流体力学绪论2

1、第三节 流体的主要物理性质一、惯性（牛一律）一、惯性（牛一律） 1 定义：物体保持原有运动状态的性质定义：物体保持原有运动状态的性质2 度量：度量：密度密度（Density） 单位体积流体的质量单位体积流体的质量，kg/m3 。0limmVV3 均质流体均质流体内部各点处的密度均相等内部各点处的密度均相等：mV密度常用值：密度常用值： 水水 =1000 kg/m3 （常温常压）（常温常压） 水银水银 =13600 kg/m3 空气空气 =1.2 kg/m3 容重容重（Specific Weight）、）、比容比容(Specific Volume)、比重比重（Specific Gravity）二

2、、二、粘滞性（粘性粘滞性（粘性）1、粘滞性（粘性）定义粘滞性（粘性）定义 当流体处于运动的状态下，若流体质点间存在相对运当流体处于运动的状态下，若流体质点间存在相对运动，则质点间要产生内摩擦力（粘滞力），抵抗其相对运动，则质点间要产生内摩擦力（粘滞力），抵抗其相对运动，这种性质称为流体的粘滞性。动，这种性质称为流体的粘滞性。 即流体所产生的抵抗剪切变形的性质即流体所产生的抵抗剪切变形的性质。2、粘度、粘度（1）流体粘度的定义）流体粘度的定义 粘性大小由粘度来量度粘性大小由粘度来量度 由流动流体的由流动流体的 内聚力内聚力和分子的和分子的动量交换动量交换所引起的所引起的（2）分类）分类 动力粘滞

3、系数动力粘滞系数 ：又称绝对粘度、动力粘度、粘度，是反映流体：又称绝对粘度、动力粘度、粘度，是反映流体粘滞性粘滞性 大小的系数，单位：大小的系数，单位：1Ns/m2 = 1 Pa.s。 运动粘滞系数运动粘滞系数 ：又称相对粘度，运动粘性系数又称相对粘度，运动粘性系数,单位：单位：m2/s（3）粘度的影响因素）粘度的影响因素 (P5表表1-3、4）流体粘度流体粘度 的数值随流体的数值随流体种类种类而不同，并随而不同，并随压强、温度压强、温度而变化。而变化。 流体种类：流体种类：相同条件下液体的粘度一般大于气体的相同条件下液体的粘度一般大于气体的粘度。粘度。 压强：压强：常见的流体水、气体等，常见

4、的流体水、气体等， 值随压强的变化不值随压强的变化不 大，一般可忽略不计。大，一般可忽略不计。 温度：温度：是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增加。体的粘度减小，气体的粘度增加。 a.液体：液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大，间距离增大， 吸引力减小，因而使剪切变形速度所产吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以生的切应力减小，所以 值减小。值减小。 b.气体：气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘

5、度主要是由气体分子由气体分子 运动动量交换的结果所引起的。温度升高运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动，分子运动加快，动 量交换频繁，所以量交换频繁，所以 值增加。值增加。3、牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律（1）牛顿平板实验）牛顿平板实验 实验装置 受力分析 实验结果 剪切变形duTduTAdyAdy或tandudtdudddddydydtdt（2）牛顿内摩擦定律）牛顿内摩擦定律 液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即的速率成正比。即duddydt 粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。粘性切应力，是单位面积上

6、的内摩擦力。说明：说明：1）流体的切应力与速度梯度、剪切变形速率）流体的切应力与速度梯度、剪切变形速率(角变角变形率形率)成正比成正比(区别于固体的重要特性区别于固体的重要特性)。 固体的切固体的切应力与角变形的大小应力与角变形的大小 成正比。成正比。 2）流体的切应力与动力粘性系数）流体的切应力与动力粘性系数 成正比。成正比。 3）对于平衡流体）对于平衡流体du/dy=0或理想流体或理想流体 =0，所以不，所以不产生切应力，产生切应力， =0。 4）牛顿）牛顿1686年提出，后人验证年提出，后人验证.4 4、理想流体、理想流体（无粘性流体） 根据流体是否具有粘性根据流体是否具有粘性，可分为，

7、可分为：实际流体：实际流体： 指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形能力，指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形能力，即存在摩擦力，粘性系数即存在摩擦力，粘性系数 0 0。理想流体：理想流体： 是指无粘性（是指无粘性（ =0=0）的一种假想流体，的一种假想流体，在在运动时也能运动时也能抵抗剪切变形。抵抗剪切变形。说明：说明： 人为定义的一种力学模型，实际不存在，实际流体有人为定义的一种力学模型，实际不存在，实际流体有粘性。粘性。 不考虑粘性可使流动分析大为简化，从而得出理论分不考虑粘性可使流动分析大为简化，从而得出理论分析结果。析结果。三、压缩性三、压缩性Compressibility

8、和热胀性和热胀性压缩性：压缩性：流体因压强流体因压强 分子间距离分子间距离 体积体积 密度密度 的性质的性质 热胀性：热胀性：流体因温度流体因温度 分子间距离分子间距离 体积体积 密度密度 的性质的性质1、液体的压缩性和热胀性、液体的压缩性和热胀性压缩系数压缩系数(体积压缩系数体积压缩系数Coefficient of Volume Compressibility)： 流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当压强增流体体积的相对缩小值与压强增值之比，即当压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值大一个单位值时，流体体积的相对减小值dpVdV /单位单位（m m2 /N/N ，Pa-1）压缩系数：

9、压缩系数：体积模量体积模量：压缩系数的倒数：压缩系数的倒数,单位单位Pa ( (体积弹性模量体积弹性模量Bulk Modulus of Elasticity) )dpVdV /1d pd pKVd Vd 热胀系数热胀系数v：dTddTVdVV/单位单位1/或或1/K液体液体K、随温度和压强变化甚微，随温度和压强变化甚微，v变化也不大。变化也不大。可近似用可近似用下式表示：下式表示：说明说明：a. a. K越大，越不易被压缩，当越大，越不易被压缩，当K时，表示该流体绝对时，表示该流体绝对不可压缩不可压缩。b.b.流体的种类不同，其流体的种类不同，其、K值不同。值不同。c.c.同一种流体的同一种流

10、体的、K值随温度、压强的变化而变化。值随温度、压强的变化而变化。d.d.在一定温度和中等压强下，水的体积在一定温度和中等压强下，水的体积弹性模量弹性模量变化不大。变化不大。121211VVppVpVKVK，即1d pd pKVd Vd 一般工程设计中，水的一般工程设计中，水的K=2=210109 9 Pa Pa ，说明，说明 p=1p=1个大气压时，个大气压时， p p不大的条件下，水的压缩性可忽略，相应的水的密度可视不大的条件下，水的压缩性可忽略，相应的水的密度可视为常数。为常数。200001VV3 不可压缩流体不可压缩流体可压缩流体可压缩流体（Compressible Flow）：）：(

11、(constconst) ) 流体密度随压强变化不能忽略的流体。流体密度随压强变化不能忽略的流体。不可压缩流体不可压缩流体（Incompressible Flow）：）： ( ( =const=const) )流体密度随压强变化很小流体密度随压强变化很小，流体的密度流体的密度可视可视为常数的流体为常数的流体 严格地说，不存在完全不可压缩的流体严格地说，不存在完全不可压缩的流体。一般情况下的液体都可视为不可压缩流体一般情况下的液体都可视为不可压缩流体 （发生水击、热水采暖、液压系统时除外）。（发生水击、热水采暖、液压系统时除外）。对于气体，当所受压强变化相对较小时，对于气体，当所受压强变化相对较

12、小时， 可视为不可压缩流体。可视为不可压缩流体。管路中压降较大时，应作为可压缩流体（燃气输配）。管路中压降较大时，应作为可压缩流体（燃气输配）。四、四、 表面张力特性（毛细现象、量测误差）表面张力特性（毛细现象、量测误差）1 表面张力表面张力（Surface Tension）：）： 液体表面在分子作用半径的薄层内由于分子引力大液体表面在分子作用半径的薄层内由于分子引力大于斥力在表层沿表面方向所产生的拉力。于斥力在表层沿表面方向所产生的拉力。2 表面张力系数表面张力系数 ： 指液体表面上单位长度所受到的表面张力，单位为指液体表面上单位长度所受到的表面张力，单位为N/m。3 3 毛细现象毛细现象（

13、Capillarity Phenomena）：）：是指含有细微缝是指含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。在不浸润情况下液体沿缝隙下降的现象。rh水rh水银注：注： 很小很小 特例特例 测压管测压管1 汽化汽化Evaporation：液体分子逸出液面向空间扩散的液体分子逸出液面向空间扩散的过程，即液态变为气态。过程，即液态变为气态。 凝结凝结Condensation：汽化的逆过程汽化的逆过程，蒸汽凝结为液体，蒸汽凝结为液体2 汽化压强汽化压强（饱和蒸汽压饱和蒸汽压Evapor

14、ation Pressure）：）：是指在液体中，汽化和凝结同时存在，当这两个过程达到是指在液体中，汽化和凝结同时存在，当这两个过程达到动态平衡动态平衡时，即气体分子返回到液体表面的速率与液面上时，即气体分子返回到液体表面的速率与液面上的液体分子散逸到空间的速率相等时，的液体分子散逸到空间的速率相等时，宏观宏观的汽化现象停的汽化现象停止，此时的液体压强称为汽化压强。止，此时的液体压强称为汽化压强。五、五、 汽化压强汽化压强3 空化（空化（Cavitation）：）：是指液体内局部压力降低到低于是指液体内局部压力降低到低于汽化压强时，该处液体就会沸腾，液体内部或液固交界汽化压强时，该处液体就会沸

15、腾，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体（空泡）的形成、发展和溃灭的过程。面上蒸汽或气体（空泡）的形成、发展和溃灭的过程。4 气蚀：气蚀：空化时气泡进入高压处，在高压作用下迅速破灭，空化时气泡进入高压处，在高压作用下迅速破灭，伴随气泡溃灭，将对壁面产生极大的冲击力，有可能使伴随气泡溃灭，将对壁面产生极大的冲击力，有可能使壁面被剥蚀破坏的现象。壁面被剥蚀破坏的现象。 空化发生在水流的低压区，是产生空蚀的前提，空空化发生在水流的低压区，是产生空蚀的前提，空蚀则是随后在压强稍高的区域内气泡溃灭、破坏外界材蚀则是随后在压强稍高的区域内气泡溃灭、破坏外界材料的结果。料的结果。本章小结本章小结1、工程流体力学

16、任务是研究流体的宏观机械运工程流体力学任务是研究流体的宏观机械运动，提出了流体的易动，提出了流体的易流动性流动性概念，即流体在概念，即流体在静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小切静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。应力作用下都会发生变形或流动。 引入了引入了连续介质模型连续介质模型假设，把流体看成假设，把流体看成没有空隙的连续介质，则流体中的一切物理没有空隙的连续介质，则流体中的一切物理量看作时空的连续函数，可采用函数理论作量看作时空的连续函数，可采用函数理论作为分析工具。为分析工具。2、作用在流体上的力根据作用方式不同、作用在流体上的力根据作用方式不同分为分为

17、质量力质量力和和表面力表面力：dAdPAPpAAlim0dAdTATAAlim0BFBmfXiYjZk3、流体的压缩性一般可用流体的压缩性一般可用压缩系数压缩系数和和体积模量体积模量K来描述，通常情况下，压强变化不大时，都来描述，通常情况下，压强变化不大时，都可视为可视为不可压缩流体不可压缩流体； 热胀性用热胀性用热胀系数热胀系数v描述：描述：1/dVVKdp dTddTVdVV/4、粘滞性是流体的主要物理性质，是抵抗剪切变形的一粘滞性是流体的主要物理性质，是抵抗剪切变形的一种性质，不同的流种性质，不同的流 体粘滞性大小用体粘滞性大小用动力粘滞系数动力粘滞系数 或或运运动粘滞系数动粘滞系数 来反映。来反映。理想流体理想流体是一种假想流体。其中是一种假想流体。其中温度是粘度的影响因素：随温度升高，气体粘度上升、温度是粘度的影响因素：随温度升高，气体粘度上升、液体粘度下降。液体粘度下降。 牛顿内摩擦牛顿内摩擦 定律定律它表明流体的切应力大小与速度梯它表明流体的切应力大小与速度梯度或角变形率或剪切变形速率成正比，这是流体区别于度或角变形率或剪切变形速率成正比，这是流体区别于固体（其切应力与剪切变形大小成正比）的一个重要特固体（其切应力与剪切变形大小成正比