流體及其物理性質(zhì)

流體及其物理性質(zhì)第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、慣性xzyoVA１.密度：當V趨于無限小時：注意：密度是坐標點(x,y,z)和時間t的函數(shù)，即

=(x,y,z,t)。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日二、重力特性1.容重：指單位體積流體的重量。單位：N/m3。

均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的容重均相等：

=G/V=g

水的容重常用值：=9800N/m3第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.氣體的比容比容：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。

=1/

（m3/kg）氣體的比容或密度，與氣體的工況或過程是密切相關(guān)的，是由狀態(tài)方程確定，完全氣體狀態(tài)方程P=P/=RT

R為氣體常數(shù)，空氣的R=287N·m/kg·k

第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.液體的比重比重：是指液體密度與標準純水的密度之比，沒有單位，是無量綱數(shù)。標準純水：a.物理學上——4℃水為標準，=1000kg

/

m3；b.工程上——20℃的蒸餾水為標準，=1000kg

/

m3；第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、流體的粘性1.粘性的定義：流體內(nèi)部質(zhì)點之間或流層間因相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（切力）以反抗相對運動的性質(zhì)。2.粘性產(chǎn)生的原因

1）分子不規(guī)則運動的動量交換形成的阻力

2）分子間吸引力形成的阻力不同的流體分子之間的內(nèi)聚力和分子不規(guī)則熱運動的動量交換程度不同。流體表現(xiàn)出的粘性的大小是不相同的。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日3.粘性的量度

1）粘度的定義

流體的粘度：粘性大小由粘度來量度。流體的粘度是由流動流體的內(nèi)聚力和分子的動量交換所引起的。

第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2）分類

動力粘度：又稱絕對粘度、動力粘性系數(shù)、粘度，是反映流體粘滯性大小的系數(shù)。單位：N?s/m2。

運動粘度ν：又稱相對粘度、運動粘性系數(shù)。(m2/s)

第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

3）粘度的影響因素

動力粘度：的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強、溫度變化而變化。流體種類：一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。

壓強：對常見的流體，如水、氣體等，粘度值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計。

溫度：是影響粘度的主要因素。當溫度升高時，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。

第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應力減小，所以粘度值減小。b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運動動量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動量交換頻繁，所以粘度值增加。練習一下第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日4.粘性力（內(nèi)摩擦力）

由流體的粘性作用而產(chǎn)生的阻滯其流動的作用力，就稱為粘性力（內(nèi)摩擦力）。流體與不同相的表面接觸時，粘性表現(xiàn)為流體分子對表面的附著作用。對于運動的流體，當流體質(zhì)點間存在相對運動時，由于流體的粘性作用，在流體內(nèi)部流層之間會出現(xiàn)成對的切力，稱為內(nèi)摩擦力。第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日庫侖實驗把一薄圓板用細絲平吊在液體中，將圓板轉(zhuǎn)過一角度后放開，圓板作往返擺動，逐漸衰減，直至停止，測量其衰減時間。用三種圓板（a、普通板，b、表面涂蠟，c、表面膠一層細砂）做實驗?！鲙靵鰧嶒炞C明衰減原因不是圓板與液體間的摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦，即內(nèi)摩擦。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日5、牛頓內(nèi)摩擦定律

17世紀牛頓通過牛頓平板實驗研究了流體的粘性。下圖即為牛頓平板實驗裝置，下板固定，上板可動，且平板面積有足夠大，可以忽略邊緣對流體的影響。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日圖中：h為兩平板間的距離，A為平板面積。若對上板施加力F，并使上板以速度保持勻速直線運動，則內(nèi)摩擦力T=F。通過牛頓平板實驗得出：

運動的流體所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力(即粘性力)的大小與與下列因素有關(guān)：接觸面的面積Ａ成正比；與流體的物理性質(zhì)（黏度）成正比；與兩平板間的距離h成反比；與流速U成正比；第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

在計算時若知道流體運動的速度場就可以計算出速度梯度，當h及U不太大時，板間沿法線方向的點流速可看成線性分布，即：所以，牛頓內(nèi)摩擦定律公式為：

式中T—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)；練習題第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日四.壓縮性和膨脹性1.流體的壓縮性（2）體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)：流體體積的相對縮小值與壓強增值之比，即當壓強增大一個單位值時，流體體積的相對減小值：（m2/N

）（∵質(zhì)量m不變，dm=d(v)=dv+vd=0，∴）（1）定義：流體的可壓縮性：作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮系數(shù)來量度。第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日（3）體積彈性模量Ｋ流體的壓縮性在工程上往往用體積彈性模量來表示。體積彈性模量Ｋ是體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。即：（N/m2）與Ｋ隨溫度和壓強而變化，但變化甚微。第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.流體的膨脹性在一定的壓力下，流體的體積隨溫度升高而增大的性質(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)βΤ來表示，它表示當壓力保持不變時，溫度升高1K所引起的流體體積的相對增加量。即第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日五.液體表面張力特性1.內(nèi)聚力、附著力、表面張力內(nèi)聚力：是分子間的相互吸引力。附著力：是指兩種不同物質(zhì)接觸部分的相互吸引力。2.表面張力：液體表面由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。3.表面張力系數(shù)：是指自由液面上單位長度所受到的表面張力。單位為N/m。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日4.毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象：是指含有細微縫隙的物體與液體接觸時，在浸潤情況下液體沿縫隙上升或滲入、在不浸潤情況下液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。rh水第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)作用在流體上的力一、分類

1.按物理性質(zhì)的不同分類：重力、摩擦力、慣性力、彈性力、表面張力等。2.按作用方式分：質(zhì)量力和面積力。第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日二、質(zhì)量力1.質(zhì)量力:是指作用于隔離體內(nèi)每一流體質(zhì)點上的力，它的大小與質(zhì)量成正比。對于均質(zhì)流體（各點密度相同的流體），質(zhì)量力與流體體積成正比，其質(zhì)量力又稱為體積力。單位牛頓（N）。2.單位質(zhì)量力：單位質(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。單位質(zhì)量力的單位：m/s2

，與加速度單位一致。最常見的質(zhì)量力有：重力、慣性力。第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、面積力1.面積力：又稱表面力，是毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接觸力。它的大小與作用面面積成正比。

表面力按作用方向可分為：壓力：

垂直于作用面。切力：

平行于作用面。第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.應力：單位面積上的表面力，單位：pa壓強：

切應力：

1.靜止的流體受到哪幾種力的作用？想一想2.理想流體受到哪幾種力的作用？第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)流體的力學模型一.連續(xù)介質(zhì)二.理想流體三.不可壓縮流體第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日一、連續(xù)介質(zhì)假設１.連續(xù)介質(zhì)假設的提出宏觀：考慮宏觀特性，在流動空間和時間上所采用的一切特征尺度和特征時間都比分子距離和分子碰撞時間大的多。微觀：流體是由大量做無規(guī)則運動的分子組成的，分子之間存在空隙，但在標準狀況下，1cm3液體中含有3.3×1022個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.1×10-8cm。1cm3氣體中含有2.7×1019個左右的分子，相鄰分子間的距離約為3.2×10-7cm第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日

流體質(zhì)點：也稱流體微團，是指尺度大小同一切流動空間相比微不足道又含有大量分子，具有一定質(zhì)量的流體微元。

連續(xù)介質(zhì)假設：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)的一種假設模型：u=u(t,x,y,z)。

觀看動畫第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.連續(xù)介質(zhì)假設的意義排除了分子運動的復雜性。練習題

表征流體性質(zhì)和運動特性的物理量和力學量為時間和空間的連續(xù)函數(shù)，可用數(shù)學中連續(xù)函數(shù)這一有力手段來分析和解決流體力學問題。第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日二.粘性流體和理想流體

1.粘性流體：自然界中的各種流體都是具有粘性的，統(tǒng)稱為粘性流體或稱實際流體。由于粘性的存在，實際流體的運動一般都很復雜，這給研究流體的運動規(guī)律帶來很多困難。為了使問題簡化，便于進行分析和研究，在流體力學中常引入理想流體的概念。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日2.理想流體：是一種假想的、完全沒有粘性的流體。實際上這種流體是不存在的。根據(jù)理想流體的定義可知，當理想流體運動時，不論流層間有無相對運動，其內(nèi)部都不會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，流層間也沒有熱量傳輸。這就給研究流體的運動規(guī)律等帶來很大的方便。因此，在研究實際流體的運動規(guī)律時，常先將其作為理想流體來處理。應該指出，這里所說的理想流體和熱力學中的理想氣體的概念完全是兩回事。第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日三、可壓縮流體和不可壓縮流體壓力和溫度的變化都會引起流體密度的變化。任何流體，不論是氣體還是液體都是可以壓縮的，只是可壓縮程度不同而已。就是說，流體的壓縮性是流體的基本屬性。通常把液體看成是不可壓縮流體。通常把氣體看成是可壓縮流體。在實際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日問題：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。答案：D關(guān)閉窗口第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日問題：下面關(guān)于流體粘性的說法中，不正確的是:

A、粘性是流體的固有屬性；

B、粘性是運動狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力的量度；C、流體的粘性具有傳遞運動和阻滯運動的雙重性；D、流體的粘度隨溫度的升高而增大。

答案：D關(guān)閉窗口第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日例題1：1.如圖，在兩塊相距20mm的平板間充滿動力粘度為0.065（N·s）/m2的油，如果以1m/s速度拉動距上平板5mm，面積為0.5m2的薄板（不計厚度）。求（1）需要的拉力F；（2）當薄板距下平面多少時？F最小。查看答案第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期日1.解（1）

平板上側(cè)摩擦切應力：平板下側(cè)摩擦切應力：拉力：對方程兩邊求導，當時，

此時F最小。（N/m2）（N/m2）（N）求得（2）第三十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，