第二章流體的基本性質(zhì)2012

1、本章主要內(nèi)容 流體的定義和特征流體的定義和特征 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè) 作用在流體上的力作用在流體上的力 表面力表面力 質(zhì)量力質(zhì)量力 流體的密度流體的密度 流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性 流體的粘性流體的粘性 流體的表面性質(zhì)流體的表面性質(zhì)第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)流體的定義和特征流體的定義和特征 流體與固體的區(qū)別流體與固體的區(qū)別 具有具有流動性流動性的物體（即能夠流動的物體）的物體（即能夠流動的物體）。 液體和氣體是流體液體和氣體是流體 固態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)、液態(tài)和氣態(tài) 固體的變形與受力的大小成正比；固體的變形與受力的大小成正比； 任何一個微

2、小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形任何一個微小的剪切力都能使流體發(fā)生連續(xù)的變形。第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)流體的定義和特征流體的定義和特征 液體與氣體的區(qū)別液體與氣體的區(qū)別 流動性流動性 液體的流動性小于氣體；液體的流動性小于氣體； -在微小剪切力作用下匯發(fā)生連續(xù)變形的特性在微小剪切力作用下匯發(fā)生連續(xù)變形的特性 液體具有一定的體積，并取容器的形狀；液體具有一定的體積，并取容器的形狀； 氣體充滿任何容器，而無一定體積氣體充滿任何容器，而無一定體積。第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動的分子所組成，流體是由

3、大量做無規(guī)則熱運(yùn)動的分子所組成， 分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子距離大得多。子距離大得多。問題的引出：問題的引出：第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體視為由流體視為由無數(shù)連續(xù)分布的無數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體微團(tuán)必須具備的兩個條件流體微團(tuán)必須具備的兩個條件 必須包含足夠多的分子；必須包含足夠多的分子； 體積必須很小。體積必須很小。一、流體的一、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 第二章第二章 流

4、體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.1. 避免了流體分子運(yùn)動的復(fù)雜性避免了流體分子運(yùn)動的復(fù)雜性，只需研究流體的宏，只需研究流體的宏 觀運(yùn)動。觀運(yùn)動。2. 可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動規(guī)律。可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動規(guī)律。 二、二、采用采用流體流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 兩類作用在流體上的力：兩類作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力表面力和質(zhì)量力 一、表面力一、表面力 1. 應(yīng)力應(yīng)力AFpAn0limFFAFpT 分離體以外的流體通過分離體以外的流體通過流體分離體表面作用在流體上流體分

5、離體表面作用在流體上的力，其大小與作用面積成比的力，其大小與作用面積成比單位面積上的表面力。單位面積上的表面力。 第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 一、表面力（續(xù)）一、表面力（續(xù)） 2. 法向法向應(yīng)力和切向應(yīng)力應(yīng)力和切向應(yīng)力 FFAFpTdAFdAFpnnAnn0limdAFdAFpAn0lim第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 二、質(zhì)量力二、質(zhì)量力 作用在每個流體微團(tuán)上的力，其大小與流體質(zhì)量作用在每個流體微團(tuán)上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。成正比。kfjfiffzyx例如：重力、慣性力、磁力例如：重力、慣性力、磁力第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 一、

6、流體的密度一、流體的密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量。單位體積流體所具有的質(zhì)量。 密度表征物體慣性的物理量。密度表征物體慣性的物理量。 dVdM單位：單位：kg/mkg/m3 3 VM常見流體的密度：常見流體的密度： 水水1000 kg/m3 空氣空氣1.23 kg/m3 水銀水銀136000 kg/m3均勻流體：均勻流體：V*Vmvx0yzPv第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 二、流體的相對密度二、流體的相對密度 流體的密度與流體的密度與4 4o oC C時水的密度的比值。時水的密度的比值。 式中，式中， f 流體的密度（流體的密度（kg/m3） w4oC時水的密度（時水的密度（

7、kg/m3）wfd第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 三、流體的比容三、流體的比容 單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。1v單位：單位： m3/kg第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì) 四、混合氣體的密度四、混合氣體的密度 混合氣體的密度按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)計算?；旌蠚怏w的密度按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)計算。式中：式中： 1， 2， n 各組分氣體的密度各組分氣體的密度 a1， a2， an各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)niiinnaaaa12211.第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理

8、性質(zhì)一、流體的壓縮性一、流體的壓縮性 流體體積隨著壓強(qiáng)的增大而縮小的性質(zhì)。流體體積隨著壓強(qiáng)的增大而縮小的性質(zhì)。1.壓縮系數(shù)壓縮系數(shù) )/(/2NmpVVk2.體積模量體積模量 )/(12mNVpVkKp單位壓強(qiáng)增加所引起的體積單位壓強(qiáng)增加所引起的體積相對變化量相對變化量在一定溫度下，密度的變化率與壓強(qiáng)的變化成正比第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)二、流體的膨脹性二、流體的膨脹性 流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。1.體脹系數(shù)體脹系數(shù) )/1 (/KTVVaV單位溫度增加所引起的體積單位溫度增加所引起的體積相對變化量相對變化量TVPmRdTPTm

9、RdVdTdVVVdTdVaggv1)(11在一定壓強(qiáng)下，體積的變化率與溫度的變化成正比第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體 1. 可壓縮性可壓縮性 2. 可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體和不可壓縮流體常數(shù) 可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體 不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體常數(shù)流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性 1. 1. 粘

10、性的定義粘性的定義 流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對運(yùn)動時，流體內(nèi)流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對運(yùn)動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。(1) (1) 庫侖實驗庫侖實驗(1784)(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內(nèi)摩擦。庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內(nèi)摩擦。 第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 1 1.粘性的定義粘性的定義( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2) 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng)流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng) 流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會產(chǎn)生粘性力；流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會產(chǎn)生粘

11、性力； 流體將粘附于它所接觸的固體表面。流體將粘附于它所接觸的固體表面。 A 外摩擦力；B 內(nèi)摩擦力；C 兩者都不是。 流體內(nèi)摩擦是兩層流體之間的摩擦力，流流體內(nèi)摩擦是兩層流體之間的摩擦力，流體與固壁之間的摩擦力屬于體與固壁之間的摩擦力屬于第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 (1) (1) 牛頓平板實驗牛頓平板實驗當(dāng)當(dāng)h和和u不是不是很大時，兩平板間沿很大時，兩平板間沿y y方向的流速呈線性分布，方向的流速呈線性分布，ohdyyu+duuyUdyhUduyhUu或粘性 Viscosityohdyyu+d

12、uuyU第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律dydu實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在dyduAhUAF引入比例系數(shù)引入比例系數(shù)，得：，得：ohdyyu+duuyU第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) )粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；粘性切應(yīng)力與速度梯度成正

13、比；(2)(2)粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；(3)(3)比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明：牛頓內(nèi)摩擦定律表明： dydudydudtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudt速度梯度的物理意義角變形速度（剪切變形速度）yvddytvdddtgddtyvddddvdt(v+dv)dtdvdtdzd流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于dv/dy正比于正壓力，與速度無關(guān)第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 流體粘性大小的度量流體粘性大小的度量, ,由流體流動由流

14、體流動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。(1) (1) 動力粘度動力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2) (2) 運(yùn)動粘度運(yùn)動粘度)/(2sm)/(smkg3.3.粘度粘度 第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 3.3. (3) (3) 粘度的影響因素粘度的影響因素溫度對流體粘度的影響很大溫度對流體粘度的影響很大氣體液體氣體粘度o 溫度壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。 溫度溫度分子間距分子間距分子吸引力分子吸引

15、力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度分子熱運(yùn)動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。分子熱運(yùn)動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。 溫度溫度分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動動量交換動量交換內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度 Example例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動的速度為1m/s，潤滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：drdvAF2053014011960m.dLAdrdvNF5 .261051 . 0053. 03注意：面積、速度梯度的取法dDL131052/ )1196. 012. 0(012/ )(0sdDv同心環(huán)形縫隙中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動例：

16、旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實驗液體的粘度。解：dydu602 nM注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一hnr1r21210rrr1Ar0045.0211rhrsPa952. 0得第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 3.3. (4) (4) 粘度的測量粘度的測量管流法管流法 落球法落球法 旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)法 工業(yè)粘度計工業(yè)粘度計第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)二、粘性流體和理想流體二、粘

17、性流體和理想流體 1.1. 具有粘性的流體（具有粘性的流體（00）。）。2.2.理想理想 忽略粘性的流體（忽略粘性的流體（=0 0）。）。 一種理想的流體模型。一種理想的流體模型。第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)三、牛頓流體和非牛頓流體三、牛頓流體和非牛頓流體 1.1.牛頓牛頓 2.2.非牛頓非牛頓 dudyo0膨脹性流體賓漢型塑性流體牛頓流體假塑性流體符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體 如水、空氣、汽油和水銀等如水、空氣、汽油和水銀等 不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體 如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等。如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混

18、凝土等。第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、表面張力一、表面張力 1.1.表面張力現(xiàn)象表面張力現(xiàn)象 w水滴懸在水龍頭出口而不滴落；水滴懸在水龍頭出口而不滴落； w細(xì)管中的液體自動上升或下降一個高度（毛細(xì)管現(xiàn)象）；細(xì)管中的液體自動上升或下降一個高度（毛細(xì)管現(xiàn)象）； w鐵針浮在液面上而不下沉。鐵針浮在液面上而不下沉。 第二章第二章 流體及其物理性質(zhì)流體及其物理性質(zhì)一、表面張力（續(xù)）一、表面張力（續(xù)） (1) 影響球影響球 液體分子吸引力的作用范圍大約在以液體分子吸引力的作用范圍大約在以3434倍平均分子距倍平均分子距為半徑的球形范圍內(nèi)，該球形范圍稱為為半徑的球形范圍內(nèi)，該球形范圍稱為“影響球影響球”。 2.2.表面張力表面張力 (2)表面層表面層 厚度小于厚度小于“影響球影響球”半徑的液面下的薄層稱為表面層。半徑的液面下的薄層稱為表面層。(3)表面張力表面張力（N/m)N/m) 液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)液體表面由于分子引力大于斥力而在表層沿表面方向產(chǎn)生的拉力生的拉力, 單位長度上的這種拉力稱為表面拉力。單位長度上的這種拉力稱為表面拉力。第