Chap1 流体的主要物理性质

▲

流体的特征及连续介质概念；

▲

流体的密度、重度、比体积和比重；

▲

流体的压缩性和膨胀性；

▲

流体的粘性及非牛顿流体简介；讲解内容:

▲

毛细管现象与液体的表面张力；

▲

作用在流体上的力；第一章流体的主要物理性质物质的三个基本属性:

1.有大量分子组成；2.分子间存在分子力的作用；3.分子不断作随机热运动。

一、流体的物理属性

§1-1流体的特征及连续介质概念▲

同体积的分子数:气体<液体<固体；▲

相同分子距的分子力:气体<液体<固体；▲

分子随机热运动强度:气体>液体>固体。气体、液体、固体三个基本属性(微观上)的差别:

§1-1流体的特征及连续介质概念▲

固体有一定体积和一定的形状；▲

液体有一定体积而无一定的形状；▲气体既无一定体积又无一定的形状。

气体、液体、固体宏观上的差异:

§1-1流体的特征及连续介质概念▲流体只能承受压力；一般不能承受拉力，特殊情况下其自由表面可承受一定的拉力（表面张力）；在平衡状态下不能承受剪切力(任何微小的剪切力作用即发生流动，破坏平衡)。▲

固体有承受拉、压、剪作用的能力(抗拉、抗压、抗剪强度)；流体(气体、液体)和固体在力学性能上的差异:

§1-1流体的特征及连续介质概念二、流体质点的概念

流体质点的定义:

流体中宏观尺寸非常小，而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。

二、流体质点的概念

§1-1流体的特征及连续介质概念▲流体质点的微观尺寸足够大。含有足够多的流体分子，个别分子的行为不会影响质点总体的统计平均特性；▲

流体质点的宏观尺寸非常小。用数学语言来说就是流体质点所占的宏观体积极限为零，但并不等于零；流体质点有四层含义:

▲

流体质点是一物理实体，具有一定的宏观物理量(质量、密度、温度、压力、流速、动量、动能、内能等等)；▲流体质点的形状可以任意划定，即质点和质点之间可以完全没有空隙。§1-1流体的特征及连续介质概念流体微团(流体微元或微元体):

流体中任意小的微元部分叫作流体微团，由无数个流体质点组成，当流体微团的体积无限缩小并以某一坐标点为极限时，流体微团就成为处在该坐标点上的流体质点。

§1-1流体的特征及连续介质概念为何作此假设：可以摆脱复杂的单个分子的运动；将流体看作是由无数个质点组成的连续的物体，这样既可以将描述流体的各种宏观物理量看成是空间坐标的连续函数，也即可以引用连续函数的分析方法描述流体的平衡和运动。连续介质假设：假设组成流体的最小物理实体是流体质点而不是流体分子，即假定流体是有无穷多的、无穷小的、紧密毗连、连绵不断的流体质点组成的一种决无间隙的连续介质。该假设是欧拉(Euler)在1753年首先采用的。三、连续介质假设

假设的适用条件：适用于所有液体及大多数气体，稀薄气体不适用。§1-1流体的特征及连续介质概念非均质流体:单位:国际单位:

物理单位:

均质流体:一、密度§1-2流体的密度、重度、比体积和比重

非均质流体:均质流体:单位:国际单位:二、重度§1-2流体的密度、重度、比体积和比重

四、比重(相对密度)

三、两个物理量的换算关系

液体的比重:液体的重量与同体积的温度4℃蒸馏水重量之比。气体的比重:

相同压强、相同温度条件下，气体重度与空气重度之比。§1-2流体的密度、重度、比体积和比重

§1-2流体的密度、重度、比体积和比重

同一个物理量在不同单位制中有不同的数值和单位；

并非定值，与温度、压力有关；

同一单位制中，密度和重度不但单位不同，数值也不同，是完全不同的两个概念。五、几点注意事项

体积压缩系数单位：一、压缩性V-原体积，dV-体积变化量，dP-压力的增量，定义:

温度不变时，在压力作用下，体积缩小的性质，不同的流体压缩性不同。描述:

用体积压缩系数描述流体的压缩性，定义为增加单位压力，体积的相对变化量。§1-3流体的压缩性和膨胀性

可压缩流体（密度随温度和压力变化）。不可压缩流体（密度为常数）；根据压缩性的大小，可将流体分为:

液体一般忽略其压缩性。气体一般为可压缩流体[]。§1-3流体的压缩性和膨胀性

定义：压力不变，温度升高，体积增大的特性.。

液体的膨胀性较小，一般不考虑。dT-温度的增量，℃，KV-原体积，dV-体积变化量，描述：用体积膨胀系数描述流体的膨胀性，定义为增加单位温度，体积的相对变化量:二、膨胀性

§1-3流体的压缩性和膨胀性

一、粘性的概念

粘性定义：粘性是指当流体微团发生相对运动时产生切向阻力的性质。

阻力包括：分子间的吸引力，和流体分子与壁面附着力。表现形式：以摩擦形式表现出来。

表面上看：流体有稀有稠，有很粘的，有不很粘的，差别很大。这是流体一种很重要的性质，即粘性。这种粘性的力学实质是什么?稀的易流动，稠的不易流动，粘性反映了流体流动性能的好坏。§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

实验条件(如图1-1):

一个假想的实验:

两板距离为，上板面积为A。

两个平行板，其间充满液体，下板以速度匀速运动，上板以速度匀速运动。实验内容:不同的、不同、不同液体情况下，测量力T，研究T与及液体性质的关系。。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

(为与液体性质有关的系数)

实验结论:

即:§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

3.，定义为液体粘度或粘性系数，保证永为正。1.:剪切应力-流体力学中流体内部的应力；2.假定平板间的流速为直线分布，:速度梯度--流体力学中描述流体变形；

这就是牛顿内摩擦定律。它说明:流体中的切应力与流体粘度及速度梯度成正比。画出曲线(图1-2):分析该式:

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

三、粘性系数或粘度

称为流体的动力粘度或动力粘性系数。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

粘性为流体的一种特性(固有的性质)，粘性系数或粘度表示流体粘性的大小。定义为:

时，等于切应力的大小。

单位:国际单位制:，

物理单位制:

泊

1泊=100厘泊物理意义:§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

运动粘度

:定义为

国际单位:，物理单位:

“斯（St)”

1“斯（St)”=100“厘斯（cSt)”

为何叫”运动粘度”:因为有类似运动学的单位。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介温度对粘度的影响显著:

液体:温度，粘度(T分子距分子吸引力粘度)气体:温度，粘度(T分子动量交换率粘度)

原因在于液体和气体产生粘度的机理不同。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

四、速度梯度在运动学上的物理意义

参见图1-3。在运动流体中取ABCD矩形微团，设流动为稳定流动(运动参数不随时间变化)。AB层流体速度为u；DC层流体速度为u+du；dt时间间隔后:§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

结论:

速度梯度即为剪切变形角速度；

运动流体中切应力与剪切变形角速度成正比。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

五、按应力应变关系对流体的分类:

牛顿流体:符合牛顿摩擦定律的流体(如水)，μ为定值；

非牛顿流体:不符合牛顿内摩擦定律的流体(绝大多数液体)。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

六、

理想流体

定义:

没有粘性的流体为理想流体。实际上并不存在，是一种流体模型。(类似于固体力学上的刚体模型)。

引入目的:为研究方便。如，先假设为理想流体进行理论研究，后考虑粘性作对理论分析结果作修正。

§1-4流体的粘性及非牛顿流体简介

例§1-5毛细管现象与液体的表面张力

一、毛细管现象

参见图1-5。

细玻璃管插入水中，液面上升，水面上弯。

细玻璃管插入水银中，液面下降，水银面下弯。

为什么会产生这种现象?

二、毛细管现象的解释

细玻璃管插入水中:液体内力<附着力水润湿玻璃表面张力使水面上弯并上升。

表面张力:自由表面(液-气)上的液体分子受力不平衡.()导致液体分子有向内部收缩的倾向。自由表面上出现拉紧作用的力，单位长度上的这种力称为表面张力。

附着力:

液体与固体接触面上产生的相互吸附的力。

毛细管现象的解释:

2)细玻璃管插入水银中:液体内力>附着力水银不能润湿玻璃表面张力使水银面下弯并下降。

§1-5毛细管现象与液体的表面张力

§1-6作用在流体上的力

两种力:

质量力(体积力)和表面力，参见图1-7。

一、质量力(体积力)

与流体的质量(体积)成正比且作用点在质量中心的力。

惯性力:

离心惯性力:

如：重力：§1-6作用在流体上的力

数学表示:

总质量力:F；单位质量力:（重力场中为g，惯性力场中为a）

总质量力的坐标分力为:

单位质量力坐标分为:二、表面力

作用于流体表面(外表面，内表面)并与作用的表面积成正比的力。表面力分为:

压力(垂直于作用面):(压应力)

切力(平行于作用面):(切应力)

(切力)§1-6作用在流体上的力

（压力）1.从微观及宏观搞清流体与固体的区别；小结:

2.流体质点、流体微团的定义；3.