第一章、流体物理性质

1、1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质 作用在流体上的力作用在流体上的力 流体的定义和特征流体的定义和特征 流体的力学模型流体的力学模型1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质第一章第一章 绪论绪论教学基本要求教学基本要求1、明确流体力学课程的性质和任务。、明确流体力学课程的性质和任务。2、了解流体的基本特征，连续介质和理想流体的概念和在流体力学研、了解流体的基本特征，连续介质和理想流体的概念和在流体力学研究中的作用。究中的作用。3、理解流体几个主要物理性质的特征和度量方法，、理解流体几个主要物理性质的特征和度量方法，重点掌

2、握流体的粘重点掌握流体的粘滞性，包括牛顿内摩擦定律及其适用条件。滞性，包括牛顿内摩擦定律及其适用条件。4、了解质量力、表面力的定义，理解单位面积表面力（压强、切应力）、了解质量力、表面力的定义，理解单位面积表面力（压强、切应力）和单位质量力的物理意义。和单位质量力的物理意义。学习重点学习重点1、连续介质和理想流体的概念。、连续介质和理想流体的概念。2、流体的基本特征和主要物理性质，特别是流体的粘滞性和牛顿内摩、流体的基本特征和主要物理性质，特别是流体的粘滞性和牛顿内摩擦定律及其应用条件。擦定律及其应用条件。3、作用在流体上的两种力。、作用在流体上的两种力。1 1章章 流体及其主要物理性质流体及

3、其主要物理性质1.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.1 1.1 流体的定义和特征流体的定义和特征1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质Fma 1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1.2.1 1.2.1 惯性、惯性、1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质mV1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质31000/kg m3313.6 10/kg m3/kg m0limVmdmVdV 950960970980990100010100204060801001203 (

4、 kg/m ) T ( C)温度与水的密度关系1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质Gmg1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质GmggVV1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质11.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质wwVdV1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质/dV Vdp 压缩性用体积压缩系数压缩性用体积压缩系数表示表示(1/(1/Pa) )。1.2.2 1.2.2 压缩性：压缩性：指流体受压指流体受压, ,体积缩小体积缩小, ,密度增大密度增大, ,除去外力后能恢复原状的性质除去外力后能恢复原状的性

5、质膨胀性：膨胀性：指流体受热指流体受热, ,体积膨胀体积膨胀, ,密度减小密度减小, ,温度下降后能恢复原状的性质温度下降后能恢复原状的性质1.压缩性压缩性 体积体积压缩系数压缩系数指恒温下液体体积的相对缩小值与压强增值之比。指恒温下液体体积的相对缩小值与压强增值之比。 压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。压强增大时体积缩小，所以加一个负号来确保压缩率为正值。1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质/ddp 流体压缩时其质量并不改变，故流体压缩时其质量并不改变，故()0dmdVdVVddVdV 故故所谓弹

6、性模量所谓弹性模量K(Pa)，乃体积压缩系数的倒数，即，乃体积压缩系数的倒数，即1K 水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在水的压缩性和膨胀性很小，在一般情况下可忽略不计，只有在某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然某些特殊情况下，如水管阀门突然关闭时所发生的水击现象，自然循环的热水采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。循环的热水采暖系统等问题时，才需考虑其水的压缩性和膨胀性。 1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质2.膨胀性膨胀性 膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，

7、单位温升所引起的体积变化率的体积变化率(1/K)(1/K)。/dV VddTdT 1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质pRT 气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温气体具有明显的压缩性和膨胀性。常用气体的密度、压强和温度三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即度三者之间的关系，相当符合理想气体状态方程，即 式中，式中，p-为气体的绝对压强；为气体的绝对压强； T-为气体热力学温度；为气体热力学温度； R-为气体常数，空气的气体常数是为气体常数，空气的气体常数是287J/287J/（kgKkgK）。）。1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性

8、质1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1.2.3 1.2.3 1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质 一、一、流向快层慢层yuu+dudyy流向快层慢层yuu+dudyy流体粘性示意图流体粘性示意图1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质 2/N m1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质实验表明，相邻流层接触面的单位面积上所产生的实验表明，相邻流层接触面的单位面

9、积上所产生的二、二、引入比例系数为引入比例系数为dduydduy式中，式中， 为为动力粘度动力粘度，简称，简称粘度粘度。 为为流速梯度流速梯度。dduy上式即为上式即为牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律，它可表述为：作层流做运，它可表述为：作层流做运动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，动的流体，相邻流层间单位面积上所作用的内摩擦力，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。与流速梯度成正比，与流体的性质有关。内摩擦力，即切应力内摩擦力，即切应力1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质dduFAAy1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质粘性切应力与速度梯度成正比

10、；粘性切应力与速度梯度成正比；(2)(2)粘性切应力与角变形速率成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；(3)(3)比例系数比例系数 称动力粘度，简称粘度称动力粘度，简称粘度(Pa.s)(Pa.s)。duddydt() /ddudtdudtdtdydyCDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明：(4)(4)运动粘度运动粘度 (m(m2 2/s)/s)1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响温度对流体粘度的影响很大，压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计。不大

11、，一般忽略不计。粘度的影响因素粘度的影响因素T（） (10-3Pas) (10-6m2/s)T（） (10-3Pas)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.2961.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质水的粘度随温度的变化

12、1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质温度对流体粘度的影响很大温度对流体粘度的影响很大气体液体气体粘度o 温度压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计内聚力是产生粘度的主要因素。内聚力是产生粘度的主要因素。温度温度分子间距分子间距分子吸引力分子吸引力内摩擦力内摩擦力粘度粘度分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度温度分子热运动分子热运动动量交换动量交换内摩擦力内摩擦力粘度粘度 粘度的影响因素粘度的影响因素1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1 1章章 流体及其主要物

13、理性质流体及其主要物理性质三、牛顿流体和非牛顿流体三、牛顿流体和非牛顿流体1.1.牛顿牛顿 2.2.非牛顿非牛顿 dudyo0膨胀性流体宾汉型塑性流体牛顿流体假塑性流体符合牛顿内摩擦定律的流体符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质例题例题1：一平板在油面上做水平运动（如图所示），已知平板的运动一平板在油面上做水平运动

14、（如图所示），已知平板的运动速度为速度为u=40cm/s=40cm/s，油层的厚度，油层的厚度=5mm=5mm，油的动力粘度，油的动力粘度=0.1Pas=0.1Pas，求，求作用在平板上的切应力。作用在平板上的切应力。 解：解：由题意可知：直接与平板接触的由题意可知：直接与平板接触的油层附在平板上，随平板一起运动，与油层附在平板上，随平板一起运动，与y油u之相邻的下面油层，作用在该层上的切应力（方向与平板运动方向之相邻的下面油层，作用在该层上的切应力（方向与平板运动方向相反）等于作用在平板上的切应力。相反）等于作用在平板上的切应力。 因为油层的厚度因为油层的厚度很小，流层的流线很小，流层的流线

15、分布可近似看做直线分布，即分布可近似看做直线分布，即duudy2400.18(/)0.5duuN mdy由牛顿内摩擦定律由牛顿内摩擦定律1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.2.5 1.2.5 1.1.液体的表面张力液体的表面张力 在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其在液体的自由表面上，由于分子间引力作用的结果，产生了及其微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。2.2.毛细管现象毛细管现象 直径很小两端开口的细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，直径很小两端开口的

16、细管竖直插入液体中，由于表面张力的作用，管中的液面会发生上升或下降的现象，称之为毛细管现象。管中的液面会发生上升或下降的现象，称之为毛细管现象。1.2 1.2 流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !1 1章章 流体及其主

17、要物理性质流体及其主要物理性质作用在流体上的力有两种：作用在流体上的力有两种：表面力和质量力表面力和质量力一、表面力一、表面力 应力即单位面积上的表面力。应力即单位面积上的表面力。FFAFpT 表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力，表面力是作用于流体的表面，并与受作用的表面面积成比例的力，常用应力来度量。常用应力来度量。0limPPnAFdFpAdA0limTTAFdFAdA1. 1. 表面力与作用表面力与作用面垂直的压应力面垂直的压应力2. 2. 表面力与作用表面力与作用面平行的切应力面平行的切应力隔离体受力分析隔离体受力分析1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物

18、理性质二、质量力二、质量力 作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如作用在每个流体质点上的力，其大小与流体质量成正比。如重力，惯性力，磁力等。又称体积力。重力，惯性力，磁力等。又称体积力。Ffm单位质量力单位质量力xxyyzzFfmFfmFfm分别投影在三个坐标轴上分别投影在三个坐标轴上1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hes

19、itate to ask me !hesitate to ask me !1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质流体的力学模型流体的力学模型连续介质连续介质n 连续介质的意义连续介质的意义欧拉欧拉避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律。可以利用数学上的连续函数来研究流体的平衡与运动规律。1.4.1 1.4.1 1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质 在流体力学中，为研究方便，提出了理想流体的概念。在流体力学中，为研究方便，提出了理想流体的概念。1.4.

20、2 1.4.2 理想流体理想流体 理想流体就是理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的。而把考虑粘性的流体称为流体称为粘性流体或实际流体粘性流体或实际流体。我们研究流体的运动时，先把流体当。我们研究流体的运动时，先把流体当成理想流体进行分析，然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。成理想流体进行分析，然后再考虑粘性对粘性流体进行修正。流体的力学模型流体的力学模型1.4.3 1.4.3 不可压缩流体不可压缩流体 流体都是可压缩的，然而有许多流体，如水等液体，其密度变化流体都是可压缩的，然而有许多流体，如水等液体，其密度变化很小，可忽略不计，由此引出了不可压缩

21、流体的概念。很小，可忽略不计，由此引出了不可压缩流体的概念。 不可压缩流体就是不可压缩流体就是把流体看作没有压缩性和膨胀性的连续介质把流体看作没有压缩性和膨胀性的连续介质。1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !1 1章章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质第一章第一章 绪论绪论教学基本要求教学基本要求1、明确流体力学课程的性质和任务。、明确流体力学课程的性质和任务。2、了解流体的基本特征，连续介质和理想流体的概念和在流体力学研、了解流体的基本特征，连续介质和理想流体的概念和在流体力学研究中的作用。究中的作用。3、理解流体几个主要物理性质的特征和度量方法，、理解流体几个主要物理性质的特征和度量方法，重点掌握流体的粘重点掌握流体的粘滞性，包括牛顿内摩擦定律及其适