流體的主要物理性質(zhì)

1、1-2 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)1. 流體的定義和基本特征。流體的定義和基本特征。2. 流體的連續(xù)介質(zhì)模型。流體質(zhì)點。流體的連續(xù)介質(zhì)模型。流體質(zhì)點。3. 作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。4. 流體的主要物理性質(zhì)：密度、重度、粘性、壓縮性、流體的主要物理性質(zhì)：密度、重度、粘性、壓縮性、毛細現(xiàn)象、汽化壓強。毛細現(xiàn)象、汽化壓強。5. 牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體和非牛頓流體。 第一節(jié) 流體的基本特征一、流體質(zhì)點二、密度、容重、比重和比容第三節(jié) 壓縮性第二節(jié) 密度、容重、比重和比容1-2 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)第四節(jié) 粘 度一、物質(zhì)的三態(tài)

2、在地球上，物質(zhì)存在的主要形式有：固體、液體和氣體。 流體和固體的區(qū)別： 從力學分析的意義上看，在于它們對外力抵抗的能力不同。 流體固體第一節(jié) 流體的基本特征固體：既能承受壓力，也能承受拉力，抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力，不抵抗拉伸變形。第一節(jié) 流體的基本特征 液體和氣體的區(qū)別： 1、氣體易于壓縮；而液體難于壓縮； 2、液體有一定的體積，存在一個自由液面；氣體能充滿任意形狀的容 器，無一定的體積，不存在自由液面。 液體和氣體的共同點： 兩者均具有易流動性，即在任何微小切應力作用下都會發(fā)生變形或流動， 故二者統(tǒng)稱為流體。第一節(jié) 流體的基本特征四、 流體質(zhì)點和連續(xù)介質(zhì)模型（一）

3、連續(xù)介質(zhì)模型的建立與假設第二節(jié) 流體的連續(xù)介質(zhì)模型微觀微觀：流體是由大量做無規(guī)則運動的分子組成的，分子之間存在空隙，但在 標準條件下。1立方毫米流體含有31021個左右的分子，分子間距離是 10-7cm。流體質(zhì)點：又稱流體微團，流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸有足夠大的任意一個物理實體。1、定義宏觀宏觀：考慮宏觀特性，在流動空間和時間上所采用的一切特征尺度和特征時 間都比分子距離和分子碰撞時間大的多。連續(xù)介質(zhì)（Continuum Continuous Medium）：質(zhì)點連續(xù)地充滿所占空間的流 體或固體。 氣體在外力作用下表現(xiàn)出很大的可壓縮性，而液體則不然。在通常的溫度下水所承受的壓強由0.1M

4、Pa增加到10MPa時，其體積僅減少原來的0.5%。2、優(yōu)點 1）排除了分子運動的復雜性。 2）物理量作為時空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學工具來研 究問題。連續(xù)介質(zhì)模型（Continuum Medium Model）：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)的一種假設模型。u=u(t,x,y,z)選擇題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點是指： A、流體的分子； B、流體內(nèi)的固體顆粒； C、幾何的點； D、幾何尺寸同流動空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體。第二節(jié) 流體的連續(xù)介質(zhì)模型b.不可壓縮流體（Incompressible

5、 Flow）：流體密度隨壓強變化很小， 流體的密度可視為常數(shù)的流體。 (=const)（二）流體的分類1、根據(jù)流體受壓體積縮小的性質(zhì)，流體可分為： 注： a.嚴格地說，不存在完全不可壓縮的流體。 b.一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體（發(fā)生水擊時除外）。 c.對于氣體，當所受壓強變化相對較小時，可視為不可壓縮流體。 d.管路中壓降較大時，應作為可壓縮流體。a.可壓縮流體（Compressible Flow）：流體密度隨壓強變化不能忽略的 流體。(const)2、根據(jù)流體是否具有粘性，可分為：b.理想流體：是指既無粘性（=0）又完全不可壓縮(=const)的一種假想 流體，在運動時也不能抵抗剪

6、切變形。a.實際流體：指具有粘度的流體，在運動時具有抵抗剪切變形的能力，即 存在摩擦力，粘性系數(shù)0。例如：河流中心流層流動最快，越靠近河岸流動越慢，岸邊水幾乎不流動，例如：河流中心流層流動最快，越靠近河岸流動越慢，岸邊水幾乎不流動，這種現(xiàn)象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的這種現(xiàn)象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的 密度（Density）：是指單位體積流體的質(zhì)量。單位：kg/m3 。1、密度VMVMV0lim水的密度常用值： =1000 kg/m3 均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的密度均相等：第二節(jié) 密度、容重、比重和比容第二節(jié)第二節(jié) 密度、容重、比重和比容密度、容重、比重和比容重度（Specific Wei

7、ght）：指單位體積流體的重量。單位： N/m3 。VGV0lim均質(zhì)流體內(nèi)部各點處的容重均相等： =G/V =g水的容重常用值： =9800 N/m32、重度第二節(jié) 密度、容重、比重和比容 比容(Specific Volume)：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。 =1/ （ m3/kg） 比重（Specific Gravity）：是指液體密度與標準純水的密度之比，沒有單位，是無量綱數(shù)。3、氣體的比容4、液體的比重GGs 氣體的比容或密度，與氣體的工況或過程是密切相關的，是由狀態(tài)方程確定，完全氣體狀態(tài)方程 P=P/=RT R為氣體常數(shù)，空氣的R=287Nm/kgk 標準純水：a.物理學上4水為標準

8、， =1000 kg / m3； b.工程上20的蒸餾水為標準， =1000 kg / m3；第二節(jié) 密度、容重、比重和比容第三節(jié)第三節(jié) 壓縮性壓縮性1、壓縮性流體的可壓縮性（Compressibility）：作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮系數(shù)來量度。2、體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)（Coefficient of Volume Compressibility）：流體體積的相對縮小值與壓強增值之比，即當壓強增大一個單位值時，流體體積的相對減小值：第三節(jié) 壓縮性dpddpVdV/（m2 /N ）（質(zhì)量m不變，dm=d(v)= dv+

9、vd=0， ）dpddpdV體積彈性模量Ev（Bulk Modulus of Elasticity）是體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。3、體積彈性模量Ev 與Ev隨溫度和壓強而變化，但變化甚微。流體的壓縮性在工程上往往用體積彈性模量來表示。/1ddpVdVdpE（N/m2 ）說明：a.Ev越大，越不易被壓縮，當Ev時，表示該流體絕對不可壓縮 。 b.流體的種類不同，其和Ev值不同。 c.同一種流體的和Ev值隨溫度、壓強的變化而變化。 d.在一定溫度和中等壓強下，水的體積彈性模量變化不大。第三節(jié) 壓縮性例例1 201 200 0C C的的2 25m5m3 3水，當溫度升至水，當溫度升至80800 0C C時

10、，其體積增加多少？時，其體積增加多少？ 解： 200C時：1 =99823Kg/M3 800C時： 2=97183Kg/M3 d m= d（ v）= dv+vd =0 dVdV312)(0673. 05223.99823.99883.9711)(mVVV即 則%61. 2%1005 . 20673. 0VV第三節(jié) 壓縮性例2 使水的體積減小0.1%及1%時，應增大壓強各為多少？（Ev=2000MPa） dv/v=-0.1% P=-2000106（-0.1%）=2106Pa=20MPadv/v=-1% P= -2000106（-1%）=20 MPaVdVdpE/VdVEdp第三節(jié) 壓縮性例3 輸

11、水管l=200m，直徑d=400mm，作水壓試驗。使管中壓強達到55at后 停止加壓，經(jīng)歷1小時，管中壓強降到50at。如不計管道變形，問在上 述情況下，經(jīng)管道漏縫流出的水量平均每秒是多少？水的體積壓縮系 數(shù)=4.3810-10 m2 /N 。解 水經(jīng)管道漏縫泄出后，管中壓強下降，于是水體膨脹，其膨脹的水體積lmVdpdV95. 51095. 510806. 95550)2004 . 04(1038. 4334210）（ 水體膨脹量5.95 l 即為經(jīng)管道漏縫流出的水量，這是在1小時內(nèi)流出的。設經(jīng)管道漏縫平均每秒流出的水體積以Q表示，則scmQ/65. 136001095. 533第三節(jié) 壓縮

12、性1、為什么水通常被視為不可壓縮流體？2、自來水水龍頭突然開啟或關閉時，水是 否為不可壓縮流體？為什么？End 因為水的Ev=2109 Pa ，在壓強變化不大時，水的體積變化很小，可忽略不計，所以通?？砂阉暈椴豢蓧嚎s流體。 為可壓縮流體。因為此時引起水龍頭附近處的壓強變化，且變幅較大。第四節(jié) 粘度 一、粘度與牛頓內(nèi)摩擦定律 二、牛頓流體、非牛頓流體 第四節(jié)第四節(jié) 粘粘 度度1、牛頓內(nèi)摩擦定律 粘性：流體在運動中，由于分子間的動量交換和分子間的作用力流體在運動中，由于分子間的動量交換和分子間的作用力會引起內(nèi)摩擦阻力，這種性質(zhì)稱為流體的粘性會引起內(nèi)摩擦阻力，這種性質(zhì)稱為流體的粘性。一、粘度與牛頓

13、內(nèi)摩擦定律第四節(jié) 粘度YXU0dyFu+duuH牛頓流體粘性實驗經(jīng)實驗測定：F=AU/HF流體中的切應力： =U/H 流體相鄰層間存在著抵抗層間相互錯動的趨勢，這一特性稱為流體的粘性，層間的這一抵抗力即摩擦力或剪切力，單位面積上的剪切力稱為剪切應力 取其中相鄰的二層流體來看，慢層對快層有向后的牽扯而使其有變慢的趨勢，而快層對慢層有向前的牽扯使其有變快的趨勢uu+du 牛頓提出，流體內(nèi)部的剪切力與流體的速度梯度速度梯度 成正比dydu=du/dy速度梯度：流速在與速度垂直方向上的變化率。速度梯度：流速在與速度垂直方向上的變化率。yhxxyRO0uhyux)(22yRcuxxyxhcux牛頓內(nèi)摩擦

14、定律： 液體運動時，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應力與速度速度梯度梯度成正比。即2）流體的切應力與動力粘性系數(shù)成正比。3）對于平衡流體du/dy=0或理想流體=0，所以不產(chǎn)生切應力， =0。dtddydu（N/m2 ，Pa）粘性切應力，是單位面積上的內(nèi)摩擦力。流體粘性系數(shù)的單位是：N.s/m2說明：1）流體的剪應力與壓強 p 無關（注意到固體摩擦力與正壓力有關)。第四節(jié) 粘度動力粘性系數(shù)：又稱絕對粘度、動力粘度、粘度，是反映流體粘滯性 大小的系數(shù)，單位：Ns/m2 。2000221. 00337. 0101775. 0tt(cm2/s)(m2/s)水的運動粘度 通?？捎媒?jīng)驗公式計算：流體粘度的數(shù)值隨流

15、體種類不同而不同，并隨壓強、溫度變化而變化。運動粘度：又稱相對粘度，運動粘性系數(shù)。粘度的影響因素1）流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。第四節(jié) 粘度2、粘度2）壓強。對常見的流體，如水、氣體等，）壓強。對常見的流體，如水、氣體等， 值隨壓強的變化不值隨壓強的變化不 大，一般可忽略不計。大，一般可忽略不計。3）溫度。是影響粘度的主要因素。當溫度升高時，液體的粘度 減小，氣體的粘度增加。a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當溫度升高，分子間距離增大， 吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應力減小，所以 值減小。b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分

16、子 運動動量交換的結果所引起的。溫度升高，分子運動加快，動 量交換頻繁，所以 值增加。第四節(jié) 粘度a bc d dyxoyYyuduu+duUF圖1.2牛頓平板實驗設板間的y向流速呈直線分布，即：yyuYU)(實驗表明，對于大多數(shù)流體滿足：YAUF 引入動力粘性系數(shù)，則得牛頓內(nèi)摩擦 定律dyduYUAFYUdydu則牛頓平板實驗與內(nèi)摩擦 定律FA切應力分布dydu式中：流速梯度 代表液體微團的剪切變形速率。線性變化時，即 ；非線性變化時， 即是u對y求導。yudydudyduUh1h212A例1：試繪制平板間液體的流速分布圖 與切應力分布圖。設平板間的液 體流動為層流，且流速按直線分 布。解：

17、設液層分界面上的流速為u，則：在液層分界面上：21211221hhUhu流速分布：yhuuhyhuUuu22211)(上層：下層：上層：下層：2221110huhuU切應力分布uUUh1h2y第四節(jié) 粘度例例2：一底面積為：一底面積為40 45cm2，高為，高為1cm的木塊，質(zhì)量為的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著涂有潤，沿著涂有潤滑油的斜面向下作等速運動，如圖所示，已知木塊運動速度滑油的斜面向下作等速運動，如圖所示，已知木塊運動速度u=1m/s，油層，油層厚度厚度 =1mm，由木塊所帶動的油層的運動速度呈直線分布，求油的粘滯系，由木塊所帶動的油層的運動速度呈直線分布，求油的粘滯系數(shù)。數(shù)。 解：解：等

18、速等速 as=0 由牛頓定律：由牛頓定律： Fs=mas=0 mgsin A=0 udydu（呈直線分布）2/105. 0sinmsNAumg =tg-1(5/12)=22.62uGmgsins125第四節(jié) 粘度習 題l如圖所示，轉(zhuǎn)軸直徑如圖所示，轉(zhuǎn)軸直徑=0.36m=0.36m，軸承長，軸承長度度=1m=1m，軸與軸承之間的縫隙，軸與軸承之間的縫隙0.2mm0.2mm，其中充滿動力粘度其中充滿動力粘度0.72 Pa.s0.72 Pa.s的油，如的油，如果軸的轉(zhuǎn)速果軸的轉(zhuǎn)速200rpm200rpm，求克服油的粘性阻，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。力所消耗的功率。 解：油層與軸承接觸面上的速度

19、為零，與軸接觸面上的速度等于軸面上 的線速度：smdn/77. 36036. 020060設油層在縫隙內(nèi)的速度分布為直線分布，即 則軸表面上總的切向力 為：)(10535. 1102136. 077. 372. 0).(44NdLAT克服摩擦所消耗的功率為：)(9 .57)/(1079. 577. 310535. 144kWsNmTN例例3: 直徑直徑10cm的圓盤，由軸帶動在一平臺上旋轉(zhuǎn)，圓盤與平臺間充有厚度的圓盤，由軸帶動在一平臺上旋轉(zhuǎn)，圓盤與平臺間充有厚度=1.5mm的油膜相隔，當圓盤的油膜相隔，當圓盤以以n=50r/min旋轉(zhuǎn)時，測得扭矩旋轉(zhuǎn)時，測得扭矩M=2.9410-4 Nm。設油

20、膜內(nèi)速度沿垂直方向為線性分布，試確定油的粘度。設油膜內(nèi)速度沿垂直方向為線性分布，試確定油的粘度。 解解 ： dr 微元上摩阻力為：微元上摩阻力為：而圓盤微元所受粘性摩擦阻力矩為： dM=dTr=2r3ndr/15則克服總摩擦力矩為：r30runr30n 1rdr2 dTudA00r30n6030042152nRdrrRdMRMnsPanRM442108.8560)030(0rrrnrdydu00 牛頓流體（Newtonian Fluids）：是指任一點上的剪應力都同速度梯度呈線性函數(shù)關系的流體，即遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。 非牛頓流體：不符合上述條件的均稱為非牛頓流體。dydu012345彈性體賓漢型塑性流體假(偽)塑性流體牛頓流體膨脹性流體理想流體ndydu)(01、賓漢型流體： 00，n=1,=Const2、假(偽)塑性流體： 0=0，n15、理想流體： 0=0，=0流體二、牛頓流體、非牛頓流體二、牛頓流體、非牛頓流體第四節(jié) 粘度流 體 類 別 定 義 0()dudyn 實 例 理 想 流 體 無粘性及完全不可壓縮的流體的一種假想流體 0、00 牛頓流體 滿足牛頓內(nèi)摩擦定律00、0、n1 水、 空氣、 汽油、 煤油、甲苯、乙醇等 賓漢型塑性流體 0