第二章流体及其物理性质

第二章流体及其物理性质第一节流体的定义及特征第一节流体的定义及特征

定义：从力学特征讲，流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质。

按照集态分为液体和气体；

特征：易流动，不能保持一定形状的特征。

微观上，流体分子间吸引力比固体小；气体分子距离大，液体分子距离小；气体分子能够自由移动，能够充满所能达到的全部空间。

液体分子没有一定方向和周期的无规则振动；占有固定的体积，有自由液面存在。第二章流体及其物理性质第二节流体作为连续介质的假说第二节流体作为连续介质的假说

研究方法：

微观：从研究分子和原子的运动出发，采用统计平均建立宏观物理量应满足的方程，并确定流体宏观性质，取决于分子运动论的发展。

宏观：先给流体建立一个宏观“抽象化”模型，然后直接应用基本物理定律来建立宏观物理量应满足的方程，并确定流体的宏观性质。为了符合数学分析的需要，引入流体质点模型:流体中宏观尺寸非常小（没有空间尺寸的几何点），微观尺寸又足够大（包含足够多的分子数目）的任意物理实体。（以密度为例）流体质点表现大量分子的平均性质。(2)具有宏观物理特性---温度、压强、密度。。。1mm3体积水:3.31019

个分子空气:2.71016个分子

10-10mm3

体积

(相当于一粒灰尘体积)空气:2.7106个分子流体质点特点：(1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平移运动;连续介质模型：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。(1)可用连续性函数u(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时间变化；(2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。

*除了稀薄气体与激波（厚度小于10-4cm）的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析。（判断式l《d〈L）第二章流体及其物理性质第三节作用在流体上的力表面力质量力表面力外界对所研究流体表面的作用力，作用在外表面。单位面积的表面力法向力切向力法向应力切向应力应力单位为PaxyzC表面张力流体与异相物质接触的自由表面上，促使液体表面收缩的力叫做表面张力；方向和液面相切；表面张力是分子力的一种表现；第七节详细介绍肥皂泡质量力（体积力）定义：作用在流体全部质点上的力，与质量成正比。惯性力，加速度为a，单位质量力重力zxy重力场作用下的质量力（如图）曲线运动的切向惯性力和离心惯性力。第四节流体的密度一、流体的密度

表征在空间某点质量的密集程度。单位：kg/m3对于均匀流体定义建立在连续性假设的基础上是流体质点的体积表2-1，2-2第四节流体的密度二、流体的相对密度流体的密度４℃水的密度三、流体的比体积单位m３／kg第四节流体的密度四、混合气体的密度为混合气体各组分气体的密度为混合气体各组分气体所占的体积百分数例题2-1第五节流体的压缩性和膨胀性压强增高，体积缩小温度升高，体积膨胀流体压缩性流体膨胀性压缩系数κ：单位压强所引起的体积变化率，单位为m２／Ｎ流体相应体积变化率压强增量Κ大，易压缩Κ小，难压缩第五节流体的压缩性和膨胀性体积模量Ｋ，工程上用单位为ＰaＫ大，压缩性小，Ｋ小，压缩性大体胀系数αｖ：单位温升所引起的体积变化率，单位为１／Ｋ，１／℃温度的增量体积变化率同时考虑温度和压强对气体体积的影响，采用完全气体状态方程。表2-3，水的体积摸量K=2.0GPa，压缩性小。表2-4水的膨胀系数例题2-2可压缩流体和不可压缩流体第五节流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可压缩的，只是可压缩的程度不同。气体的压缩性比液体大。工程中要视具体情况而定。（流速高，压强变化大，如水击，水下爆炸，空气流速小于声速时）

第六节流体的黏性流体的黏性：流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质。牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出。黏性形成流体的内摩擦，使流体黏附于它所接触的固体表面。（内摩擦实验）

流体粘性形成原因:(1)两层液体之间的粘性力主要由分子吸引力力形成(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成第六节流体的黏性YXv0dyFvxhF’黏性流体内摩擦实验示意图摩擦阻力动力黏度，单位Pa.s与流体种类、温度和压强有关的一个比例系数。单位Pa.sv/h垂直于流速方向上单位长度的速度增量切向应力：运动黏度fgehvxvx+δvxxδyyδФδvx

δtδye’h’f’g’速度分布不按照直线变化牛顿内摩擦定律（黏性定律）：作用在流层上的切向应力与速度梯度成正比，比例系数为动力黏度温度对流体黏度的影响：第六节流体的黏性液体黏度随温度升高而减小原因：分子间距增加，分子间吸引力减小。气体黏度随温度升高而增加原因：分子混乱运动加剧，加速了动量交换。压强对流体黏性几乎没有影响(p12黏度经验式)例题例题汽缸的内径D=152.6mm，活塞的直径d=152.4mm，长l=304.8mm，已知润滑油的运动黏度，密度，活塞的运动速度为6m/s，试求克服摩擦所消耗的功率。倾角25度

的斜面涂有厚度0.5mm的润滑油.一块重量未知,底面积0.02平方米

的木板沿此斜面以0.2m/s等速度下滑，如图所示。如果在板上面加一个重量5N的重物，则下滑速度为0.6m/s。试求润滑油的动力粘性系数

。第六节流体的黏性流体黏度的测量管流方法，测量管道上的压降落球方法，测量小球沉降速度旋转方法，测量旋转力矩卸流法，测量液体卸流时间恩各勒黏度计测量结果为恩氏度２００cm3待测液体流出时间２００cm3，２０℃蒸馏水流出时间第六节流体的黏性牛顿流体和非牛顿流体符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体不符合牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体η为表观黏度，n为指数，k为常数黏性流体和理想流体不具有黏性的流体成为理想流体第七节液体的表面性质表面张力：表面分子受到指向液体内部的拉力，使液体表面自发收缩成表面积最小趋势。表面能：任何液体分子在进入表面层时候，都必须反抗这种力的作用，都必须输入机械功，这些机械功将以自由表面能的形式被存储起来。单位长度表面层中液体分子受指向液体内部的拉力称为表面张力，用σ表示，单位N/m。暮江吟（白居易）一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红。可怜九月出三夜，露似珍珠月似弓。普林斯顿大学科学图象获奖作品第七节液体的表面性质液体分子间的吸引力称为内聚力液体分子和固体分子间的吸引力称为附着力内聚力小于附着力：液体湿润固体壁面内聚力大于附着力：液体不湿润固体壁面如：水银在玻璃球上和水在玻璃球上性质不同图２－１１接触角为90度作为分界，小于90度，润湿，大