流体力学流体主要物理性质.

1、工程流体力学工程流体力学1 1第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质 在研究流体静止和运动之前，首先要了解流体的内在属性，即流体的物理性质。包括密度、压缩性、膨胀性、粘性等。其中，粘性是流体物理性质中最重要的特性。工程流体力学工程流体力学2 2第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2.1 流体的定义和特征流体的定义和特征 凡是没有固定的形状易于流动的物质就叫流体。即液体和气体。 流体与固体的差别表现为流体与固体的差别表现为：固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形；固体的变形与受力的大小成正比。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。在极小切应力下就会出

2、现连续的变形流动。工程流体力学工程流体力学3 3第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质液体和气体的区别： 气体易于压缩,而液体难于压缩； 液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。 液体的流动性小于气体液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。 工程流体力学工程流体力学4 4第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质1.2 流体作为连续介质的假设流体作为连续介质的假设流体是由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。一般工程中，所研究流体的空间

3、尺度要比分子距离大得多。工程流体力学工程流体力学5 5第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。 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、流体的连续介质假设一、流体的连续介质假设工程流体力学工程流体力学6 6第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质1.避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。2. 物理量作为时空连续函数，则可利用高等数学中连续函数分析方法研究流体平衡与运动规律。 二、采用流体连续介质假设的优点：（工程应用中

4、大多数状况满足假设）（工程应用中大多数状况满足假设）工程流体力学工程流体力学7 7第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2.3 2.3 作用在流体上的力作用在流体上的力 两类作用在流体上的力：表面力和质量力 一、表面力 1. 应力AFpAn0lim 分离体以外的流体通过流体分离体表面（接触面）作用在流体上的力，其大小与作用面积成比例单位面积上的表面力。 工程流体力学工程流体力学8 8第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2. 法向应力和切向应力 dAFdAFpnnAnn0limdAFdAFpAn0lim),(tnzyxfpn法向应力切向应力以上两个力是研究流体流动时经常遇到

5、的两种应力工程流体力学工程流体力学9 9第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质 质量力是某种力场作用在全部流体质点上的力，质量力是某种力场作用在全部流体质点上的力，其大小和流体的质量或体积成正比，故称为其大小和流体的质量或体积成正比，故称为质量力质量力或或体积力体积力。kfjfiffzyx例如：重力、惯性力、磁力例如：重力、惯性力、磁力dVdVmzyxfVmFFF00lim1lim),(工程流体力学工程流体力学1010第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2.4 2.4 流体的密度流体的密度一、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。

6、单位：单位：kg/m3 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：dVdmVmV0lim工程流体力学工程流体力学1111第二章、流体及其物理性质第二章、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4oC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（kg/m3）wfd工程流体力学工程流体力学1212第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质三、流体的比体积（比容） 单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。1v单

7、位：单位： m3/kg四、混合气体的密度 混合气体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.工程流体力学工程流体力学1313第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性一、流体的压缩性 流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数 )/(/2NmpVVk2.体积模量 )/(12mNVpVkKp单位压力增加所引起的体积单位压力增加所引起的体积相对变化率相对变化率工程流体力学

8、工程流体力学1414第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质二、流体的膨胀性 流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.1.膨胀系数膨胀系数 )/1 (/KTVVV单位温度增加所引起的体积相对变化率单位：单位：C1K1或或工程流体力学工程流体力学1515第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质1.5 1.5 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性三、可压缩性流体和不可压缩性流体 1. 可压缩性 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

9、体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。工程流体力学工程流体力学1616第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2.6 2.6 流体的粘性流体的粘性一、流体的粘性一、流体的粘性 1. 1. 粘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。 工程流体力学工程流体力学1717第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质(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

10、流体微团之间会产生粘性力； 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。 工程流体力学工程流体力学1818第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质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方向的流速呈方向的流速呈线性分布，线性分布，dyhUdvyhUvxx 或实验表明，对于大多数流体，存在实验表明，对于大多数流体，存在dydvAhUAFxdydvx引入比例系数引入比例系数，得：，得：此即牛顿内摩擦定律，又称牛顿切向应力公式工程流体力学工程流体力学1919第二章、流体及

11、其物理性质第二章、流体及其物理性质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，简称称动力粘度，简称粘度粘度。牛顿内摩擦定律表明牛顿内摩擦定律表明： dydvdtdydtdvdtdxx/)(CDBAd badydudtdydvx工程流体力学工程流体力学2020第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质 流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。(1) (1) 动力粘度动力粘度dydu(2) (2) 运动粘度运动粘度)/(2sm)/(smkg3.3.

12、粘度粘度 工程流体力学工程流体力学2121第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质(3) 粘度的影响因素2.24温度对流体粘度的影响很大气体液体气体粘度o 温度内聚力是产生粘度的主要 因素。温度分子间距分子吸 引力内摩擦力粘度分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度分子热运动动量交换内摩擦力粘度 工程流体力学工程流体力学2222第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质(4) 粘度的测量 一般不能直接测量，不同物质的黏度可参考经验公式进行计算。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Engler粘度计工程流体力学工程流体力学2323第二章、流体及其

13、物理性质第二章、流体及其物理性质1.1. 具有粘性的流体（具有粘性的流体（00）。）。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。工程流体力学工程流体力学2424第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质三、牛顿流体和非牛顿流体 1.牛顿 2.非牛顿 符合牛顿内摩擦定律的流体 如水、空气、汽油和水银等 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。D DA AC CB BdydvATx工程流体力学工程流体力学2525第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质例：汽缸内壁的直径例：汽缸内壁的直径D D=12=

14、12cmcm，活塞的直径，活塞的直径d d=11.96=11.96cmcm，活塞长度，活塞长度L L=14=14cmcm，活塞往复运动的速度为，活塞往复运动的速度为1 1m/sm/s，润滑油的，润滑油的 = =0.1Pa0.1Pas s。求作用在活塞上的粘性力。求作用在活塞上的粘性力。解：dndvAT2053014011960m.dLAdndvNT5 .261051 . 0053. 03注意：面积、速度梯度的取法dDL131052/ )1196. 012. 0(012/ )(0sdDv工程流体力学工程流体力学2626第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，

15、内筒转速例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/minn=10r/min。内外筒。内外筒间充入实验液体。内筒间充入实验液体。内筒r r1 1=1.93cm=1.93cm，外筒，外筒 r r2 2=2cm=2cm，内筒高，内筒高h=7cmh=7cm，转轴上扭距转轴上扭距M=0.0045NM=0.0045Nm m。求该实验液体的粘度。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hnr1r21ArsPa952. 0得解：M注意：1.面积A的取法； 2.单位统一1210 rrr1Ar0045. 0 211rhrsPa952. 0得工程流体力学工程流体力学

16、2727第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2.7 液体的表面性质一、表面张力 1.表面张力现象 w水滴悬在树枝头而不滴落； w细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）； w昆虫浮在液面上而不下沉。 工程流体力学工程流体力学2828第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质影响球：34r 厚度小于影响球半径的液面下薄层称为表面层。表面层内的所有液体分子均受到向下的吸引力，从而把表面层紧紧地拉向液体内部。 工程流体力学工程流体力学2929第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质定义：使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力.表面张力系数 ：单位长度上的表面张力. 表

17、面张力的产生部位：液、气接触自由表面,液固接触的周界、不同液体接触的周界表面张力产生的原因：由于内聚力的不同而导致（分子受力不平衡）。Lf工程流体力学工程流体力学3030第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质2)毛细管现象 在毛细管中,表面张力可以引起液面上升或下降,此现象称之为毛细管现象.液固间附着力大于液体的内聚力H2O液固间附着力小于液体的内聚力(Hg)接触角概念接触角概念: 当液体与固体壁面接触时当液体与固体壁面接触时, , 在液体在液体, ,固体壁固体壁面作液体表面的切面面作液体表面的切面, , 此切面与固体壁在液体内部所夹部此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度分的角度

18、称为接触角称为接触角, , 当当 为锐角时为锐角时, , 液体润湿固体液体润湿固体, , 当当 为钝角时为钝角时, , 液体不润湿固体液体不润湿固体. .水与洁净玻璃的 = 0 水银与洁净玻璃的 = 140rrhh(a)(b)毛细管现象 工程流体力学工程流体力学3131第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质4/cos2hDgD 表面张力在垂直方向的分力与所升高液柱的重量相等时,液柱平衡不再升高.即有:液柱高度h:gDhcos4工程流体力学工程流体力学3232第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质 图1-6 液体在毛细管内上升 (a) 湿润管壁的液体的液面上升 工程流体力学工程流体力学3333第二章、流体及其物理性质第二章、流体及其物理性质 图1-6 液体在毛细管内下降 (b) 不湿润管壁的液体的液面下降内聚力内聚力: 液体分子间吸引力附着