工程流体力学：第一章流体及其物理性质

1、中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 20071中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 20072第一章 流体及其物理性质1.1 流体的定义和特征1.2 流体力学发展简史1.3 流体的连续介质假设1.4 国际单位制1.5 流体的密度1.6 流体的压缩性和膨胀性1.7 流体的

2、粘性1.8 液体的表面张力Chapter 1 Fluid and Physical Properties中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200731.1 流体的定义和特征Definition and Natures of Fluid 物质的三种形态 固态、液态、气态中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid M

3、echanics”, Spring, 20074 流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用，流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。 流体的定义：1.1 流体的定义和特征(续)Definition and Natures of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 20075 液体 (Liquid)l液体的密度大于气体。l液体的流动性不如气体。l液体具有一定的体积，并取容器的形状

4、。l液体不能充满容器时，在重力的作用下，液体总保持一个自由表面（液面）。 1.1 流体的定义和特征(续) 流体的种类 按状态分类： 气体 (Gas)l气体的密度大大小于液体。l极易变形和流动。l总是充满容纳它的容器，没有一定的体积和形状。Definition and Natures of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 20076流体的特征： 易流动(易变形)性 (Flowability) 可压缩性

5、(Compressiblity) 粘性 (Viscosity)1.1 流体的定义和特征(续)Definition and Natures of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200771.2 流体力学发展简史n公元前阿基米德(Archimedes)n近代(15001899) l理论(流体动力学Hydrodynamics)：牛顿(Newton)、伯努里(Bernoulli)、欧拉(Eular)、纳维-

6、斯托克斯(Navior-Stokes)l实验 (水力学Hydraulics)：毕托(Pitot)、尼古拉兹(Nikuradse)、莫迪(Moody)、达希(Darcy)n现代(1900 )l普朗特(Prandtl)：提出边界层理论，将理论流体力学和实验流体力学有机结合。l马赫(March)：空气动力学与空间飞行器的发展有关。n 目前： 计算流体力学、生物流体力学、两相流体力学等。A Brief History of Fluid Mechanics中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering

7、Fluid Mechanics”, Spring, 200781.3 流体的连续介质假设Continuum View of Fluid 流体的微观不连续性 任何流体都是由分子组成。分子与分子之间存在空隙。因此，从微观角度看，流体及其物理量在空间不连续分布。 流体力学研究的对象 流体力学研究大量分子组成的流体的宏观运动，即大量分子的统计平均特性，而不是微观的分子运动。这一宏观运动可以用包含大量分子的流体质点的运动来体现。中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanic

8、s”, Spring, 20079 流体质点(也称流体微团)微观无限大宏观无限小1.3 流体的连续介质假设(续)Continuum View of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200710 x0yzPV1.3 流体的连续介质假设(续)Continuum View of Fluid (contd) 流体质点的选取l流体质点包含很多分子，对分子可视为非常大;l流体质点相对于整个研究区域又是非常小;l通

9、过流体质点反映流体及其物理量在空间的变化.V *VVmVmVV*lim中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200711 流体的连续介质假设(模型) (Continuum model)l流体是由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。l表征流体特性的物理量可由流体质点的物理量代表，且在空间连续分布。1.3 流体的连续介质假设(续)Continuum View of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of

10、Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200712 连续介质模型的适用性连续介质假设是流体力学的根本假设之一。在大多数流体力学问题中，都是适用的。1 m1 m3 体积内:水: 3.31010 个分子空气: 2.7 107个分子0.1 m3 体积(相当于一粒灰尘)内:空气: 2.7 106个分子1.3 流体的连续介质假设(续)Continuum View of Fluid (contd)标准状态(STP)下，中国 南京能源与环境学院School of Energy & Envi

11、ronment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007131.3 流体的连续介质假设(续)Continuum View of Fluid (contd) 流体的连续介质假设(模型)失效情况l稀薄气体l激波(厚度与气体分子平均自由程同量级)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007141.4 国际单位制International System S

12、I Units量的名称单位名称单位符号长 度米 m质 量千克公斤kg时 间秒s电 流安培A物质的量摩 尔mol热力学温度开尔文K发光强度坎德拉cd表1-1 国际单位制的基本单位中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007151.5 流体的密度Density of Fluid 流体的密度流体的密度是流体的重要属性之一，它所表征的是流体在空间某点质量的密集程度。VmVlim0 单位体积流体所具有的质量 (kg/m3)。 中国 南京能源

13、与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200716 流体的相对密度l是指某流体的密度与标准大气压下4C时纯水的密度之比，用S表示。wS 流体密度 (kg/m3)。 w 标准大气压下4C时纯水的密度(kg/m3)。 l 流体的比重与相对密度是同一概念 1.5 流体的密度(续)Density of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“E

14、ngineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007171.5 流体的密度(续)Density of Fluid (contd) 流体的比体积流体密度的倒数称为比体积，即单位质量的流体所占有的体积，用v表示,单位为m3/kg 。1v中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200718 混合气体的密度混合气体的密度可按各组分气体所占体积百分数计算,iininn12211i 混合气体中各组分气体的密度(kg/

15、m3);i 混合气体中各组分气体所占的体积百分数。 1.5 流体的密度(续)Density of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007191.6 流体的压缩性和膨胀性Compressiblity and Viscosity of Fluid 流体的压缩性在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质。l体积压缩系数P 当温度保持不变时，单位压强增量所引起的流体体积变化率VVpP1(m2/N) p

16、VVPl 应用：中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007201.6 流体的压缩性和膨胀性（续）Compressiblity and Viscosity of Fluid (contd)l完全气体的压缩性pppmRTpmRTdpdVP1112mRTpV l体积模量体积压缩系数的倒数VpVKpP1(N/m2 或 Pa) const.T中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，

17、2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007211.6 流体的压缩性和膨胀性（续）Compressiblity and Viscosity of Fluid (contd) 流体的膨胀性在一定的压强作用下，流体的体积随温度升高而增大的性质。l温度膨胀系数T 当压强保持不变时，单位温度升高所引起的流体体积变化率VVTT1(1/K or 1/C) TVVTl 应用：中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mec

18、hanics”, Spring, 2007221.6 流体的压缩性和膨胀性（续）Compressiblity and Viscosity of Fluid (contd)l完全气体的膨胀性TVpmRpmRTdTdVTVVT11/mRTpV const.p中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007231.6 流体的压缩性和膨胀性（续）Compressiblity and Viscosity of Fluid (contd) 可压缩

19、流体和不可压缩流体l不可压缩流体流体的膨胀系数和压缩系数全为零的流体const.中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007241.7 流体的粘性Viscosity of Fluid 流体的粘性 是指当流体质点 / 微团间发生相对滑移时产生切向应力的性质，是流体在运动状态下具有抵抗剪切变形的能力。Uxyu(y)xy固定平板运动平板 内摩擦力或粘性力。 中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environme

20、nt工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200725 牛顿内摩擦定律作用在流层上的切向应力与速度梯度成正比，其比例系数为流体的动力粘度。即，dydudydu 为垂直于流动方向上的速度梯度, 1/s。 动力粘性系数、动力粘度、粘度, Pas或kg/(ms)或(Ns)/m2。 1.7 流体的粘性(续)Viscosity of Fluid (contd)(kg/m3)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fl

21、uid Mechanics”, Spring, 2007261.7 流体的粘性(续)Viscosity of Fluid (contd)n粘性是流体发生相对运动时，所表现出来的运动性质l只有流体运动时，流体的粘性才能显示出来；l流体处于平衡状态时( = 0)，其粘性无从表现。n由于流体的粘性，导致流体发生相对运动时就必须消耗能量，为维持流体的运动就必须施加作用力。中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007271.7 流体的粘性(

22、续)Viscosity of Fluid (contd)n粘性系数（粘度）是流体的性质(property)l流体的种类l流体所处的状态（温度、压强）u压强通常对流体粘度影响很小：只有在高压下，气体和液体的粘度随压强升高而增大。u温度对流体粘度影响很大：对液体，粘度随温度上升而减小；对气体，粘度随温度上升而增大。中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200728温度（）水空气（Pa s）（m2/s） （Pas） （m2/s）01.79

23、210-31.79210-30.017110-313.710-3101.30810-31.30810-30.017810-314.710-3201.00510-31.00710-30.018310-315.710-3300.80110-30.80410-30.018710-316.610-3400.65610-30.66110-30.019210-317.610-3500.54910-30.55610-30.019610-318.610-3600.46910-30.47710-30.020110-319.610-3700.40610-30.41510-30.020410-320.610-380

24、0.35710-30.36710-30.021010-321.710-3900.31710-30.32810-30.021610-322.910-31000.28410-30.29610-31.79210-323.610-3表1-9 水与空气的粘度值 1.7 流体的粘性(续)Viscosity of Fluid (contd)中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 200729n动力粘度1.7 流体的粘性(续)Viscosity of

25、 Fluid (contd)n运动粘度 动力粘度与密度的比值dydu/m2/sPas或kg/(ms)dydu中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007301.7 流体的粘性(续)Viscosity of Fluid (contd)n粘度数据的获得l查数据表l应用经验公式l应用基于分子运动论的理论/半理论公式l直接实验测量l混合气体：niiiniiiiMM121121Mi 组分i的分子量。 中国 南京能源与环境学院School of Energy & Environment工程流体力学，2007.3.5 6.24“Engineering Fluid Mechanics”, Spring, 2007311.7 流体的粘性(续)V