第二章流体的基本性质2012

1、本章主要内容 流体的定义和特征流体的定义和特征 流体作为连续介质的假设流体作为连续介质的假设 作用在流体上的力作用在流体上的力 表面力表面力 质量力质量力 流体的密度流体的密度 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 流体的粘性流体的粘性 流体的表面性质流体的表面性质第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的定义和特征流体的定义和特征 流体与固体的区别流体与固体的区别 具有具有流动性流动性的物体（即能够流动的物体）的物体（即能够流动的物体）。 液体和气体是流体液体和气体是流体 固态固态、液态和气态、液态和气态 固体的变形与受力的大小成正比；固体的变形与受力的大小成正比； 任何一个微

2、小的剪切力都能使流体发生连续的变形任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的定义和特征流体的定义和特征 液体与气体的区别液体与气体的区别 流动性流动性 液体的流动性小于气体；液体的流动性小于气体； -在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性 液体具有一定的体积，并取容器的形状；液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积气体充满任何容器，而无一定体积。第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的连续介质假设流体的连续介质假设流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，流体是由

3、大量做无规则热运动的分子所组成， 分子间存有空隙，在空间是不连续的。分子间存有空隙，在空间是不连续的。一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多。子距离大得多。问题的引出：问题的引出：第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质流体的连续介质假设流体的连续介质假设流体视为由流体视为由无数连续分布的无数连续分布的流体微团流体微团组成的连续介质。组成的连续介质。 流体微团必须具备的两个条件流体微团必须具备的两个条件 必须包含足够多的分子；必须包含足够多的分子； 体积必须很小。体积必须很小。一、流体的一、流体的连续介质假设连续介质假设 第二章第二章 流

4、体及其物理性质流体及其物理性质流体的连续介质假设流体的连续介质假设1.1. 避免了流体分子运动的复杂性避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏，只需研究流体的宏 观运动。观运动。2. 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。 二、二、采用采用流体流体连续介质假设的优点连续介质假设的优点第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 两类作用在流体上的力：两类作用在流体上的力：表面力和质量力表面力和质量力 一、表面力一、表面力 1. 应力应力AFpAn0limFFAFpT 分离体以外的流体通过分离体以外的流体通过流体分离体表面作用在流体上流体分

5、离体表面作用在流体上的力，其大小与作用面积成比的力，其大小与作用面积成比单位面积上的表面力。单位面积上的表面力。 第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 一、表面力（续）一、表面力（续） 2. 法向法向应力和切向应力应力和切向应力 FFAFpTdAFdAFpnnAnn0limdAFdAFpAn0lim第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 二、质量力二、质量力 作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。成正比。kfjfiffzyx例如：重力、惯性力、磁力例如：重力、惯性力、磁力第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 一、

6、流体的密度一、流体的密度 单位体积流体所具有的质量。单位体积流体所具有的质量。 密度表征物体惯性的物理量。密度表征物体惯性的物理量。 dVdM单位：单位：kg/mkg/m3 3 VM常见流体的密度：常见流体的密度： 水水1000 kg/m3 空气空气1.23 kg/m3 水银水银136000 kg/m3均匀流体：均匀流体：V*Vmvx0yzPv第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 二、流体的相对密度二、流体的相对密度 流体的密度与流体的密度与4 4o oC C时水的密度的比值。时水的密度的比值。 式中，式中， f 流体的密度（流体的密度（kg/m3） w4oC时水的密度（时水的密度（

7、kg/m3）wfd第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 三、流体的比容三、流体的比容 单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。1v单位：单位： m3/kg第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质 四、混合气体的密度四、混合气体的密度 混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。式中：式中： 1， 2， n 各组分气体的密度各组分气体的密度 a1， a2， an各组分气体所占的体积百分数各组分气体所占的体积百分数niiinnaaaa12211.第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理

8、性质一、流体的压缩性一、流体的压缩性 流体体积随着压强的增大而缩小的性质。流体体积随着压强的增大而缩小的性质。1.压缩系数压缩系数 )/(/2NmpVVk2.体积模量体积模量 )/(12mNVpVkKp单位压强增加所引起的体积单位压强增加所引起的体积相对变化量相对变化量在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性 流体体积随着温度的增大而增大的性质。流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.体胀系数体胀系数 )/1 (/KTVVaV单位温度增加所引起的体积单位温度增加所引起的体积相对变化量相对变化量TVPmRdTPTm

9、RdVdTdVVVdTdVaggv1)(11在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质三、可压缩性流体和不可压缩性流体三、可压缩性流体和不可压缩性流体 1. 可压缩性可压缩性 2. 可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体常数 可压缩流体：考虑可压缩性的流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体 不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体常数流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性 1. 1. 粘

10、性的定义粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1) (1) 库仑实验库仑实验(1784)(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。 第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) ) 1 1.粘性的定义粘性的定义( (续续) ) (2) (2) 流体粘性所产生的两种效应流体粘性所产生的两种效应 流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体内部各流体微团之间会产生粘

11、性力； 流体将粘附于它所接触的固体表面。流体将粘附于它所接触的固体表面。 A 外摩擦力；B 内摩擦力；C 两者都不是。 流体内摩擦是两层流体之间的摩擦力，流流体内摩擦是两层流体之间的摩擦力，流体与固壁之间的摩擦力属于体与固壁之间的摩擦力属于第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) )2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 (1) (1) 牛顿平板实验牛顿平板实验当当h和和u不是不是很大时，两平板间沿很大时，两平板间沿y y方向的流速呈线性分布，方向的流速呈线性分布，ohdyyu+duuyUdyhUduyhUu或粘性 Viscosityohdyyu+d

12、uuyU第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) )2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) ) (2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律dydu实验表明，对于大多数流体，存在实验表明，对于大多数流体，存在dyduAhUAF引入比例系数引入比例系数，得：，得：ohdyyu+duuyU第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) ) 2.2.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) ) (2) (2) 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律( (续续) )粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正

13、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)比例系数称动力粘度，简称粘度。比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律表明：牛顿内摩擦定律表明： dydudydudtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudt速度梯度的物理意义角变形速度（剪切变形速度）yvddytvdddtgddtyvddddvdt(v+dv)dtdvdtdzd流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于dv/dy正比于正压力，与速度无关第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) ) 流体粘性大小的度量流体粘性大小的度量, ,由流体流动由流

14、体流动的内聚力和分子的动量交换引起。的内聚力和分子的动量交换引起。(1) (1) 动力粘度动力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2) (2) 运动粘度运动粘度)/(2sm)/(smkg3.3.粘度粘度 第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) ) 3.3. (3) (3) 粘度的影响因素粘度的影响因素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 温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计压力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

15、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 Example例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：drdvAF2053014011960m.dLAdrdvNF5 .261051 . 0053. 03注意：面积、速度梯度的取法dDL131052/ )1196. 012. 0(012/ )(0sdDv同心环形缝隙中的回转运动例：

16、旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。解：dydu602 nM注意：1.面积A的取法； 2.单位统一hnr1r21210rrr1Ar0045.0211rhrsPa952. 0得第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、流体的粘性一、流体的粘性( (续续) ) 3.3. (4) (4) 粘度的测量粘度的测量管流法管流法 落球法落球法 旋转法旋转法 工业粘度计工业粘度计第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质二、粘性流体和理想流体二、粘

17、性流体和理想流体 1.1. 具有粘性的流体（具有粘性的流体（00）。）。2.2.理想理想 忽略粘性的流体（忽略粘性的流体（=0 0）。）。 一种理想的流体模型。一种理想的流体模型。第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质三、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

18、凝土等。第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、表面张力一、表面张力 1.1.表面张力现象表面张力现象 w水滴悬在水龙头出口而不滴落；水滴悬在水龙头出口而不滴落； w细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）； w铁针浮在液面上而不下沉。铁针浮在液面上而不下沉。 第二章第二章 流体及其物理性质流体及其物理性质一、表面张力（续）一、表面张力（续） (1) 影响球影响球 液体分子吸引力的作用范围大约在以液体分子吸引力的作用范围大约在以3434倍平均分子距倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球影响球”。 2.2.表面张力表面张力 (2)表面层表面层 厚度小于厚度小于“影响球影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。半径的液面下的薄层称为表面层。(3)表面张力表面张力（N/m)N/m) 液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力生的拉力, 单位长度上的这种拉力称为表面拉力。单位长度上的这种拉力称为表面拉力。第