流体的性质及其流动

流体的性质及其流动1第一页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

本篇的重点在于从传输的角度，研究流体的运动规律。主要掌握流体流动的连续方程、伯努力方程和动量传输方程在冶金和材料热加工过程中的应用。要学习流体的动量传输的问题，首先就要了解流体的基本性质及其流动特点和有关的定义。2第二页，共二十八页，编辑于2023年，星期日第一章流体的性质及其流动

Chapter1PropertiesofFluids

andFluidFlow3第三页，共二十八页，编辑于2023年，星期日1.1流体的概念及性质

ConceptsandPropertiesofFluids1.流体的定义(DefinitionofFluids)

工程上将只能抵抗压力而在一定的切应力作用下会产生连续不断变形（即流动）的物质统称为流体。

流体包括：气体和液体4第四页，共二十八页，编辑于2023年，星期日连续介质模型

由于任何流体在原子/分子的微观尺度上看，流体物质的性质是间断的。而我们所研究的流体的动量传输，以及流体的热量和质量问题，如密度、压力、速度、温度和成分则是宏观尺度的物理量是由大量分子/原子的行为和作用的平均效果。因而可以认为我们所研究的动量传输介质—流体的所有物理性质和物理量处处稠密且是连续的，这样就可以用连续函数的解析方法（微积分学）研究流体的静力学和动力学。5第五页，共二十八页，编辑于2023年，星期日工程上遇到的流体不只局限于气体和液体，许多固液、气液混合物，如泥浆、凝固状态的金属液也具有流动性，满足流体的定义。关于对这些特殊流体的复杂流动及动量传输规律的研究属于流变学的范畴。6第六页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

定量描述流体的流动行为及动量传输，需要了解和定义流体有关的物理性质和参数。

(1)密度：单位体积的流体所具有的质量式中：—流体的密度[kg/m3]；

—流体的质量[kg]；

—流体的体积[m3]；

2.流体的主要物理性质

PhysicalPropertiesofFluids

7第七页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

比体积：(单位质量流体所具有的体积)

一般情况下，流体的密度是可变的（受T,P,CL影响）在某些情况下，密度的变化会对流动状态产生很大的影响，如：温度梯度和浓度梯度影响下的自然对流。8第八页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

(2)流体的压缩性：在压力P的作用下，流体体积特性能改变。流体的压缩特性的大小，可由体积压缩系数K表示。

式中：—原有的体积[m3]；

—体积的改变量[m3]；（压力变化引起的）

—压力的变化量[pa]；

—体积压缩系数[pa

-1]；9第九页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

(3)流体的热膨胀性：由温度变化引起的流体体积变化的特性，其定义为：

式中：—温度的变化量[°C]；

—流体的热膨胀系数[°C

-1]；

液体的和很小，如水的和都在10-4~10-5的数量级10第十页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

（4）气体的压缩特性和热膨胀特性气体的压缩特性和热膨胀特性都比液体大得多，根据理想气体状态方程：

PV=RT

P／＝RT式中：

T—绝对温度

P—绝对压力

R—气体常数（287Nm/(kgK)）

V—比体积

—气体密度11第十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

气体的体积膨胀特性和热膨胀特性可分别由等温过程、等压过程和绝热过程的密度变化表达式表示：(1)等温过程(2)等压过程(3)绝热过程

其中，(对于空气k=1.4)—绝热指数12第十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

雷诺(Reynold)于1882年进行了管内的流体流动实验（如图）。由于在流体流动的过程中条件不同，可能具有两种性质完全不同的流动状态，即：

层流(laminarflow)

紊流(turbulentflow)1.2流体的流动形态

TypesofFluidFlow13第十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

决定管道里流体流动状态的是一个称之为雷诺数(ReynoldsNumber)的无量纲数群，用Re表示：式中：—管道内流体的平均流速[m/s]；

—流体的密度[kg/m3]；

—圆管内径[m]；

—流体的动力粘度系数[pa.s]；

—流体的运动粘性系数[m2/s]；14第十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

实验表明：Re越大，流动状态越趋向于紊流发展。流体由层流开始向紊流转变的临界Re数为：

Re临=2100~2300

Re15第十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期日层流与紊流的速度分布

DistributionofLaminarandTurbulentVelocitiesinATube16第十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

英国科学家牛顿(Newton)1686年指出：当流体的流层之间出现相对位移时，不同流动速度的流层之间会产切向粘性应力（摩擦力)。1.3牛顿流体粘性定律及粘性系数

Newton’sLawofViscosityandViscosities17第十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期日一、牛顿粘性定律

Newton’sLawofViscosity

牛顿提出了描述粘性流体不均匀流动时粘性阻力F与速度变化率之间的关系，即牛顿流体粘性定律的假说，可由下式表示：式中: F—粘性力[N]；

A—平板与流体的接触面积[m2]；

Y—两平板间的距离[m]；

Vx

—上平板的移动速度[m／s]18第十八页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

显然，比值Vx/Y为x方向的流动速度在y方向上的变化率，即速度梯度，可表示为dvx/dy，将上式改变形式，并引入系数，可得到如下微分形式的牛顿流体粘性定律表达式：式中： —表示在y方向上具有的速度梯度，流动方向为x方向的流体在单位面积上产生的粘性力，也称为粘性切应力[N/m2][pa];

—比例常数，称作动力粘性系数(dynamicviscosity)[pa.s][Ns/m2]正负号的选择要保证计算得到的yx为正值。牛顿流体粘性定律19第十九页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

粘度系数表征流体抵抗连续变形的能力。由可知，在数值上表示单位速度梯度下流体产生的粘性切应力，是流体的一个物理参数，决定于流体的物理状态和性质，称为动力粘度系数，在动量传输分析与计算中，常取运动粘度系数

(kinematicviscosity)ν：

ν=/

ν单位为[m2/s]，和ν通常是温度的函数，压力对它们也有一定的影响，在计算中常将动力粘度系数和运动粘度系数取为常数。粘度系数的物理意义20第二十页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

牛顿流体粘性定律的形式改写为：，这样，为流动流体的动量密度梯度。可以理解为动量扩散系数(momentumdiffusivity)。由此，牛顿粘性定律还有另一层物理意义。即在动量密度梯度下粘性引起流体的粘性动量通量。 由于梯度方向是y方向，所以动量通量方向为y方向，即流体的动量由上部的高动量向下部低动量传输（动量的粘性扩散）。21第二十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期日牛顿粘性定律有两层物理意义:

由于流体粘性，在速度梯度下产生的粘性切应力，方向为x方向；在动量密度梯度作用下，产生y方向的动量传输，传输方向与梯度增加方向相反。

量纲：22第二十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期日二、粘性系数的影响因素

FactorsInfluencingViscosities

23第二十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期日

24第二十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期日25第二十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期日1.4流体的分类

TypesofFluids理