流體概念以及性質

1、關于流體概念及性質第一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、流體的特征易流動性； 力學上只能承受壓力，一般不能承受拉力，靜止時不能承受切力；流體也是物質的一種基本形態(tài)，遵循自然界一切物質運動的普遍規(guī)律。1.1流體的定義和特征第二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 流體的連續(xù)介質假設 微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運動的分子所組成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。 宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子 距離大得多。問題的引出：第三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無 數(shù)連續(xù)分布的流體微團組成的連續(xù)介質。 流體微團

2、必須具備的兩個條件必須包含足夠多的分子；體積必須很小。一、流體的連續(xù)介質假設 流體微團（或流體質點） 宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個幾何上 沒有維度的點；同時微觀上足夠大，里面包含著許許 多多分子，其行為已經表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計學性質。1.2 流體的連續(xù)介質假設第四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月避免了流體分子運動的復雜性，只需研究流體的宏 觀運動。2. 可以利用數(shù)學工具來研究流體的平衡與運動規(guī)律。（連續(xù)函數(shù)）二、采用流體連續(xù)介質假設的優(yōu)點1.2 流體的連續(xù)介質假設第五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月一、流體的密度單位體積流體所具有的質量。密度表征物體慣性的物理量。單

3、位：kg/m3 常見流體的密度： 水1000 kg/m3 空氣1.23 kg/m3 水銀136000 kg/m3均勻流體：1.3 流體的主要物理性質非均勻流體：1.3.1 流體的密度與重度第六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 均質流體重度： 非均質流體重度： 重度與密度間的關系：1.3.1 流體的密度與重度二、重度第七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、流體的相對密度流體的密度與4oC時水的密度的比值。 式中，f 流體的密度（kg/m3） w4oC時水的密度（kg/m3）1.3.1 流體的密度與重度第八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月四、流體的比容單位質量的流體所

4、占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位： m3/kg1.3.1 流體的密度與重度第九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月五、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數(shù)計算。式中：1， 2， n 各組分氣體的密度 a1， a2， an各組分氣體所占的體積百分數(shù)1.3.1 流體的密度與重度第十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性一、流體的壓縮性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質。1.壓縮系數(shù) 單位壓力增加所引起的體積相對變化量2.體積模量 第十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的增大而增大的性質。1.體脹系

5、數(shù) 單位溫度增加所引起的體積相對變化量1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月工程上不可壓縮流體液體氣體溫度與壓強壓縮性、膨脹性影響小壓縮性、膨脹性影響大滿足理想氣體狀態(tài)方程1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 對液體而言，其壓縮性，一般情況下不考慮，因此工程實際常把液體看作不可壓縮的流體。 液體的膨脹性也很小，除溫度變化大的場合，一般工程問題也不考慮。 通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯，對實際氣體，不大于10MPa時，他們之間的關系遵守理想氣體狀態(tài)方程。1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十四張，

6、PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月理想氣體狀態(tài)方程R氣體常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kgK等溫過程：壓縮系數(shù)等壓過程：膨脹系數(shù)絕熱過程：壓縮系數(shù)低速（標準狀態(tài)，v68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體1. 可壓縮性 流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質。2. 可壓縮流體和不可壓縮流體 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1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.3 流體的粘性一、流體

7、的粘性1. 粘性的定義 流體運動時，其內部各流體微團之間發(fā)生相對運動時，流體內部會產生摩擦力（即粘性力）以阻抗流體變形的性質。(1) 庫侖實驗(1784)庫侖用液體內懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內摩擦。 第十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 流體粘性所產生的兩種效應流體內部各流體微團之間會產生粘性力； 流體將粘附于它所接觸的固體表面。1.3.3 流體的粘性粘性是流體阻止發(fā)生剪切變形和角變形的一種特性。當流體處于靜止或各部分之間相對速度為零時，流體 的粘性就表象不出來，其內摩擦力也就等于零。第十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.牛頓內摩擦定律 (1) 牛頓平板實驗

8、當h和u不是很大時，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，1.3.3 流體的粘性第十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 牛頓內摩擦定律實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)，得：1.3.3 流體的粘性第二十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月速度梯度的物理意義角變形速度（剪切變形速度）vdt(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，與速度無關第二十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月粘性切應力與速度梯度成正比；(2)粘性切應力與角變形速率成正比；(3)比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。牛頓內摩擦定律表明：CDBAdbad

9、ydudt1.3.3 流體的粘性第二十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 流體粘性大小的度量,由流體流動的內聚力和分子的動量交換引起。(1) 動力粘度(2) 運動粘度3.粘度（3）相對粘度-恩氏粘度1.3.3 流體的粘性第二十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 粘度的影響因素溫度對流體粘度的影響很大溫度壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計液體：分子內聚力是產生粘度的主要因素。溫度分子間距分子吸引力內摩擦力粘度氣體：分子熱運動引起的動量交換是產生粘度的主要因素。溫度分子熱運動動量交換內摩擦力粘度 1.3.3 流體的粘性第二十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月

10、水的動力黏度與溫度的關系： 式中：為零度時的動力黏度。Pa.s氣體的動力黏度與溫度的關系（蘇士蘭關系式）只使用于壓強不太大的場合）1.3.3 流體的粘性式中：C為氣體常數(shù)第二十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(4) 粘度的測量管流法落球法旋轉法工業(yè)粘度計 1.3.3 流體的粘性第二十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、粘性流體和理想流體1.粘性流體 具有粘性的流體（0）。2.理想流體 忽略粘性的流體（=0）。一種理想的流體模型。1.3.3 流體的粘性第二十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月dv/dz牛頓流體o牛頓流體服從牛頓內摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣

11、體等）三、牛頓流體與非牛頓流體第二十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 非牛頓流體 塑性流體、假塑性流體、脹塑性流體。研究非牛頓流體受力和運動規(guī)律的科學稱為-流變學第二十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月例：汽缸內壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復運動的速度為1m/s，潤滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL第三十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月例：旋轉圓筒粘度計，外筒固定，內筒轉速n=10r/min。內外筒間充入實驗液體。內筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內筒

12、高h=7cm，轉軸上扭距M=0.0045Nm。求該實驗液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一hnr1r2得第三十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象1.表面張力：由分子的內聚力引起單位：N/m發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界。表面張力現(xiàn)象：露珠、肥皂泡、毛細現(xiàn)象等第三十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2 .表面張力和接觸角概念PP0R液體氣體表面張力: -單位長度所受拉力接觸角概念: 當液體與固體壁面接觸時, 在液體,固體壁面作液體表面的切面, 此切面與固體壁在液體內部所夾部分的角度 稱為接觸角, 當 為銳

13、角時, 液體潤濕固體, 當 為鈍角時, 液體不潤濕固體水與玻璃的 = 8090 水銀的 = 13801.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象第三十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象3.毛細現(xiàn)象：液固接觸液固間附著力大于液體的內聚力液固間附著力小于液體的內聚力內聚力: 液體分子間吸引力附著力: 液體與固體分子間吸引力第三十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月毛細現(xiàn)象 h水在玻璃管中上升高度 h=29.8/d(mm)水銀在玻璃管中下降高度 h=10.5/d(mm)工程中常用的測壓管，毛細現(xiàn)象往往造成較大的誤差，一般情況下測壓管的管徑應大于10mm。另外在研究液滴的破碎、氣泡的形成等問題時，也必須要考慮表面張力的