部分液體的主要物理性質(zhì)及作用力.ppt

1、第一部分液體的主要物理性質(zhì)和作用力，一流體的連續(xù)介質(zhì)模型2作用于流體的力(表面力質(zhì)量力) 3理想流體中的壓力與方向無關(guān)，為4流體的主要物理性質(zhì)1 )流體的密度2 )可壓縮性和膨脹性3 )流體的粘性5液體的表面張力和汽化壓力，一流體的連續(xù)介質(zhì)模型，1， 流體的物理特性在微觀上是流體(包括液體和氣體)和固體是物質(zhì)的不同表現(xiàn)形式，它們都具有以下三種物質(zhì)基本屬性： 1、由大量分子組成2、分子不斷地進(jìn)行隨機(jī)熱運(yùn)動3、分子與分子之間有分子力的作用： 1、相同體積內(nèi)的分子數(shù)、氣體比液體3 .氣體的分子運(yùn)動具有較大的自由行程和隨機(jī)性，液體雖小，但固體分子包圍著自己的位置只能微小振動。 從宏命令上看1、固體具有

2、一定的體積和一定的形狀2、液體有一定的體積，沒有一定的形狀3、氣體沒有一定的體積也沒有一定的形狀。 1流體的連續(xù)介質(zhì)模型，流體在力學(xué)性能上表現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn)： 1、由于流體不能承受拉伸力，流體內(nèi)部永遠(yuǎn)不存在抗拉變形的拉伸應(yīng)力。 2 .流體在宏命令平衡態(tài)下不能承受剪切力，微小的剪切力將會引起流體的連續(xù)變形、平衡破壞、流動。 液體和氣體的區(qū)別： 1、流變性大小2、可壓縮性、1流體的連續(xù)介質(zhì)模型、2、流體的連續(xù)介質(zhì)模型等流體也由無數(shù)分子組成，由于分子和分子之間存在空隙，因此，微觀上流體不是連續(xù)分布的物質(zhì)。 但是，由于流體動力學(xué)沒有研究微觀分子運(yùn)動，研究流體的宏命令運(yùn)動時(shí)，必須把流體作為力學(xué)模型來假設(shè)。

3、1753年歐拉提出了“連續(xù)介質(zhì)模型”的假說，使流體動力學(xué)研究擺脫了從流體分子運(yùn)動水平著手的復(fù)雜勞動，開始研究模型化的連續(xù)流體介質(zhì)。 引入諸如差分方程等強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具，使得整個(gè)流體動力學(xué)研究得到迅速發(fā)展，這與連續(xù)介質(zhì)模型的引入密切相關(guān)。 1流體連續(xù)介質(zhì)模型，1，流體質(zhì)點(diǎn)和微觀團(tuán)概念流體質(zhì)點(diǎn)是流體中的宏命令尺寸非常小，微觀尺寸對一盞茶大的任意物理實(shí)體。 流體質(zhì)點(diǎn)具有(a )流體質(zhì)點(diǎn)的宏命令尺寸非常小這四層的意義。 用數(shù)學(xué)術(shù)語來說，流體質(zhì)點(diǎn)所占的宏觀體積極限為零。 b )流體質(zhì)點(diǎn)的顯微尺寸一盞茶很大。 微尺寸大于一盞茶是指流體質(zhì)點(diǎn)的微體積必然大于流體分子尺寸的等級，流體質(zhì)點(diǎn)內(nèi)隨時(shí)間在一盞茶中含有大量

4、的流體分子，各個(gè)分子的行為不影響質(zhì)點(diǎn)整體的統(tǒng)一平均特性。 1mm3體積水： 3.31019分子空氣： 2.7 1016分子10-10mm3體積(相當(dāng)于一粒塵體積)空氣： 2.7 106分子，c )流體質(zhì)點(diǎn)是包含一盞茶分子的物理實(shí)體。 任何時(shí)候流體質(zhì)點(diǎn)都應(yīng)該有一定的宏命令物理量。 例如，流體質(zhì)點(diǎn)具有質(zhì)量(質(zhì)點(diǎn)所包含分子質(zhì)量之和)，流體質(zhì)點(diǎn)具有密度(質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量除以質(zhì)點(diǎn)體積)； 流體質(zhì)點(diǎn)具有的溫度(質(zhì)點(diǎn)所包含的分子熱運(yùn)動能量的統(tǒng)計(jì)平均值)流體質(zhì)點(diǎn)具有壓力(質(zhì)點(diǎn)所包含的分子的熱運(yùn)動相互碰撞而每單位面積產(chǎn)生的壓力的統(tǒng)計(jì)平均值)。 流體質(zhì)點(diǎn)具有流速、動量、動能、動能等宏命令物理量，d )流體質(zhì)點(diǎn)的形狀可以任

5、意定義。 質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)之間可以完全沒有空隙，在流體存在的空間中，質(zhì)點(diǎn)緊密相鄰，連綿不斷，無處不在。 因此，還引出以下連續(xù)媒體的概念。假定構(gòu)成一流體的連續(xù)介質(zhì)模型、一流體的連續(xù)介質(zhì)模型、二、連續(xù)介質(zhì)模型及其重要性a )流體的最小物理實(shí)體不是流體分子而是流體質(zhì)點(diǎn)，也就是說，流體是無限多、無限小、緊密鄰接且由連續(xù)的流體質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的無間隙的連續(xù)介質(zhì)。 b )連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的重要性是在：流體中取任意的小微單元部分，當(dāng)該微單元的體積無限縮小，以某個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為限時(shí)，流體微單元成為該坐標(biāo)點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)，它在任何時(shí)刻都是一定的物理量，例如質(zhì)量、密度、壓力、 因此，連續(xù)介質(zhì)中流體質(zhì)點(diǎn)的所有物理量都是坐標(biāo)和時(shí)間(x，y，z

6、，t )變量的單值、連續(xù)、微函數(shù)，可以形成各種物理量的標(biāo)量場和向量場(也稱為流場)，并用連續(xù)函數(shù)和場論等數(shù)學(xué)工具研究流體運(yùn)動和平衡問題。 1流體的連續(xù)介質(zhì)模型，3，連續(xù)介質(zhì)模型的限制性，使用連續(xù)介質(zhì)模型有一定的范圍，在某些特殊流程中不適用。 如果正在研究的工程的實(shí)際尺寸與分子的自由行程具有相同或接近的數(shù)量級，則不能將連續(xù)介質(zhì)作為研究模型使用。 連續(xù)介質(zhì)模型的故障情況：稀薄瓦斯氣體火箭在空氣稀薄的高空中飛行的沖擊波(厚度與瓦斯氣體分子的平均自由程程度相同)，第一章流體及其主要物理性質(zhì)1流體作用在連續(xù)介質(zhì)模型2流體上的力(表面力質(zhì)量力) 3理想流體中的壓力與方向無關(guān)4流體的主要物理性質(zhì)1 )流體的

7、密度2 ) 可壓縮性和膨脹性3 )流體的粘性5液體的表面張力和作用于汽化壓力、2流體的力這個(gè)力，是分離體以外的流體通過接觸面作用于分離體的力(壓力黏滯力)。 作用于二流體的力(表面力質(zhì)量力)、二、質(zhì)量力(體積力)體積力是外力場作用于流體質(zhì)點(diǎn)的非接觸力，也稱為質(zhì)量力。 體積力與周圍的微小要素的體積無關(guān)，僅與微小要素的體積和與其對應(yīng)的物理量(質(zhì)量、電荷等)有關(guān)(參照圖1-1 )。 每單位質(zhì)量流體受到的體積力隨空間位置和時(shí)間而變化，是時(shí)間和空間位置的函數(shù)。 在流體動力學(xué)問題中最常見的體積力是重力。 用靜力學(xué)方法解決相對靜止問題時(shí)，必須附加的纏繞慣性力也是體積力的。 顯然，重力和慣性力與流體的質(zhì)量成正

8、比。 另外，在流體上，帶電電流體受到的靜電力、電流流過的流體受到的電磁力等其他性質(zhì)的體積力也有可能作用。 第一章流體及其主要物理性質(zhì)，1流體的連續(xù)介質(zhì)模型2作用于流體的力(表面力質(zhì)量力) 3理想流體中的壓力與方向無關(guān)4流體的主要物理性質(zhì)1 )流體的密度2 )可壓縮性和膨脹性3 )流體的粘性5液體的表面張力和汽化壓力，3理想流體中的壓力與方向無關(guān)，而理想流體是靜態(tài)的b ) 理想流體中任一點(diǎn)流體的靜壓的大小，與其作用的面在空間中的方位無關(guān)，僅是該點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)。3理想流體中的壓力與方向無關(guān)，2、證明理想流體中的壓力與作用面方向無關(guān)，微四面體片體積、微胞體四個(gè)面上的作用力都垂直于各個(gè)表面，單位質(zhì)量力向

9、四面體片方向的心理投射，是四面體片加速度向三坐標(biāo)的心理投射，這是第一章流體及其主要物理性質(zhì)， 一流體的連續(xù)介質(zhì)模型2作用于流體的力(表面力質(zhì)量力) 3理想流體中的壓力與方向無關(guān)，是4流體的主要物理性質(zhì)1 )流體的密度2 )可壓縮性和膨脹性3 )流體的粘性5液體的表面張力和汽化壓力、4流體的主要物理性質(zhì)1、流體的密度、比流體的相對密度，通常是， 由于某流體密度與時(shí)水密度之比流體的比容為密度，故數(shù)混合瓦斯氣體的密度以各成分瓦斯氣體所占的體積百分率來補(bǔ)正流體的密度、壓力和溫度的關(guān)系，有4流體的主要物理性質(zhì)，二、流體的可壓縮性和膨脹性流體的相對密度、密度、比體積隨溫度和壓力而變化，其原因是由于流體內(nèi)部

10、分子之間有間隙。 因此，如果壓力變高，分子間距離變小，體積被壓縮，另一方面，如果壓力減少，溫度上升，分子間距離增大，體積膨脹。 一般的流體具有這種可壓縮的膨脹性，氣體的可壓縮性和膨脹性比液體更明顯。 4流體的主要物理性質(zhì)，a )流體的可壓縮性系數(shù)流體的可壓縮性用單位壓力引起的體積變化率表示，稱為可壓縮性系數(shù)，用表示。 可壓縮性系數(shù)的倒數(shù)是流體的壓縮模量。 在工程中，壓縮模量經(jīng)常用于測量流體的可壓縮性大小。 b )流體的膨脹性系數(shù)流體的膨脹性用單位溫度上升引起的體積變化率來表示，被稱為體膨脹系數(shù)，用表示。、體積彈性系數(shù)、4流體的主要物理性質(zhì)、可壓縮流體和不可壓縮流體的可壓縮性是流體的基本屬性，任

11、何流體都是可壓縮的，只是可壓縮的程度不同而已。 在工程的實(shí)際問題上是否考慮流體的可壓縮性因情況而異。 由于液體的可壓縮性比較小，液體平衡和運(yùn)動的大多數(shù)問題可以用非壓縮流體解決，但液體的完全競爭還有一定的可壓縮性，當(dāng)遇到液體的可壓縮性起重要作用的水沖擊現(xiàn)象、液壓沖擊、水中爆炸波的傳播等問題時(shí)，必須用壓縮流體進(jìn)行分析。 由于氣體的可壓縮性比較大，所以氣體平衡和運(yùn)動的很多問題需要用可壓縮流體理論來處理，但是在低溫、低壓、低速條件下，有時(shí)不考慮氣體可壓縮性，或者得到的結(jié)果沒有太大的差別，所以作為近似分析，用非壓縮流體理論來處理的話，可以在簡化修正計(jì)算的同時(shí)，達(dá)到一定的精度例如，對于低速壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)、

12、內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)、低壓瓦斯氣體輸送、低溫排煙道等氣流修正問題，有時(shí)也可以采用非壓縮流體理論分析。 四流體的主要物理性質(zhì)，三，流體的粘性，1，粘性的概念及產(chǎn)生粘性內(nèi)摩擦力的原因，粘性是流體所具有的重要屬性，實(shí)際的流體都具有粘性。 僅在流體運(yùn)動時(shí)顯示粘性，靜止流體不顯示粘性。 粘性的作用阻礙流體內(nèi)部的相對滑動，阻礙流體的流動。 這種阻礙作用只會延緩相對折射的過程，無法消除這種現(xiàn)象。 這是粘性的重要特征。 粘性概念，四流體的主要物理性質(zhì)，粘性內(nèi)摩擦力的產(chǎn)生原因，1 )分子間吸引力(粘聚力)的產(chǎn)生阻力由于液體分子間距離小，低速流動時(shí)黏滯力的產(chǎn)生主要依賴于分子間引力。2 )由于分子不規(guī)則運(yùn)動動量交換的阻

13、力氣體分子間距大、吸引力小、不規(guī)則運(yùn)動強(qiáng)，氣體黏滯力的產(chǎn)生主要依賴分子不規(guī)則運(yùn)動的動量交換。 4流體的主要物理性質(zhì)，牛頓粘性試驗(yàn)如下： 1、流體質(zhì)點(diǎn)分別附著于上下平板表面，2、流體內(nèi)部的流體質(zhì)點(diǎn)均為平行于平板方向的運(yùn)動，速度變化呈直線分布，3、兩板之間各截面的壓力不變，4、流體與平板接觸面的切向力，牛頓內(nèi)摩擦規(guī)律， 對于流體內(nèi)部切應(yīng)力的方向，外法線方向是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，4流體的主要物理性質(zhì)，上式是流體的牛頓內(nèi)摩擦定律，其意義是作用于流層的切應(yīng)力和速度梯度為正的比，比例系數(shù)是流體的動力粘度。 關(guān)于流體變形與流體粘度的關(guān)系，沿速度法線的變化率：4流體的主要物理性質(zhì)，粘性的表示方法，流體的粘性通常以黏性

14、系數(shù)表示，黏性系數(shù)以動力粘度、動力粘度、相對粘度、單位速度梯度時(shí)摩擦剪切應(yīng)力的大小、(天使黏性系數(shù))這3種方式表示，工序中的機(jī)油以粘度值，即， 油在時(shí)的動力粘度平均值、4流體的主要物理性質(zhì)、流體黏性系數(shù)的測定、間接測量法：在該方法中，首先，用機(jī)器測定一定量的流體經(jīng)由某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔流出所需的時(shí)間(由于黏性系數(shù)大，所以黏性系數(shù)小，流動快)，然后，使用機(jī)器特有的經(jīng)驗(yàn)方程間接地計(jì)算流體的該方法使用的機(jī)器我國現(xiàn)在正在采用恩格爾黏性系數(shù)修訂。 流體黏性系數(shù)的測量方法有直接測量法和間接測量法兩種。 直接測定法：根據(jù)粘性流動理論中的基本公式。 通過測量除此公式的黏性系數(shù)以外的所有殘奧儀表，直接求出黏性系數(shù)。

15、直接測量法的黏性系數(shù)修訂有滾筒式、毛球拉力賽式、落球式等，該黏性系數(shù)修訂的測量手段比較復(fù)雜且使用方便。 4流體的主要物理性質(zhì)，3，壓力對流體粘度的影響，由于壓力變化對分子動量交換的影響極小，壓力引起的氣體黏性系數(shù)變化小，壓力增加則分子間距離減少，因此壓力對液體粘性的影響相對較大。 低于100氣壓時(shí)，壓力變化對液體黏性系數(shù)的影響小，可以忽略。 由于高壓，氣體和液體的黏性系數(shù)隨著壓力的上升而增大。 4流體的主要物理性質(zhì)，4，溫度對流體粘度的影響，水的動力粘度與溫度的關(guān)系，氣體的動力粘度與溫度的關(guān)系，溫度上升后，流體的分子間距離增大，液體的黏性系數(shù)隨溫度上升而減少，氣體分子的不規(guī)則運(yùn)動加劇，氣體分子

16、動量交換強(qiáng)度增加，4流體的主要物理性質(zhì)，5， 理想流體和黏性流，1 )所有實(shí)際流體都有粘性，粘性給實(shí)際流體運(yùn)動規(guī)律的研究帶來了幾乎無法克服的困難。 2 )由于在實(shí)際工程和理論研究中不必考慮粘性的影響，提出了理想流體的概念。 3 )現(xiàn)實(shí)世界中不存在理想的流體，那是另一個(gè)物理模型，引入的目的是簡化流體動力學(xué)問題的研究，對流體動力學(xué)的發(fā)展過程起了重要作用。 4 )在實(shí)際流體流動規(guī)律的研究中，首先對理想流體進(jìn)行了理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得到了基本規(guī)律。 粘性的影響通過試驗(yàn)進(jìn)行修正。4流體的主要物理性質(zhì)，6、作用于牛頓流體和非牛頓a )流體的切向應(yīng)力與其角變形速度的關(guān)系符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。 b )作用于流體的切向應(yīng)力和由此產(chǎn)生的角變形速度的關(guān)系不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，被稱為非牛頓流體。 流體粘度討論的幾個(gè)總結(jié)，4流體的主要物理性質(zhì)，4，流體在平衡態(tài)時(shí)(靜止流體，理想流體)，其粘性不能表現(xiàn)。 1 .流體的粘性來源