相反）等于作用在平板上的切應(yīng)力。因?yàn)橛蛯拥暮穸圈暮苄?，流層的流線分布可近似看做直線分布，即由牛頓內(nèi)摩擦定律§1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.2.5表面張力特性1.液體的表面張力

在液體的自由表面上，由于分子間引力作用的結(jié)果，產(chǎn)生了及其微小的拉力，這種拉力稱之為表面張力。2.毛細(xì)管現(xiàn)象

直徑很小兩端開口的細(xì)管豎直插入液體中，由于表面張力的作用，管中的液面會發(fā)生上升或下降的現(xiàn)象，稱之為毛細(xì)管現(xiàn)象?！?.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1章流體及其主要物理性質(zhì)歡迎提問

如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.3作用在流體上的力作用在流體上的力有兩種：表面力和質(zhì)量力一、表面力應(yīng)力即單位面積上的表面力。表面力是作用于流體的表面，并與受作用的表面面積成比例的力，常用應(yīng)力來度量。1.表面力與作用面垂直的壓應(yīng)力2.表面力與作用面平行的切應(yīng)力隔離體受力分析1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.3作用在流體上的力二、質(zhì)量力作用在每個流體質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。如重力，慣性力，磁力等。又稱體積力。單位質(zhì)量力分別投影在三個坐標(biāo)軸上1章流體及其主要物理性質(zhì)歡迎提問

如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!1章流體及其主要物理性質(zhì)§1.4流體的力學(xué)模型定義：連續(xù)介質(zhì)即假設(shè)流體是一種連續(xù)充滿其所占空間毫無間隙的連續(xù)體。連續(xù)介質(zhì)的意義連續(xù)介質(zhì)的概念是瑞士學(xué)者歐拉在1753年提出的。避免了流體分子運(yùn)動的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動。可以利用數(shù)學(xué)上的連續(xù)函數(shù)來研究流體的平衡與運(yùn)動規(guī)律?！?.4.1連續(xù)介質(zhì)模型觀看錄像演示1章流體及其主要物理性質(zhì)在流體力學(xué)中，為研究方便，提出了理想流體的概念?！?.4.2理想流體理想流體就是把流體看作沒有粘性的連續(xù)介質(zhì)。而把考慮粘性的流體稱為粘性流體或?qū)嶋H流體。我們研究流體的運(yùn)動時，先把流體當(dāng)成理想流體進(jìn)行分析，然后再考慮粘性對粘性流體進(jìn)行修正?！?.4流體的力學(xué)模型§1.4.3不可壓縮流體流體都是可壓縮的，然而有許多流體，如水等液體，其密度變化很小，可忽略不計，由此引出了不可壓縮流體的概念。不可壓縮流體就是把流體看作沒有壓縮性和膨脹性的連續(xù)介質(zhì)。1章流體及其主要物理性質(zhì)歡迎提問如果您有任何問題，請毫不猶豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!1章流體及其主要物理性質(zhì)第一章緒論

教學(xué)基本要求1、明確流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)。2、了解流體的基本特征，連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在流體力學(xué)研究中的作用。3、理解流體幾個主要物理性質(zhì)的特征和度量方法，重點(diǎn)掌握流體的粘滯性，包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適用條件。4、了解質(zhì)量力、表面力的定義，理解單位面積表面力（壓強(qiáng)、切應(yīng)力）和單位質(zhì)量力的物理意義。學(xué)習(xí)重點(diǎn)1、連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念。2、流體的基本特征