流體力學(xué)緒論2

1、第三節(jié) 流體的主要物理性質(zhì)一、慣性（牛一律）一、慣性（牛一律） 1 定義：物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)定義：物體保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)2 度量：度量：密度密度（Density） 單位體積流體的質(zhì)量單位體積流體的質(zhì)量，kg/m3 。0limmVV3 均質(zhì)流體均質(zhì)流體內(nèi)部各點(diǎn)處的密度均相等內(nèi)部各點(diǎn)處的密度均相等：mV密度常用值：密度常用值： 水水 =1000 kg/m3 （常溫常壓）（常溫常壓） 水銀水銀 =13600 kg/m3 空氣空氣 =1.2 kg/m3 容重容重（Specific Weight）、）、比容比容(Specific Volume)、比重比重（Specific Gravity）二

2、、二、粘滯性（粘性粘滯性（粘性）1、粘滯性（粘性）定義粘滯性（粘性）定義 當(dāng)流體處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，若流體質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)運(yùn)當(dāng)流體處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，若流體質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（粘滯力），抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)間要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（粘滯力），抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種性質(zhì)稱為流體的粘滯性。動(dòng)，這種性質(zhì)稱為流體的粘滯性。 即流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì)即流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形的性質(zhì)。2、粘度、粘度（1）流體粘度的定義）流體粘度的定義 粘性大小由粘度來(lái)量度粘性大小由粘度來(lái)量度 由流動(dòng)流體的由流動(dòng)流體的 內(nèi)聚力內(nèi)聚力和分子的和分子的動(dòng)量交換動(dòng)量交換所引起的所引起的（2）分類）分類 動(dòng)力粘滯

3、系數(shù)動(dòng)力粘滯系數(shù) ：又稱絕對(duì)粘度、動(dòng)力粘度、粘度，是反映流體：又稱絕對(duì)粘度、動(dòng)力粘度、粘度，是反映流體粘滯性粘滯性 大小的系數(shù)，單位：大小的系數(shù)，單位：1Ns/m2 = 1 Pa.s。 運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù) ：又稱相對(duì)粘度，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)又稱相對(duì)粘度，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),單位：?jiǎn)挝唬簃2/s（3）粘度的影響因素）粘度的影響因素 (P5表表1-3、4）流體粘度流體粘度 的數(shù)值隨流體的數(shù)值隨流體種類種類而不同，并隨而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度壓強(qiáng)、溫度而變化。而變化。 流體種類：流體種類：相同條件下液體的粘度一般大于氣體的相同條件下液體的粘度一般大于氣體的粘度。粘度。 壓強(qiáng)：壓強(qiáng)：常見(jiàn)的流體水、氣體等，常見(jiàn)

4、的流體水、氣體等， 值隨壓強(qiáng)的變化不值隨壓強(qiáng)的變化不 大，一般可忽略不計(jì)。大，一般可忽略不計(jì)。 溫度：溫度：是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。體的粘度減小，氣體的粘度增加。 a.液體：液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，間距離增大， 吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以生的切應(yīng)力減小，所以 值減小。值減小。 b.氣體：氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘

5、度主要是由氣體分子由氣體分子 運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng) 量交換頻繁，所以量交換頻繁，所以 值增加。值增加。3、牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律（1）牛頓平板實(shí)驗(yàn)）牛頓平板實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)裝置 受力分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 剪切變形duTduTAdyAdy或tandudtdudddddydydtdt（2）牛頓內(nèi)摩擦定律）牛頓內(nèi)摩擦定律 液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與剪切變形的速率成正比。即的速率成正比。即duddydt 粘性切應(yīng)力，是單位面積上的內(nèi)摩擦力。粘性切應(yīng)力，是單位面積上

6、的內(nèi)摩擦力。說(shuō)明：說(shuō)明：1）流體的切應(yīng)力與速度梯度、剪切變形速率）流體的切應(yīng)力與速度梯度、剪切變形速率(角變角變形率形率)成正比成正比(區(qū)別于固體的重要特性區(qū)別于固體的重要特性)。 固體的切固體的切應(yīng)力與角變形的大小應(yīng)力與角變形的大小 成正比。成正比。 2）流體的切應(yīng)力與動(dòng)力粘性系數(shù)）流體的切應(yīng)力與動(dòng)力粘性系數(shù) 成正比。成正比。 3）對(duì)于平衡流體）對(duì)于平衡流體du/dy=0或理想流體或理想流體 =0，所以不，所以不產(chǎn)生切應(yīng)力，產(chǎn)生切應(yīng)力， =0。 4）牛頓）牛頓1686年提出，后人驗(yàn)證年提出，后人驗(yàn)證.4 4、理想流體、理想流體（無(wú)粘性流體） 根據(jù)流體是否具有粘性根據(jù)流體是否具有粘性，可分為，

7、可分為：實(shí)際流體：實(shí)際流體： 指具有粘度的流體，在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有抵抗剪切變形能力，指具有粘度的流體，在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有抵抗剪切變形能力，即存在摩擦力，粘性系數(shù)即存在摩擦力，粘性系數(shù) 0 0。理想流體：理想流體： 是指無(wú)粘性（是指無(wú)粘性（ =0=0）的一種假想流體，的一種假想流體，在在運(yùn)動(dòng)時(shí)也能運(yùn)動(dòng)時(shí)也能抵抗剪切變形。抵抗剪切變形。說(shuō)明：說(shuō)明： 人為定義的一種力學(xué)模型，實(shí)際不存在，實(shí)際流體有人為定義的一種力學(xué)模型，實(shí)際不存在，實(shí)際流體有粘性。粘性。 不考慮粘性可使流動(dòng)分析大為簡(jiǎn)化，從而得出理論分不考慮粘性可使流動(dòng)分析大為簡(jiǎn)化，從而得出理論分析結(jié)果。析結(jié)果。三、壓縮性三、壓縮性Compressibility

8、和熱脹性和熱脹性壓縮性：壓縮性：流體因壓強(qiáng)流體因壓強(qiáng) 分子間距離分子間距離 體積體積 密度密度 的性質(zhì)的性質(zhì) 熱脹性：熱脹性：流體因溫度流體因溫度 分子間距離分子間距離 體積體積 密度密度 的性質(zhì)的性質(zhì)1、液體的壓縮性和熱脹性、液體的壓縮性和熱脹性壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)(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(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增流體體積的相對(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積的相對(duì)減小值大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積的相對(duì)減小值dpVdV /單位單位（m m2 /N/N ，Pa-1）壓縮系數(shù)：

9、壓縮系數(shù)：體積模量體積模量：壓縮系數(shù)的倒數(shù)：壓縮系數(shù)的倒數(shù),單位單位Pa ( (體積彈性模量體積彈性模量Bulk Modulus of Elasticity) )dpVdV /1d pd pKVd Vd 熱脹系數(shù)熱脹系數(shù)v：dTddTVdVV/單位單位1/或或1/K液體液體K、隨溫度和壓強(qiáng)變化甚微，隨溫度和壓強(qiáng)變化甚微，v變化也不大。變化也不大?？山朴每山朴孟率奖硎荆合率奖硎荆赫f(shuō)明說(shuō)明：a. a. K越大，越不易被壓縮，當(dāng)越大，越不易被壓縮，當(dāng)K時(shí)，表示該流體絕對(duì)時(shí)，表示該流體絕對(duì)不可壓縮不可壓縮。b.b.流體的種類不同，其流體的種類不同，其、K值不同。值不同。c.c.同一種流體的同一種流

10、體的、K值隨溫度、壓強(qiáng)的變化而變化。值隨溫度、壓強(qiáng)的變化而變化。d.d.在一定溫度和中等壓強(qiáng)下，水的體積在一定溫度和中等壓強(qiáng)下，水的體積彈性模量彈性模量變化不大。變化不大。121211VVppVpVKVK，即1d pd pKVd Vd 一般工程設(shè)計(jì)中，水的一般工程設(shè)計(jì)中，水的K=2=210109 9 Pa Pa ，說(shuō)明，說(shuō)明 p=1p=1個(gè)大氣壓時(shí)，個(gè)大氣壓時(shí)， p p不大的條件下，水的壓縮性可忽略，相應(yīng)的水的密度可視不大的條件下，水的壓縮性可忽略，相應(yīng)的水的密度可視為常數(shù)。為常數(shù)。200001VV3 不可壓縮流體不可壓縮流體可壓縮流體可壓縮流體（Compressible Flow）：）：(

11、(constconst) ) 流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的流體。流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的流體。不可壓縮流體不可壓縮流體（Incompressible Flow）：）： ( ( =const=const) )流體密度隨壓強(qiáng)變化很小流體密度隨壓強(qiáng)變化很小，流體的密度流體的密度可視可視為常數(shù)的流體為常數(shù)的流體 嚴(yán)格地說(shuō)，不存在完全不可壓縮的流體嚴(yán)格地說(shuō)，不存在完全不可壓縮的流體。一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體 （發(fā)生水擊、熱水采暖、液壓系統(tǒng)時(shí)除外）。（發(fā)生水擊、熱水采暖、液壓系統(tǒng)時(shí)除外）。對(duì)于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對(duì)較小時(shí)，對(duì)于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對(duì)較

12、小時(shí)， 可視為不可壓縮流體。可視為不可壓縮流體。管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體（燃?xì)廨斉洌?。管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體（燃?xì)廨斉洌?。四、四?表面張力特性（毛細(xì)現(xiàn)象、量測(cè)誤差）表面張力特性（毛細(xì)現(xiàn)象、量測(cè)誤差）1 表面張力表面張力（Surface Tension）：）： 液體表面在分子作用半徑的薄層內(nèi)由于分子引力大液體表面在分子作用半徑的薄層內(nèi)由于分子引力大于斥力在表層沿表面方向所產(chǎn)生的拉力。于斥力在表層沿表面方向所產(chǎn)生的拉力。2 表面張力系數(shù)表面張力系數(shù) ： 指液體表面上單位長(zhǎng)度所受到的表面張力，單位為指液體表面上單位長(zhǎng)度所受到的表面張力，單位為N/m。3 3 毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象（

13、Capillarity Phenomena）：）：是指含有細(xì)微縫是指含有細(xì)微縫隙的物體與液體接觸時(shí)，在浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙上升或滲入、隙的物體與液體接觸時(shí)，在浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙上升或滲入、在不浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。在不浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。rh水rh水銀注：注： 很小很小 特例特例 測(cè)壓管測(cè)壓管1 汽化汽化Evaporation：液體分子逸出液面向空間擴(kuò)散的液體分子逸出液面向空間擴(kuò)散的過(guò)程，即液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。過(guò)程，即液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。 凝結(jié)凝結(jié)Condensation：汽化的逆過(guò)程汽化的逆過(guò)程，蒸汽凝結(jié)為液體，蒸汽凝結(jié)為液體2 汽化壓強(qiáng)汽化壓強(qiáng)（飽和蒸汽壓飽和蒸汽壓Evapor

14、ation Pressure）：）：是指在液體中，汽化和凝結(jié)同時(shí)存在，當(dāng)這兩個(gè)過(guò)程達(dá)到是指在液體中，汽化和凝結(jié)同時(shí)存在，當(dāng)這兩個(gè)過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即氣體分子返回到液體表面的速率與液面上時(shí)，即氣體分子返回到液體表面的速率與液面上的液體分子散逸到空間的速率相等時(shí)，的液體分子散逸到空間的速率相等時(shí)，宏觀宏觀的汽化現(xiàn)象停的汽化現(xiàn)象停止，此時(shí)的液體壓強(qiáng)稱為汽化壓強(qiáng)。止，此時(shí)的液體壓強(qiáng)稱為汽化壓強(qiáng)。五、五、 汽化壓強(qiáng)汽化壓強(qiáng)3 空化（空化（Cavitation）：）：是指液體內(nèi)局部壓力降低到低于是指液體內(nèi)局部壓力降低到低于汽化壓強(qiáng)時(shí)，該處液體就會(huì)沸騰，液體內(nèi)部或液固交界汽化壓強(qiáng)時(shí)，該處液體就會(huì)沸

15、騰，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸汽或氣體（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程。面上蒸汽或氣體（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程。4 氣蝕：氣蝕：空化時(shí)氣泡進(jìn)入高壓處，在高壓作用下迅速破滅，空化時(shí)氣泡進(jìn)入高壓處，在高壓作用下迅速破滅，伴隨氣泡潰滅，將對(duì)壁面產(chǎn)生極大的沖擊力，有可能使伴隨氣泡潰滅，將對(duì)壁面產(chǎn)生極大的沖擊力，有可能使壁面被剝蝕破壞的現(xiàn)象。壁面被剝蝕破壞的現(xiàn)象。 空化發(fā)生在水流的低壓區(qū)，是產(chǎn)生空蝕的前提，空空化發(fā)生在水流的低壓區(qū)，是產(chǎn)生空蝕的前提，空蝕則是隨后在壓強(qiáng)稍高的區(qū)域內(nèi)氣泡潰滅、破壞外界材蝕則是隨后在壓強(qiáng)稍高的區(qū)域內(nèi)氣泡潰滅、破壞外界材料的結(jié)果。料的結(jié)果。本章小結(jié)本章小結(jié)1、工程流體力學(xué)

16、任務(wù)是研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)工程流體力學(xué)任務(wù)是研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)，提出了流體的易動(dòng)，提出了流體的易流動(dòng)性流動(dòng)性概念，即流體在概念，即流體在靜止時(shí)，不能抵抗剪切變形，在任何微小切靜止時(shí)，不能抵抗剪切變形，在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)。應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)。 引入了引入了連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型假設(shè)，把流體看成假設(shè)，把流體看成沒(méi)有空隙的連續(xù)介質(zhì)，則流體中的一切物理沒(méi)有空隙的連續(xù)介質(zhì)，則流體中的一切物理量看作時(shí)空的連續(xù)函數(shù)，可采用函數(shù)理論作量看作時(shí)空的連續(xù)函數(shù)，可采用函數(shù)理論作為分析工具。為分析工具。2、作用在流體上的力根據(jù)作用方式不同、作用在流體上的力根據(jù)作用方式不同分為分為

17、質(zhì)量力質(zhì)量力和和表面力表面力：dAdPAPpAAlim0dAdTATAAlim0BFBmfXiYjZk3、流體的壓縮性一般可用流體的壓縮性一般可用壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)和和體積模量體積模量K來(lái)描述，通常情況下，壓強(qiáng)變化不大時(shí)，都來(lái)描述，通常情況下，壓強(qiáng)變化不大時(shí)，都可視為可視為不可壓縮流體不可壓縮流體； 熱脹性用熱脹性用熱脹系數(shù)熱脹系數(shù)v描述：描述：1/dVVKdp dTddTVdVV/4、粘滯性是流體的主要物理性質(zhì)，是抵抗剪切變形的一粘滯性是流體的主要物理性質(zhì)，是抵抗剪切變形的一種性質(zhì)，不同的流種性質(zhì)，不同的流 體粘滯性大小用體粘滯性大小用動(dòng)力粘滯系數(shù)動(dòng)力粘滯系數(shù) 或或運(yùn)運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)動(dòng)粘滯系數(shù) 來(lái)反映。來(lái)反映。理想流體理想流體是一種假想流體。其中是一種假想流體。其中溫度是粘度的影響因素：隨溫度升高，氣體粘度上升、溫度是粘度的影響因素：隨溫度升高，氣體粘度上升、液體粘度下降。液體粘度下降。 牛頓內(nèi)摩擦牛頓內(nèi)摩擦 定律定律它表明流體的切應(yīng)力大小與速度梯它表明流體的切應(yīng)力大小與速度梯度或角變形率或剪切變形速率成正比，這是流體區(qū)別于度或角變形率或剪切變形速率成正比，這是流體區(qū)別于固體（其切應(yīng)力與剪切變形大小成正比）的一個(gè)重要特固體（其切應(yīng)力與剪切變形大小成正比