流体的主要物理性质

1-2流体主要物理性质流体定义和基本特征。流体连续介质模型。流体质点。作用在流体上力：表面力和质量力。流体主要物理性质：密度、重度、粘性、压缩性、毛细现象、汽化压强。牛顿流体和非牛顿流体。第1页第一节流体基本特征一、流体质点二、密度、容重、比重和比容第三节压缩性第二节密度、容重、比重和比容1-2流体主要物理性质第四节粘度第2页一、物质三态在地球上，物质存在主要形式有：固体、液体和气体。流体和固体区分：从力学分析意义上看，在于它们对外力抵抗能力不一样。流体固体第一节流体基本特征固体：既能承受压力，也能承受拉力，抵抗拉伸变形。流体：只能承受压力，普通不能承受拉力，不抵抗拉伸变形。第一节流体基本特征第3页液体和气体区分：1、气体易于压缩；而液体难于压缩；2、液体有一定体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状容器，无一定体积，不存在自由液面。液体和气体共同点：二者均含有易流动性，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。第一节流体基本特征第4页四、流体质点和连续介质模型（一）连续介质模型建立与假设第二节流体连续介质模型微观：流体是由大量做无规则运动分子组成，分子之间存在空隙，但在标准条件下。1立方毫米流体含有3×1021个左右分子，分子间距离是10-7cm。流体质点：又称流体微团，流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸有足够大任意一个物理实体。1、定义宏观：考虑宏观特征，在流动空间和时间上所采取一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大多。连续介质（ContinuumContinuousMedium）：质点连续地充满所占空间流体或固体。气体在外力作用下表现出很大可压缩性，而液体则不然。在通常温度下水所承受压强由0.1MPa增加到10MPa时，其体积仅降低原来0.5%。第5页2、优点1）排除了分子运动复杂性。2）物理量作为时空连续函数，则能够利用连续函数这一数学工具来研究问题。连续介质模型（ContinuumMediumModel）：把流体视为没有间隙地充满它所占据整个空间一个连续介质，且其全部物理量都是空间坐标和时间连续函数一个假设模型。u=u(t,x,y,z)选择题：按连续介质概念，流体质点是指：A、流体分子；B、流体内固体颗粒；C、几何点；D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子微元体。第6页第二节流体连续介质模型b.不可压缩流体（IncompressibleFlow）：流体密度随压强改变很小，流体密度可视为常数流体。(=const)（二）流体分类1、依据流体受压体积缩小性质，流体可分为：

注：a.严格地说，不存在完全不可压缩流体。b.普通情况下液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。c.对于气体，当所受压强改变相对较小时，可视为不可压缩流体。d.管路中压降较大时，应作为可压缩流体。a.可压缩流体（CompressibleFlow）：流体密度随压强改变不能忽略流体。(const)第7页2、依据流体是否含有粘性，可分为：b.理想流体：是指既无粘性（=0）又完全不可压缩(=const)一个假想流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。a.实际流体：指含有粘度流体，在运动时含有抵抗剪切变形能力，即存在摩擦力，粘性系数0。比如：河流中心流层流动最快，越靠近河岸流动越慢，岸边水几乎不流动，这种现象就是因为流层间存在内摩擦力造成第8页

密度（Density）：是指单位体积流体质量。单位：kg/m3。1、密度水密度惯用值：=1000kg/m3

均质流体内部各点处密度均相等：第二节密度、容重、比重和比容第二节密度、容重、比重和比容第9页重度（SpecificWeight）：指单位体积流体重量。单位：N/m3。均质流体内部各点处容重均相等：

=G/V=g水容重惯用值：=9800N/m32、重度第二节密度、容重、比重和比容第10页比容(SpecificVolume)：指单位气体质量所含有体积。

=1/

（m3/kg）比重（SpecificGravity）：是指液体密度与标准纯水密度之比，没有单位，是无量纲数。3、气体比容4、液体比重气体比容或密度，与气体工况或过程是亲密相关，是由状态方程确定，完全气体状态方程P=P/=RT

R为气体常数，空气R=287N·m/kg·k标准纯水：a.物理学上——4℃水为标准，

=1000kg

/

m3；b.工程上——20℃蒸馏水为标准，

=1000kg

/

m3；第二节密度、容重、比重和比容第11页第三节压缩性1、压缩性流体可压缩性（Compressibility）：作用在流体上压力改变可引发流体体积改变或密度改变，这一现象称为流体可压缩性。压缩性可用体积压缩系数

来量度。2、体积压缩系数

体积压缩系数

（CoefficientofVolumeCompressibility）：流体体积相对缩小值与压强增值之比，即当压强增大一个单位值时，流体体积相对减小值：第三节压缩性（m2/N

）（∵质量m不变，dm=d(

v)=

dv+vd=0，∴）第12页体积弹性模量Ev（BulkModulusofElasticity）是体积压缩系数倒数。3、体积弹性模量Ev

与Ev随温度和压强而改变，但改变甚微。流体压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示。（N/m2）说明：a.Ev越大，越不易被压缩，当Ev时，表示该流体绝对不可压缩。b.流体种类不一样，其和Ev值不一样。c.同一个流体和Ev值随温度、压强改变而改变。d.在一定温度和中等压强下，水体积弹性模量改变不大。第三节压缩性第13页例1200C2．5m3水，当温度升至800C时，其体积增加多少？解：200C时：

1=998．23Kg/M3800C时：

2=971．83Kg/M3

∵d

m=d（

v）=

dv+vd

=0

即则第三节压缩性第14页例2使水体积减小0.1%及1%时，应增大压强各为多少？（Ev=MPa）dv/v=-0.1%

P=-×106×（-0.1%）=2×106Pa=2．0MPadv/v=-1%

P=-×106×（-1%）=20MPa第三节压缩性第15页例3输水管l=200m，直径d=400mm，作水压试验。使管中压强到达55at后

停顿加压，经历1小时，管中压强降到50at。如不计管道变形，问在上

述情况下，经管道漏缝流出水量平均每秒是多少？水体积压缩系

数

=4.38×10-10m2/N

。解水经管道漏缝泄出后，管中压强下降，于是水体膨胀，其膨胀水体积水体膨胀量5.95l即为经管道漏缝流出水量，这是在1小时内流出。设经管道漏缝平均每秒流出水体积以Q表示，则第三节压缩性第16页1、为何水通常被视为不可压缩流体？2、自来水水龙头突然开启或关闭时，水是否为不可压缩流体？为何？End因为水Ev=2×109Pa，在压强改变不大时，水体积改变很小，可忽略不计，所以通常可把水视为不可压缩流体。为可压缩流体。因为此时引发水龙头附近处压强改变，且变幅较大。第17页第四节粘度一、粘度与牛顿内摩擦定律二、牛顿流体、非牛顿流体

第18页第四节粘度1、牛顿内摩擦定律

粘性：流体在运动中，因为分子间动量交换和分子间作用力会引发内摩擦阻力，这种性质称为流体粘性。一、粘度与牛顿内摩擦定律第四节粘度第19页YXU0dyFu+duuH牛顿流体粘性试验经试验测定：F=µAU/HF流体中切应力：τ=µU/H第20页流体相邻层间存在着抵抗层间相互错动趋势，这一特征称为流体粘性，层间这一抵抗力即摩擦力或剪切力，单位面积上剪切力称为剪切应力τ取其中相邻二层流体来看，慢层对快层有向后牵扯而使其有变慢趋势，而快层对慢层有向前牵扯使其有变快趋势uu+duτ牛顿提出，流体内部剪切力τ与流体速度梯度成正比=µdu/dy速度梯度：流速在与速度垂直方向上改变率。第21页

第22页牛顿内摩擦定律：液体运动时，相邻液层间所产生切应力与速度梯度成正比。即2）流体切应力与动力粘性系数

成正比。3）对于平衡流体du/dy=0或理想流体=0，所以不产生切应力，=0。（N/m2，Pa）—粘性切应力，是单位面积上内摩擦力。流体粘性系数μ单位是：N.s/m2说明：1）流体剪应力与压强p无关（注意到固体摩擦力与正压力相关)。第四节粘度第23页动力粘性系数

：又称绝对粘度、动力粘度、粘度，是反应流体粘滞性大小系数，单位：N•s/m2。(cm2/s)(m2/s)水运动粘度通常可用经验公式计算：流体粘度

数值随流体种类不一样而不一样，并随压强、温度改变而改变。运动粘度

：又称相对粘度，运动粘性系数。粘度影响原因1）流体种类。普通地，相同条件下，液体粘度大于气体粘度。第四节粘度2、粘度第24页2）压强。对常见流体，如水、气体等，

值随压强改变不大，普通可忽略不计。3）温度。是影响粘度主要原因。当温度升高时，液体粘度减小，气体粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度主要原因，当温度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生切应力减小，所以

值减小。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子运动动量交换结果所引发。温度升高，分子运动加紧，动量交换频繁，所以

值增加。第四节粘度第25页abcddyxoyYyuduu+duUF

图1.2牛顿平板试验设板间y向流速呈直线分布，即：试验表明，对于大多数流体满足：引入动力粘性系数，则得牛顿内摩擦定律则牛顿平板试验与内摩擦定律FA切应力分布式中：流速梯度代表液体微团剪切变形速率。线性改变时，即；非线性改变时，即是u对y求导。第26页Uh1h2

1

2A例1：试绘制平板间液体流速分布图与切应力分布图。设平板间液体流动为层流，且流速按直线分布。解：设液层分界面上流速为u，则：在液层分界面上：流速分布：上层：下层：上层：下层：切应力分布uUUh1h2

y第四节粘度第27页例2：一底面积为40×45cm2，高为1cm木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油斜面向下作等速运动，如图所表示，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度

=1mm，由木块所带动油层运动速度呈直线分布，求油粘滞系数。

解：∵等速∴as=0由牛顿定律：

∑Fs=mas=0mgsin

－τ·A=0

（呈直线分布）∵

=tg-1(5/12)=22.62

u

G

mgsinsτ125第四节粘度第28页习题如图所表示，转轴直径=0.36m，轴承长度=1m，轴与轴承之间缝隙＝0.2mm，其中充满动力粘度＝0.72Pa.s油，假如轴转速200rpm，求克服油粘性阻力所消耗功率。解：油层与轴承接触面上速度为零，与轴接触面上速度等于轴面上线速度：设油层在缝隙内速度分布为直线分布，即则轴表面上总切向力为：克服摩擦所消耗功率为：第29页例3:直径10cm圆盘，由轴带动在一平台上旋转，圆盘与平台间充有厚度δ=1.5mm油膜相隔，当圆盘以n=50r/min旋转时，测得扭矩M=2.94×10-4N·m。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油粘度。解：dr微元上摩阻力为：而圆盘微元所受粘性摩擦阻力矩为：

dM=dTr=

π2r3ndr/15δ则克服总摩擦力矩为：δτ0τ0第30页

牛顿流体（NewtonianFluids）：是指任一点上剪应力都同速度梯度呈线性函数关系流体，即遵照牛顿内摩擦定律流体称为牛顿流体。

非牛顿流体：不符合上述条件均