流体概念及性质.ppt

1、1.1流体的定义和特征,自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态,一、流体的定义,流体的定义：在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物体就是流体。,液体与气体的区别 液体的流动性小于气体； 液体具有一定的体积，并取容器的形状； 气体充满任何容器，而无一定体积。,二、流体的特征,易流动性； 力学上只能承受压力，一般不能承受拉力，静止时不能承受切力； 流体也是物质的一种基本形态，遵循自然界一切物质运动的普遍规律。,1.1流体的定义和特征,1.2 流体的连续介质假设,微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。,宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子 距离大

2、得多。,问题的引出：,定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。,流体微团必须具备的两个条件 必须包含足够多的分子； 体积必须很小。,一、流体的连续介质假设,流体微团（或流体质点） 宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上 没有维度的点；同时微观上足够大，里面包含着许许 多多分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。,1.2 流体的连续介质假设,避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏 观运动。,2. 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。（连续函数）,二、采用流体连续介质假设的优点,1.2 流体的连续介质假设,一、流体的密度,单位体积流体

3、所具有的质量。,密度表征物体惯性的物理量。,单位：kg/m3,常见流体的密度： 水1000 kg/m3 空气1.23 kg/m3 水银136000 kg/m3,均匀流体：,1.3 流体的主要物理性质,非均匀流体：,1.3.1 流体的密度与重度,均质流体重度：,非均质流体重度：,重度与密度间的关系：,1.3.1 流体的密度与重度,二、重度,三、流体的相对密度,流体的密度与4oC时水的密度的比值。,式中，f 流体的密度（kg/m3） w4oC时水的密度（kg/m3）,1.3.1 流体的密度与重度,四、流体的比容,单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。,单位： m3/kg,1.3.1 流体的密

4、度与重度,五、混合气体的密度,混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。,式中：1， 2， n 各组分气体的密度 a1， a2， an各组分气体所占的体积百分数,1.3.1 流体的密度与重度,1.3.2 流体的压缩性和膨胀性,一、流体的压缩性,流体体积随着压力的增大而缩小的性质。,1.压缩系数 单位压力增加所引起的体积相对变化量,2.体积模量,二、流体的膨胀性,流体体积随着温度的增大而增大的性质。,1.体胀系数 单位温度增加所引起的体积相对变化量,1.3.2 流体的压缩性和膨胀性,工程上 不可压缩流体,液体,气体,温度与压强,压缩性、膨胀性影响小,压缩性、膨胀性影响大,满足 理想气体 状态

5、方程,1.3.2 流体的压缩性和膨胀性,对液体而言，其压缩性，一般情况下不考虑，因此工程实际常把液体看作不可压缩的流体。 液体的膨胀性也很小，除温度变化大的场合，一般工程问题也不考虑。 通常情况下，气体的密度随压力和温度的变化很明显，对实际气体，不大于10MPa时，他们之间的关系遵守理想气体状态方程。,1.3.2 流体的压缩性和膨胀性,理想气体状态方程,R气体常数空气R=8.31/0.029=287J/kgK,等温过程：压缩系数,等压过程：膨胀系数,绝热过程：压缩系数,低速（标准状态，v68m/s）气流可按不可压缩流体处理,1.3.2 流体的压缩性和膨胀性,三、可压缩性流体和不可压缩性流体,1

6、. 可压缩性 流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。,2. 可压缩流体和不可压缩流体,可压缩流体：考虑可压缩性的流体,不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体,1.3.2 流体的压缩性和膨胀性,1.3.3 流体的粘性,一、流体的粘性,1. 粘性的定义 流体运动时，其内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）以阻抗流体变形的性质。,(1) 库仑实验(1784),库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。,(2) 流体粘性所产生的两种效应 流体内部各流体微团之间会产生粘性力； 流体将粘附于它所接触的固体表面。,1.3.3 流体的粘性,粘性是流体阻止发生剪切变形和角变

7、形的一种特性。 当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时，流体 的粘性就表象不出来，其内摩擦力也就等于零。,2.牛顿内摩擦定律,(1) 牛顿平板实验,当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，,1.3.3 流体的粘性,(2) 牛顿内摩擦定律,实验表明，对于大多数流体，存在,引入比例系数，得：,1.3.3 流体的粘性,速度梯度的物理意义,角变形速度（剪切变形速度）,vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,流体与固体在摩擦规律上完全不同,正比于dv/dy,正比于正压力，与速度无关,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

8、度。,牛顿内摩擦定律表明：,1.3.3 流体的粘性,流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。,(1) 动力粘度,(2) 运动粘度,3.粘度,（3）相对粘度-恩氏粘度,1.3.3 流体的粘性,(3) 粘度的影响因素,温度对流体粘度的影响很大,温度,压力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,1.3.3 流体的粘性,水的动力黏度与温度的关系：,式中：,为零度时的动力黏度。Pa.s,气体的动力黏度与温度的关系（苏士兰关系

9、式）,只使用于压强不太大的场合）,1.3.3 流体的粘性,式中：,C为气体常数,(4) 粘度的测量,管流法 落球法 旋转法 工业粘度计,1.3.3 流体的粘性,二、粘性流体和理想流体,1.粘性流体,具有粘性的流体（0）。,2.理想流体,忽略粘性的流体（=0）。 一种理想的流体模型。,1.3.3 流体的粘性,dv/dz,牛顿流体,o,牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）,三、牛顿流体与非牛顿流体,非牛顿流体,塑性流体、假塑性流体、胀塑性流体。,研究非牛顿流体受力和运动规律的科学称为-流变学,例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，

10、活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解：,注意：面积、速度梯度的取法,d,D,L,例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。,解：,注意：1.面积A的取法； 2.单位统一,h,n,r1,r2,得,1.3.4表面张力和毛细现象,1.表面张力：由分子的内聚力引起单位：N/m,发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界。,表面张力现象：露珠、肥皂泡、毛细现象等,2 .表面张力和接触角概念,表

11、面张力: -单位长度所受拉力 接触角概念: 当液体与固体壁面接触时, 在液体,固体壁面作液体表面的切面, 此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度 称为接触角, 当 为锐角时, 液体润湿固体, 当 为钝角时, 液体不润湿固体,水与玻璃的 = 8090 水银的 = 1380,1.3.4表面张力和毛细现象,1.3.4表面张力和毛细现象,3.毛细现象：液固接触,液固间附着力大于液体的内聚力,液固间附着力小于液体的内聚力,内聚力: 液体分子间吸引力 附着力: 液体与固体分子间吸引力,毛细现象,水在玻璃管中上升高度 h=29.8/d(mm) 水银在玻璃管中下降高度 h=10.5/d(mm),工程中常用的测压管，毛细现象往往造成较大的误差，一般情况下测压管的管径应大于10mm。另外在研究液滴的破碎、气泡的形成等问题时，也必须要考虑表面张力的作用。,流体力学的模型,连续介质 流体微元具有流体宏观特性的最小体积的流体团 理想