第一章、流体物理性质

第1章流体及其主要物理性质

§1.2 流体的主要物理力学性质§1.3

作用在流体上的力§1.1

流体的定义和特征§1.4

流体的力学模型1章流体及其主要物理性质第一章绪论

教学基本要求1、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，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。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）和单位质量力的物理意义。学习重点1、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擦定律及其应用条件。3、作用在流体上的两种力。1章流体及其主要物理性质自然界物质有三种存在状态：气体、固体、液体§1.1流体的定义和特征1、流体与固体区别联系从分子间距、内聚力、形态、拉力、压力、剪切力、2、气体与液体区别联系是否保持一定的体积1章流体及其主要物理性质§1.1流体的定义和特征在任何微小剪切力作用下，液体变形流动，所以液体具有流动性不能保持一定的形状，能保持比较固定的体积。当气体远比音速小时，在运动过程中其密度变化较小，气体视为不可压缩，液体（水）力学基本原理同样使用于气体。1章流体及其主要物理性质流体的物理性质是决定流体流动状态的内在因素，所以我们先学习流体有关的几个物理力学性质。§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.1惯性、密度、比体积和相对密度惯性是物体保持其原有运动状态的一种特性，惯性的大小以质量来衡量，质量大的物体惯性大。当流体受外力作用使运动状态发生改变时，由于流体的惯性引起对外界抵抗的反作用力称为惯性力。1章流体及其主要物理性质水的密度水银的密度§1.2流体的主要物理力学性质单位体积的流体质量是密度，密度的单位为均质流体的密度非均质流体的密度温度与水的密度关系液体的密度随温度和压强的变化甚微，一般近似认为液体的密度为常数。1章流体及其主要物理性质物体之间具有相互吸引的性质，这个吸引力称为万有引力。地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用G

表示，重力的大小称为重量。§1.2流体的主要物理力学性质单位体积流体所具有的重力，称为容重（重度）。1章流体及其主要物理性质单位质量流体所占据的空间体积称为比体积，用符号υ表示（m3/kg）。§1.2流体的主要物理力学性质均值流体质量与4度同体积纯水的质量之比称为该流体的相对密度，用符号d表示(无量纲数)。1章流体及其主要物理性质压缩性用体积压缩系数κ表示(1/Pa)。§1.2.2压缩性及膨胀性压缩性：指流体受压,体积缩小,密度增大,除去外力后能恢复原状的性质膨胀性：指流体受热,体积膨胀,密度减小,温度下降后能恢复原状的性质1.压缩性体积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。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流体的主要物理力学性质一、液体的压缩性及膨胀性1章流体及其主要物理性质流体压缩时其质量并不改变，故故所谓弹性模量K(Pa)，乃体积压缩系数的倒数，即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流体的主要物理力学性质2.膨胀性膨胀性用体积膨胀系数表示，在一定压强下，单位温升所引起的体积变化率α(1/K)。1章流体及其主要物理性质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，即式中，p---为气体的绝对压强；

T---为气体热力学温度；

R---为气体常数，空气的气体常数是287J/（kg·K）。§1.2流体的主要物理力学性质二、气体的压缩性及膨胀性观看录像演示1章流体及其主要物理性质§1.2流体的主要物理力学性质§1.2.3粘性前面我们学习了流体具有流动性。流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质。这种变形亦称为减切变形。流体在运动状态下，内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力以抵抗减切变形的性质称为粘性。也就是说：当流体处于运动状态时，流体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵制其相对运动，这种性质称为流体的粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力。观看录像演示1章流体及其主要物理性质§1.2流体的主要物理力学性质为了理解流体的粘性，如图所示，液体沿固定平面壁作平面直线运动，紧靠固体壁面的第一层水层粘在壁面上不动；第一层通过摩擦作用影响第二层的流速、第二层又通过摩擦（粘性力）作用影响第三层流速，依此类推。

一、粘性表象因各流层的不同，它们之间就有相对运动，上层的流得快，它就要拖动下一层，而下一层流得较慢，就要阻止上面一层，于是两层之间就产生内摩擦力，如图所示。流体粘性示意图流体粘性示意图1章流体及其主要物理性质由于运动流体内部存在摩擦力，于是流体在运动过程中为克服内摩擦力就要不断消耗流体的能量，所以说粘性是引起流体运动能量损失的根源，因此在分析和研究流体运动中流体的粘性占有很重要的地位。§1.2流体的主要物理力学性质由于内摩擦力与作用力平行，故称切应力，用表示，（单位用Pa，）

应指出，粘性对流体运动的影响极为重要。1章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二、牛顿内摩擦定律引入比例系数为式中，为动力粘度，简称粘度。为流速梯度。上式即为牛顿内摩擦定律，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，与流速梯度成正比，与流体的性质有关。内摩擦力，即切应力§1.2流体的主要物理力学性质1章流体及其主要物理性质⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)粘性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力粘度，简称粘度(Pa.s)。CDBAdbadydudt牛顿内摩擦定律表明：(4)运动粘度(m2/s)§1.2流体的主要物理力学性质观看录像演示1章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不大，一般忽略不计。粘度的影响因素T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)T（℃）(10-3Pa·s)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.296§1.2流体的主要物理力学性质水的粘度随温度的变化1章流体及其主要物理性质温度对流体粘度的影响很大温度压强对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：分子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↓气体：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↑粘度的影响因素§1.2流体的主要物理力学性质1章流体及其主要物理性质三、牛顿流体和非牛顿流体1.牛顿流体

2.非牛顿流体

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。§1.2流体的主要物理力学性质1章流体及其主要物理性质例题1：一平板在油面上做水平运动（如图所示），已知平板的运动速度为u=40cm/s，油层的厚度δ=5mm，油的动力粘度μ=0.1Pa·s，求作用在平板上的切应力。

解：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。因为油层的厚度δ很小，流层的流线分布可近似看做直线分布，即由牛顿内摩擦定律§1.2流体的主要物理力学性质1章流体及其主要物理性质§1.2.5表面张力特性1.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，产生了及其微小的拉力，这种拉力称之为表面张力。2.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，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流体的主要物理力学性质1章流体及其主要物理性质欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!1章流体及其主要物理性质§1.3作用在流体上的力作用在流体上的力有两种：表面力和质量力一、表面力应力即单位面积上的表面力。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。1.表面力与作用面垂直的压应力2.表面力与作用面平行的切应力隔离体受力分析1章流体及其主要物理性质§1.3作用在流体上的力二、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。如重力，惯性力，磁力等。又称体积力。单位质量力分别投影在三个坐标轴上1章流体及其主要物理性质欢迎提问

如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!1章流体及其主要物理性质§1.4流体的力学模型定义：连续介质即假设流体是一种连续充满其所占空间毫无间隙的连续体。连续介质的意义连续介质的概念是瑞士学者欧拉在1753年提出的。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。§1.4.1连续介质模型观看录像演示1章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。§1.4.2理想流体理想流体就是把流体看作没有粘性的连续介质。而把考虑粘性的流体称为粘性流体或实际流体。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。§1.4流体的力学模型§1.4.3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。不可压缩流体就是把流体看作没有压缩性和膨胀性的连续介质。1章流体及其主要物理性质欢迎提问如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!Incaseofyouhaveanyquestion,DONOThesitatetoaskme!1章流体及其主要物理性质第一章绪论

教学基本要求1、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，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。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）和单位质量力的物理意义。学习重点1、连续介质和理想流体的概念。2、流体的基本特征