流體力學(xué)與流體機(jī)械一

1、流體力學(xué)與流體機(jī)械一流體力學(xué)與流體機(jī)械一第1頁(yè)第一章 流體及其物理性質(zhì)第一節(jié) 流體定義和特征第二節(jié) 流體作為連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第三節(jié) 流體密度和重度第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律第六節(jié) 液體表面性質(zhì)流體力學(xué)與流體機(jī)械一第2頁(yè)第一節(jié) 流體定義和特征內(nèi) 容 提 要 1、流體定義 2、流體流動(dòng)性 3、流體與固體區(qū)分 4、液體與氣體區(qū)分流體力學(xué)與流體機(jī)械一第3頁(yè)第一節(jié) 流體定義和特征 物質(zhì)存在形態(tài)有三種：固體、液體和氣體。 咱們通常把能夠流動(dòng)液體和氣體統(tǒng)稱(chēng)為流體。 從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，流體在受到微小剪切力作用時(shí)，將連續(xù)不停地發(fā)生變形(即流動(dòng))，直到剪切力作用消失為止。所以，流體能夠這

2、么來(lái)定義： 在任何微小剪切力作用下能夠連續(xù)變形物質(zhì)叫作流體。 流體和固體因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)和分子間作用力不一樣，所以，它們性質(zhì)也不一樣。在相同體積固體和流體中，流體所含有分子數(shù)目比固體少得多，分子間距就大得多，所以，流體分子間作用力很小，分子運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，從而決定了流體含有流動(dòng)性，而且流體也沒(méi)有固定形狀。 流體力學(xué)與流體機(jī)械一第4頁(yè)第一節(jié) 流體定義和特征 流體與固體相比有以下區(qū)分： (1)固體既能夠抵抗法向力壓力和拉力，也能夠抵抗切向力。而流體僅能夠抵抗壓力，不能夠承受拉力，也不能抵抗拉伸變形。另外，流體即使在微小切向力作用下，也很輕易變形或流動(dòng)。 (2)在彈性程度內(nèi)，固體形變是遵照應(yīng)變與所作用應(yīng)力成正

3、比這一規(guī)律(彈性定律)；而對(duì)于流體，則是遵照應(yīng)變速率與應(yīng)力成正比規(guī)律。 (3)固體應(yīng)變與應(yīng)力作用時(shí)間無(wú)關(guān)，只要不超出彈性極限，作用力不變時(shí)，固體變形也就不再改變，當(dāng)外力去除后，形變也就消失；對(duì)于流體，只要有應(yīng)力作用，它將連續(xù)變形(流動(dòng))，當(dāng)應(yīng)力去除后，它也不再能恢復(fù)到原來(lái)形狀。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第5頁(yè)第一節(jié) 流體定義和特征 液體和氣體雖都屬于流體，但二者之間也有所不一樣。液體分子間距和分子有效直徑相當(dāng)。當(dāng)對(duì)液體加壓時(shí)，只要分子間距稍有縮小，分子間排斥力就會(huì)增大，以抵抗外壓力。所以液體分子間距極難縮小，即液體極難被壓縮。以致一定質(zhì)量液體含有一定體積。液體形狀取決于容器形狀，而且因?yàn)榉肿娱g吸引力

4、作用，液體有力爭(zhēng)自己表面積收縮到最小特征。所以，當(dāng)容器容積大于液體體積時(shí)，液體不能充滿容器，故在重力作用下，液體總保持一個(gè)自由表面，通常稱(chēng)為水平面。 氣體分子間距比液體大，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0,101325Pa)下，氣體平均分子間距約為3.3106mm，其分子平均直徑流體力學(xué)與流體機(jī)械一第6頁(yè)第一節(jié) 流體定義和特征 約為2.5107 mm。分子間距比分子平均直徑約大十倍。所以，只有當(dāng)分子間距縮小得很多時(shí)，分子間才會(huì)出現(xiàn)排斥力?？梢?jiàn)，氣體是很輕易被壓縮。另外，因氣體分子間距與分子平均直徑相比很大，以致分子間吸引力很微小，而分子熱運(yùn)動(dòng)起決定性作用，所以氣體沒(méi)有一定形狀，也沒(méi)有固定體積，它總是能均勻地充滿

5、容納它容器而形成不了自由表面。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第7頁(yè)第二節(jié) 流體作為連續(xù)介質(zhì)假設(shè)內(nèi) 容 提 要 1、流體微團(tuán)概念 2、把流體作為連續(xù)性介質(zhì)假設(shè)意義 3、把流體作為連續(xù)性介質(zhì)假設(shè)合理性流體力學(xué)與流體機(jī)械一第8頁(yè)第二節(jié) 流體作為連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 眾所周知，任何流體都是由無(wú)數(shù)分子組成，分子與分子之間含有一定空隙。這就是說(shuō)，從微觀角度來(lái)看，流體并不是連續(xù)分布物質(zhì)。不過(guò)，流體力學(xué)所要研究并不是個(gè)別分子微觀運(yùn)動(dòng)，而是研究由大量分子組成宏觀流體在外力作用下機(jī)械運(yùn)動(dòng)。咱們所測(cè)量流體密度、速度和壓力等物理量,正是大量分子宏觀效應(yīng)結(jié)果。所以，在流體力學(xué)中，取流體微團(tuán)來(lái)代替流體分子作為研究流體基元。所謂流體微團(tuán)是指

6、一塊體積為無(wú)窮小微量流體。因?yàn)榱黧w微團(tuán)尺寸極其微小，故可作為流體質(zhì)點(diǎn)來(lái)對(duì)待。這么，流體就能夠看成是由無(wú)限多連續(xù)分布流體質(zhì)點(diǎn)所組成連續(xù)介質(zhì)。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第9頁(yè)第二節(jié) 流體作為連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 這種對(duì)流體連續(xù)性假設(shè)是合理。因?yàn)樵诹黧w介質(zhì)中，流體微團(tuán)雖小，但卻包含著為數(shù)眾多分子。比如，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mm3氣體中含有2.71016個(gè)分子；1mm3液體中含有31019個(gè)分子。可見(jiàn)，分子之間間隙是極其微小。所以，在研究流體宏觀運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠忽略分子間空隙，而認(rèn)為流體是連續(xù)介質(zhì)。 當(dāng)把流體看作是連續(xù)介質(zhì)以后，表征流體屬性各物理量(如流體密度、速度、壓力、溫度、粘度等)在流體中也應(yīng)該是連續(xù)分布。這么就可將

7、流體各物理量看作是空間坐標(biāo)和時(shí)間連續(xù)函數(shù)，從而能夠引用連續(xù)函數(shù)解析方法等數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第10頁(yè)第二節(jié) 流體作為連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 把流體作為連續(xù)介質(zhì)來(lái)處理，對(duì)于大個(gè)別工程技術(shù)問(wèn)題都是正確，但對(duì)于一些特殊問(wèn)題則是不適用。比如，火箭在高空非常稀薄氣體中飛行以及高真空技術(shù)中，其分子間距與設(shè)備尺寸能夠比擬，不再能夠忽略不計(jì)。這時(shí)不能再把流體看成是連續(xù)介質(zhì)來(lái)研究，而需要利用分子運(yùn)動(dòng)論微觀方法來(lái)研究。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第11頁(yè)第三節(jié) 流體密度和重度內(nèi) 容 提 要一、 流體密度二、 流體重度三、 流體比重和比容流體力學(xué)與流體機(jī)械一第12頁(yè)第三節(jié) 流體密度和重度 一、流體密

8、度 單位體積流體所含有質(zhì)量稱(chēng)為流體密度。它表示流體質(zhì)量在空間分布密集程度。 對(duì)于流體中各點(diǎn)密度相同均勻流體，其密度為 (11) 式中 流體密度(kg/m3)； m流體質(zhì)量(kg)； V流體體積(m3)。 對(duì)于各點(diǎn)密度不一樣非均勻流體，在流體空間中某點(diǎn)取包含該點(diǎn)微小體積V，該體積內(nèi)流體質(zhì)量為m，則該點(diǎn)密度為 (1-2)流體力學(xué)與流體機(jī)械一第13頁(yè)第三節(jié) 流體密度和重度 二、流體重度 單位體積流體所含有重量，即作用在單位體積流上重力稱(chēng)為流體重度。它表示流體重量在空間分布密集程度。 均勻流體重度為 (1-3) 式中 流體重度(N/m3)； G流體重量(N)； V流體體積(m3)。 對(duì)于各點(diǎn)重度不一樣

9、非均勻流體，某點(diǎn)重度為 (1-4) 式中 V包含某點(diǎn)微小體積；流體力學(xué)與流體機(jī)械一第14頁(yè)第三節(jié) 流體密度和重度 G該體積內(nèi)流體重量。 在地球重力場(chǎng)中，流體密度和流體重度之間關(guān)系為 (1-5) 注意：流體密度與地理位置無(wú)關(guān)，而流體重度因?yàn)榕c重力加速度g相關(guān)，所以它將隨地理位置改變而改變。 三、流體比重和比容 應(yīng)該注意，不要把流體重度和流體比重混同起來(lái)。在工程上，液體比重是指液體密度或重度與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4純水密度或重度之比，用S表示。 即 (1-6) 它是一個(gè)無(wú)因次量。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第15頁(yè)第三節(jié) 流體密度和重度 氣體比重，是指某氣體密度或重度與在某給定壓力和溫度下空氣或氫氣密度或重度之比

10、。它沒(méi)有統(tǒng)一要求，必須視給定條件而定。 流體密度倒數(shù)稱(chēng)作比容，即單位質(zhì)量流體所占有體積，用來(lái)表示，單位為m3/kg，即 (1-7) 咱們經(jīng)常見(jiàn)到煤氣和煙氣等都是混合氣體，混合氣體密度可按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算，即 (1-8) 式中 混合氣體中各組分氣體密度； 混合氣體中各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第16頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性?xún)?nèi) 容 提 要一、 流體壓縮性二、 流體膨脹性三、 理想氣體狀態(tài)方程四、 可壓縮流體和不可壓縮流體流體力學(xué)與流體機(jī)械一第17頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 一、流體壓縮性 在一定溫度下，流體體積隨壓力升高而縮小性質(zhì)稱(chēng)為流體壓縮性。流體壓縮性大小

11、用體積壓縮系數(shù)p表示。它表示當(dāng)溫度保持不變時(shí)，單位壓力增量所引發(fā)流體體積相對(duì)縮小量，即 (1-9) 式中 p流體體積壓縮系數(shù)(m2/N)； dp流體壓力增量(Pa)； dV/V流體體積相對(duì)改變量； d/流體密度相對(duì)改變量。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第18頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 因?yàn)閴毫υ黾訒r(shí)流體體積縮小，即dp與dV改變方向相反。故上式中加一負(fù)號(hào)，以使體積壓縮系數(shù)p保持正值。 液體體積壓縮系數(shù)普通都很小。 體積壓縮系數(shù)倒數(shù)稱(chēng)為體積彈性系數(shù)，或稱(chēng)體積彈性模量，用E表示，即 (1-10) 工程上常見(jiàn)體積彈性系數(shù)來(lái)衡量流體壓縮性大小。式(1-10)表明，對(duì)于一樣壓力增量，E值小流體，其體積改變率大，

12、較易壓縮；E值大流體，其體積改變率小，較難壓縮。E單位與壓力相同，為帕或牛/米2。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第19頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 二、流體膨脹性 在一定壓力下，流體體積隨溫度升高而增大性質(zhì)稱(chēng)為流體膨脹性。流體膨脹性大小用體積膨脹系數(shù)來(lái)表示，它表示當(dāng)壓力保持不變時(shí)，溫度升高1K所引發(fā)流體體積相對(duì)增加量。即 (1-11) 式中 T流體體積膨脹系數(shù)，也稱(chēng)溫度膨脹系數(shù)或熱膨脹系數(shù)(1/或1/K)； dT流體溫度增加量(K)。 其它符號(hào)同前。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第20頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 因?yàn)闇囟壬?，流體體積膨脹，故dT與dV同號(hào)。液體體積膨脹系數(shù)也很小。 流體體積膨脹系數(shù)T還決定于壓

13、力。對(duì)于大多數(shù)液體，T隨壓力增加稍有減小。但水T值在50以下時(shí)隨壓力增加而增大，在50以上時(shí)，是隨壓力增加而減小。 三、理想氣體狀態(tài)方程 氣體壓縮性和膨脹性要比液體大得多。這是因?yàn)闅怏w密度隨溫度和壓力改變將發(fā)生顯著改變。對(duì)于理想氣體，其密度與溫度和壓力之間關(guān)系可用理想氣體狀態(tài)方程式來(lái)表示，即 (1-12) 或?qū)懗?(1-12a)流體力學(xué)與流體機(jī)械一第21頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 式中 p氣體絕對(duì)壓力(Pa)； v氣體比容(m3/kg)； R氣體常數(shù)(J/kgK)； T熱力學(xué)溫度(K)，T=t+273； 氣體密度(kg/m3)。 氣體狀態(tài)方程說(shuō)明，氣體比容同絕對(duì)壓力成反比，而同熱力學(xué)溫度成正

14、比。 當(dāng)氣體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓力改變不大時(shí)，其絕對(duì)壓力可視為常數(shù)次，此時(shí)，氣體密度可按等壓過(guò)程來(lái)計(jì)算。 由 得： (1-13)流體力學(xué)與流體機(jī)械一第22頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 式中 0溫度為0時(shí)氣體密度(kg/m3)； t溫度為t時(shí)氣體密度(kg/m3)； T0、T分別為0和t時(shí)熱力學(xué)溫度(K)； 氣體體積膨脹系數(shù)，1/273(1/K)。 同理可得到氣體體積在等壓過(guò)程中隨溫度改變關(guān)系式為 Vt=V0(1+t) (1-14) 式中 Vt溫度為t時(shí)氣體體積(m3)； V0溫度為0時(shí)氣體體積(m3)。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第23頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 四、可壓縮流體和不可壓縮流體 由上可知，壓

15、力和溫度改變都會(huì)引發(fā)流體密度改變。任何流體，不論是氣體還是液體都是能夠壓縮，只是可壓縮程度不一樣而已。就是說(shuō)，流體壓縮性是流體基礎(chǔ)屬性。 通常液體壓縮性都很小，伴隨壓力和溫度改變，液體密度僅有微小改變，在工程上大多數(shù)情況下，能夠忽略壓縮性影響，認(rèn)為液體密度不隨壓力和溫度改變而改變。是一個(gè)常數(shù)。于是通常把液體看成是不可壓縮流體。比如，可在通常壓力和溫度改變范圍內(nèi)，取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4時(shí)水最大密度=1000kg/m3作為計(jì)算值。這么并不影響工程上精度要求，而且使工程計(jì)算大為簡(jiǎn)化。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第24頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 氣體壓縮性都很大，由熱力學(xué)可知，當(dāng)溫度不變時(shí)，理想氣體體積與壓力

16、成反比(波義爾定律)，壓力增加一倍，其體積減小為原來(lái)二分之一；當(dāng)壓力不變時(shí)，氣體體積與熱力學(xué)溫度成正比(蓋呂薩克定律)，溫度升高1，氣體體積就比0時(shí)體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，它密度不能作為常數(shù)，而是隨壓力和溫度而改變。 把液體看作是不可壓縮流體，把氣體看作是可壓縮流體，這都不是絕正確。在實(shí)際工程中，要不要考慮流體壓縮性，要視詳細(xì)情況而定。比如，在研究管道中水擊現(xiàn)象和水下爆炸等問(wèn)題時(shí)，水壓力改變較大，而且改變過(guò)程非?？焖?，這時(shí)水密度改變就不可忽略，即要考慮水壓縮性，把水看成流體力學(xué)與流體機(jī)械一第25頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 可壓縮流體來(lái)處理；又如，在加熱爐或鍋爐尾

17、部煙道和通風(fēng)管道中，氣體在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中，壓力和溫度改變都很小，其密度改變也很小，可作為不可壓縮流體處理；再如，當(dāng)氣體對(duì)物體流動(dòng)相對(duì)速度比音速小得多時(shí)，氣體密度改變很小，可近似地看成是常數(shù)，也可看成不可壓縮流體來(lái)處理。 氣體可壓縮性通常見(jiàn)馬赫數(shù)來(lái)度量，馬赫數(shù)定義為 (115) 式中 M馬赫數(shù)，無(wú)因次量； u氣體流速(m/s)； a在該氣體溫度下，聲音在氣體內(nèi)傳輸速度，即當(dāng)?shù)匾羲?m/s)。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第26頁(yè)第四節(jié) 流體壓縮性和膨脹性 當(dāng)M0.3情況下，流體密度改變約在4%以?xún)?nèi)，所以，對(duì)于以M0.3流動(dòng)氣體，可按不可壓縮流體處理。以空氣為例，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣，當(dāng)M=0.3時(shí)，其速度約相當(dāng)

18、于100m/s，這就是說(shuō)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，若空氣流速u(mài)100m/s，就能夠不考慮壓縮性影響。對(duì)于流體可壓縮性，也有些人直接采取流體密度改變率來(lái)度量，即當(dāng)流體在流動(dòng)過(guò)程中，其密度改變小于35%時(shí)可作為不可壓縮流體來(lái)處理，不然，將作為可壓縮流體處理。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第27頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律內(nèi) 容 提 要一、 流體粘性和粘性力二、 牛頓內(nèi)摩擦定律三、 流體粘度測(cè)量及恩氏粘度四、 粘性流體和理想流體五、 牛頓流體和非牛頓流體流體力學(xué)與流體機(jī)械一第28頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 一、流體粘性和粘性力 所謂流體粘性是指流體在流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，

19、以抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。自然界中所存在各種流體內(nèi)部都有妨礙流體流動(dòng)作用，即都含有粘性。不過(guò)，不一樣流體其粘性大小是不相同。流體粘性是由流體分子之間內(nèi)聚力和分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換綜合組成。流體與不一樣相表面接觸時(shí)，粘性表現(xiàn)為流體分子對(duì)表面附著作用。 由流體粘性作用而產(chǎn)生阻滯其流動(dòng)作用力，就稱(chēng)為粘性力或稱(chēng)內(nèi)摩擦力。 現(xiàn)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)來(lái)深入說(shuō)明：流體力學(xué)與流體機(jī)械一第29頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 將兩塊平板相隔一定距離水平放置，其間充滿某種流體，并使下板固定不動(dòng)，上板以某一速度u0向右平行移動(dòng)，如圖1-1所表示。因?yàn)榱黧w與平板間有附著力，緊貼上板一薄層流體將以速度u0隨上板一起向右運(yùn)動(dòng)，而緊貼下

20、板一薄層流體將和下板一樣靜止不動(dòng)。兩板之間各流體薄層在上板帶動(dòng)下均作平行于平板運(yùn)動(dòng)，且其速度均勻地由下板零改變到上板u0，在這種情況下，板間流體流動(dòng)速度是按直線改變?？梢?jiàn)，因?yàn)楦髁鲗铀俣炔灰粯?，流層間就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而必定產(chǎn)生切向阻力，即內(nèi)摩擦力。作用在兩個(gè)流體層接觸面上內(nèi)摩擦力總是成對(duì)出現(xiàn)，它們大小相等而方向相反，分別作用在相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩流體層上。速度較大流體層流體力學(xué)與流體機(jī)械一第30頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 圖1-1 流體粘性試驗(yàn)示意圖 圖1-2 粘性流體速度分布流體力學(xué)與流體機(jī)械一第31頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 作用在速度較小流體層上內(nèi)摩擦力T，其方向與流體流動(dòng)方向相同

21、，使速度較小流體層加速，而速度較小流體層作用在速度較大流體層上內(nèi)摩擦力T，其方向與流體流動(dòng)方向相反,妨礙流體流動(dòng)，使速度較大流體層減速。應(yīng)該指出，在普通情況下，流體流動(dòng)速度并按直線規(guī)律改變，而是按曲線規(guī)律改變，如圖1-2所表示。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第32頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 二、牛頓內(nèi)摩擦定律 依據(jù)牛頓試驗(yàn)研究結(jié)果得知，運(yùn)動(dòng)流體所產(chǎn)生內(nèi)摩擦力(即粘性力)大小與垂直于流動(dòng)方向速度梯度成正比，與接觸面面積成正比，并與流體物理性質(zhì)相關(guān)，而與接觸面上壓力關(guān)系甚微，這就是牛頓內(nèi)摩擦定律，也叫牛頓粘性定律，其數(shù)學(xué)表示式為 (1-16) 式中 T流體層接觸面上內(nèi)摩擦力(N)； A流體層間接觸面

22、積(m2)； du/dy垂直于流動(dòng)方向上速度梯度(1/s)；流體力學(xué)與流體機(jī)械一第33頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 與流體物理性質(zhì)相關(guān)百分比系數(shù)，稱(chēng)為動(dòng)力粘性系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)為粘度，有時(shí)也稱(chēng)為絕對(duì)粘度。在一定溫度和壓力下，動(dòng)力粘度為一常數(shù)。它單位為帕秒或千克/米秒、牛秒/米2。 流體動(dòng)力粘性系數(shù)是衡量流體粘性大小物理量。從式(1-16)可知，當(dāng)速度梯度du/dy=0時(shí)，內(nèi)摩擦力等于零。所以，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度流動(dòng)(各流層之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng))時(shí)，流體粘性就表現(xiàn)不出來(lái)。 上式中正負(fù)號(hào)意義是：當(dāng)速度梯度du/dy0時(shí)取負(fù)號(hào)；當(dāng)du/dy0時(shí)取正號(hào)，使T一直保持為正值。至于內(nèi)摩擦力

23、T方向要依據(jù)坐標(biāo)軸方向來(lái)判斷。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第34頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 流體層間單位面積上內(nèi)摩擦力稱(chēng)為粘性切應(yīng)力，用表示，其表示式為 (1-17) 式中符號(hào)同上。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第35頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 在研究流體流動(dòng)問(wèn)題和推導(dǎo)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律公式時(shí)，經(jīng)常同時(shí)存在粘性力和慣性力，粘性力與動(dòng)力粘度成正比，而慣性力與流體密度成正比，所以比值/經(jīng)常出現(xiàn)在公式中。為了計(jì)算方便起見(jiàn)，常以來(lái)表示其比值，即 (1-18) 式中 稱(chēng)為流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或稱(chēng)運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)。 影響流體粘度原因： 流體粘性主要受壓力和溫度影響。 在通常壓力下，壓力對(duì)流體粘性影響很小，可忽略不

24、計(jì)。在高壓下，流體粘性隨壓力升高而增大。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第36頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 液體粘性隨溫度升高而減??；氣體粘性隨溫度升高而增大。組成液體粘性主要原因是分子間吸引力(內(nèi)聚力)，溫度升高，液體分子間吸引力減小，其粘性降低；組成氣體粘性主要原因是氣體分子作不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不一樣速度分子層間所進(jìn)行動(dòng)量交換。溫度越高，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，動(dòng)量交換就越頻繁，氣體粘性就越大。 水動(dòng)力粘度與溫度關(guān)系可近似用下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 (1-19) 式中 tt時(shí)水動(dòng)力粘度(Pas)； 00時(shí)水動(dòng)力粘度，其值為1.79210-3Pas；流體力學(xué)與流體機(jī)械一第37頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定

25、律 t為水溫()。 氣體動(dòng)力粘度與溫度關(guān)系可用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 (1-20) 式中 t氣體在t時(shí)動(dòng)力粘度(Pas)； 0氣體在0時(shí)動(dòng)力粘度(Pas)； C與氣體種類(lèi)相關(guān)常數(shù)； T氣體熱力學(xué)溫度，T=t+273 (K)。 式(1-20)只適合用于壓力不太高(比如p106 Pa)場(chǎng)所，這時(shí)可視氣體粘度與壓力無(wú)關(guān)。水蒸氣動(dòng)力粘度隨溫度和壓力而變，壓力稍高，上式便不適用。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第38頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 三、流體粘度測(cè)量及恩氏粘度 要直接測(cè)量流體粘度或是非常困難，它們值往往是經(jīng)過(guò)測(cè)量與其相關(guān)其它物理量，然后再由相關(guān)方程進(jìn)行計(jì)算而得到。因?yàn)橛?jì)算所依據(jù)基礎(chǔ)方程不一樣，測(cè)定方法也

26、各異，所要測(cè)量相關(guān)物理量也不盡相同。 (1)落球方法：使已知直徑和重量小球，沿盛有試驗(yàn)液體玻璃圓管中心線垂直降落，用測(cè)量小球在試驗(yàn)液體中自由沉降速度方法去計(jì)算該液體粘度。 (2)管流方法：讓被測(cè)粘度流體，以一定流量流過(guò)已知管徑管道，再在管道一定長(zhǎng)度上用測(cè)壓計(jì)測(cè)出這段管道上壓力降，從而計(jì)算出流體粘度。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第39頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 (3)旋轉(zhuǎn)方法：在兩不一樣直徑同心圓筒環(huán)縫中充以試驗(yàn)流體，其中一圓筒固定，另一圓筒以已知角速度旋轉(zhuǎn)，因?yàn)槟軌驕y(cè)定所需力矩，則可由計(jì)算求得該流體粘度。 (4)泄流法：將已知溫度和體積待測(cè)液體，經(jīng)過(guò)儀器下部已知管徑短管自由泄流而出，測(cè)定要求體

27、積液體全部流出時(shí)間。 因?yàn)樾沽鲿r(shí)間與粘度關(guān)系不能準(zhǔn)確地按方程計(jì)算，所以這類(lèi)粘度計(jì)都是把待測(cè)液體泄流時(shí)間與一樣體積已知粘度液體泄流時(shí)間相比較，從而推求出待測(cè)液體粘度。 工業(yè)上測(cè)定各種液體粘度常見(jiàn)粘度計(jì)測(cè)量原理就是泄流法。下面就工業(yè)粘度計(jì)結(jié)構(gòu)及其測(cè)量方法簡(jiǎn)述一下。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第40頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 當(dāng)前我國(guó)和俄羅斯、德國(guó)等歐洲國(guó)家是采取恩格勒(Engler)粘度計(jì)，英國(guó)采取Redwood粘度計(jì)，美國(guó)采取Saybolt粘度計(jì)。它們只是結(jié)構(gòu)上差異，原理都是一樣。 恩格勒粘度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1-6所表示。測(cè)量時(shí)，先用木制針閥堵住錐形短管3，再將體積為220cm3被測(cè)液體注入貯液罐1內(nèi)

28、，將水箱2中水加熱，方便使貯液罐1內(nèi)被測(cè)液體保持一定溫度(普通，水和酒精等液體要求保持在20，潤(rùn)滑油50，燃料油80)，而后快速拔起針閥，使被測(cè)液體從錐形短管3內(nèi)流入長(zhǎng)頸瓶4中，流出至200cm3時(shí)為止，記下所需要時(shí)間，然后用一樣方法測(cè)定200cm3蒸餾水在20下經(jīng)錐形短管流出所需要時(shí)間0(此時(shí)間約為51秒)。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第41頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 于是，被測(cè)液體在要求溫度下 恩格勒粘度(簡(jiǎn)稱(chēng)恩氏粘度)為 (1-22) 求得恩氏粘度后，可由下面半經(jīng) 驗(yàn)公式求出被測(cè)液體運(yùn)動(dòng)粘度 m2/s (1-23) 圖1-6 恩格勒粘度計(jì)流體力學(xué)與流體機(jī)械一第42頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓

29、內(nèi)摩擦定律 四、粘性流體和理想流體 1、粘性流體：自然界中各種流體都是含有粘性，統(tǒng)稱(chēng)為粘性流體或稱(chēng)實(shí)際流體。因?yàn)檎承源嬖?，?shí)際流體運(yùn)動(dòng)普通都很復(fù)雜，這給研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律帶來(lái)很多困難。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，便于進(jìn)行分析和研究，在流體力學(xué)中常引入理想流體概念。 2、理想流體：理想流體是一個(gè)假想、完全沒(méi)有粘性流體。實(shí)際上這種流體是不存在。依據(jù)理想流體定義可知，當(dāng)理想流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論流層間有沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部都不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，流層間也沒(méi)有熱量傳輸。這就給研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律等帶來(lái)很大方便。所以，在研究實(shí)際流體運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)與流體機(jī)械一第43頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 規(guī)律時(shí)，常先將其作為理想流體來(lái)處理

30、，找出流體流動(dòng)基礎(chǔ)規(guī)律后，再對(duì)粘性影響進(jìn)行試驗(yàn)觀察和分析，用以對(duì)由理想流體所得到流動(dòng)規(guī)律加以修正和補(bǔ)充。從而得到實(shí)際流體流動(dòng)規(guī)律。另外，在很多實(shí)際問(wèn)題中流體粘性作用并不占主導(dǎo)地位，甚至在一些場(chǎng)所實(shí)際流體粘性作用表現(xiàn)不出來(lái)(如du/dy=0)，這時(shí)可將實(shí)際流體看成理想流體來(lái)處理。 應(yīng)該指出，這里所說(shuō)理想流體和熱力學(xué)中理想氣體概念完全是兩回事。理想氣體是指服從于理想氣體狀態(tài)方程氣體，而理想流體是指沒(méi)有粘性流體。為了區(qū)分起見(jiàn)，在流體力學(xué)中，常將服從于理想氣體狀態(tài)方程氣體定義為完全氣體。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第44頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 五、牛頓流體和非牛頓流體 1、牛頓流體：運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)摩擦

31、切應(yīng)力與速度梯度間關(guān)系符合于牛頓內(nèi)摩擦定律流體，稱(chēng)為牛頓流體，即 全部氣體以及如水、甘油等這么一些液體都是牛頓流體。 2、非牛頓流體：試驗(yàn)表明，象膠液、泥漿、紙漿、油漆、低溫下原油等，它們內(nèi)摩擦切應(yīng)力與速度梯度間關(guān)系不符合于牛頓內(nèi)摩擦定律，這么流體稱(chēng)為非牛頓流體。非牛頓流體可分為幾個(gè)不一樣類(lèi)型。如塑性流體，假塑性流體，脹塑性流體，屈服假塑性流體和時(shí)間相關(guān)性粘性流體等。流體力學(xué)與流體機(jī)械一第45頁(yè)第五節(jié) 流體粘性及牛頓內(nèi)摩擦定律 圖1-7 非牛頓流體流變特征 1-牛頓流體；2-塑性流體;3-假塑性流體；4-脹塑性流體流體力學(xué)與流體機(jī)械一第46頁(yè)第六節(jié) 液體表面性質(zhì)內(nèi) 容 提 要一、 表面張力二、

32、 毛細(xì)現(xiàn)象流體力學(xué)與流體機(jī)械一第47頁(yè)第六節(jié) 液體表面性質(zhì) 一、表面張力 在日常生活中經(jīng)?？吹角宄柯吨榛蛴晏焖螔煸跇?shù)葉或草葉上，水銀在平滑表面上成球形滾動(dòng)等，這些現(xiàn)象表明液體自由表面有顯著欲成球形收縮趨勢(shì)，引發(fā)這種收縮趨勢(shì)力稱(chēng)為液體表面張力。 表面張力是由分子內(nèi)聚力引發(fā)，其作用結(jié)果使液體表面看起來(lái)象是一張均勻受力彈性膜。不難想象，處于自由表面附近液體分子所受到周?chē)后w和氣體分子作用力是不相平衡，氣體分子對(duì)它作用力遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)距離另一側(cè)液體分子作用力。所以，這個(gè)別分子所受到協(xié)力是將它們拉向液體內(nèi)部。受這種作用力最大是處于液體自由表面上分子，流體力學(xué)與流體機(jī)械一第48頁(yè)第六節(jié) 液體表面性質(zhì) 伴隨同自由表面距離增加，所受到作用力將逐步減小。直到一定距離以后，液體周?chē)┘?/p>