Chap1 流體的主要物理性質(zhì)

▲

流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念；

▲

流體的密度、重度、比體積和比重；

▲

流體的壓縮性和膨脹性；

▲

流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介；講解內(nèi)容:

▲

毛細(xì)管現(xiàn)象與液體的表面張力；

▲

作用在流體上的力；第一章流體的主要物理性質(zhì)物質(zhì)的三個(gè)基本屬性:

1.有大量分子組成；2.分子間存在分子力的作用；3.分子不斷作隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)。

一、流體的物理屬性

§1-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念▲

同體積的分子數(shù):氣體<液體<固體；▲

相同分子距的分子力:氣體<液體<固體；▲

分子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度:氣體>液體>固體。氣體、液體、固體三個(gè)基本屬性(微觀上)的差別:

§1-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念▲

固體有一定體積和一定的形狀；▲

液體有一定體積而無(wú)一定的形狀；▲氣體既無(wú)一定體積又無(wú)一定的形狀。

氣體、液體、固體宏觀上的差異:

§1-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念▲流體只能承受壓力；一般不能承受拉力，特殊情況下其自由表面可承受一定的拉力（表面張力）；在平衡狀態(tài)下不能承受剪切力(任何微小的剪切力作用即發(fā)生流動(dòng)，破壞平衡)?！?/p>

固體有承受拉、壓、剪作用的能力(抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度)；流體(氣體、液體)和固體在力學(xué)性能上的差異:

§1-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念二、流體質(zhì)點(diǎn)的概念

流體質(zhì)點(diǎn)的定義:

流體中宏觀尺寸非常小，而微觀尺寸又足夠大的任意一個(gè)物理實(shí)體。

二、流體質(zhì)點(diǎn)的概念

§1-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念▲流體質(zhì)點(diǎn)的微觀尺寸足夠大。含有足夠多的流體分子，個(gè)別分子的行為不會(huì)影響質(zhì)點(diǎn)總體的統(tǒng)計(jì)平均特性；▲

流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀尺寸非常小。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)就是流體質(zhì)點(diǎn)所占的宏觀體積極限為零，但并不等于零；流體質(zhì)點(diǎn)有四層含義:

▲

流體質(zhì)點(diǎn)是一物理實(shí)體，具有一定的宏觀物理量(質(zhì)量、密度、溫度、壓力、流速、動(dòng)量、動(dòng)能、內(nèi)能等等)；▲流體質(zhì)點(diǎn)的形狀可以任意劃定，即質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)之間可以完全沒有空隙?！?-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念流體微團(tuán)(流體微元或微元體):

流體中任意小的微元部分叫作流體微團(tuán)，由無(wú)數(shù)個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)組成，當(dāng)流體微團(tuán)的體積無(wú)限縮小并以某一坐標(biāo)點(diǎn)為極限時(shí)，流體微團(tuán)就成為處在該坐標(biāo)點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)。

§1-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念為何作此假設(shè)：可以擺脫復(fù)雜的單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)；將流體看作是由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)的物體，這樣既可以將描述流體的各種宏觀物理量看成是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，也即可以引用連續(xù)函數(shù)的分析方法描述流體的平衡和運(yùn)動(dòng)。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：假設(shè)組成流體的最小物理實(shí)體是流體質(zhì)點(diǎn)而不是流體分子，即假定流體是有無(wú)窮多的、無(wú)窮小的、緊密毗連、連綿不斷的流體質(zhì)點(diǎn)組成的一種決無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。該假設(shè)是歐拉(Euler)在1753年首先采用的。三、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)

假設(shè)的適用條件：適用于所有液體及大多數(shù)氣體，稀薄氣體不適用?！?-1流體的特征及連續(xù)介質(zhì)概念非均質(zhì)流體:單位:國(guó)際單位:

物理單位:

均質(zhì)流體:一、密度§1-2流體的密度、重度、比體積和比重

非均質(zhì)流體:均質(zhì)流體:單位:國(guó)際單位:二、重度§1-2流體的密度、重度、比體積和比重

四、比重(相對(duì)密度)

三、兩個(gè)物理量的換算關(guān)系

液體的比重:液體的重量與同體積的溫度4℃蒸餾水重量之比。氣體的比重:

相同壓強(qiáng)、相同溫度條件下，氣體重度與空氣重度之比?！?-2流體的密度、重度、比體積和比重

§1-2流體的密度、重度、比體積和比重

同一個(gè)物理量在不同單位制中有不同的數(shù)值和單位；

并非定值，與溫度、壓力有關(guān)；

同一單位制中，密度和重度不但單位不同，數(shù)值也不同，是完全不同的兩個(gè)概念。五、幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

體積壓縮系數(shù)單位：一、壓縮性V-原體積，dV-體積變化量，dP-壓力的增量，定義:

溫度不變時(shí)，在壓力作用下，體積縮小的性質(zhì)，不同的流體壓縮性不同。描述:

用體積壓縮系數(shù)描述流體的壓縮性，定義為增加單位壓力，體積的相對(duì)變化量?！?-3流體的壓縮性和膨脹性

可壓縮流體（密度隨溫度和壓力變化）。不可壓縮流體（密度為常數(shù)）；根據(jù)壓縮性的大小，可將流體分為:

液體一般忽略其壓縮性。氣體一般為可壓縮流體[]?！?-3流體的壓縮性和膨脹性

定義：壓力不變，溫度升高，體積增大的特性.。

液體的膨脹性較小，一般不考慮。dT-溫度的增量，℃，KV-原體積，dV-體積變化量，描述：用體積膨脹系數(shù)描述流體的膨脹性，定義為增加單位溫度，體積的相對(duì)變化量:二、膨脹性

§1-3流體的壓縮性和膨脹性

一、粘性的概念

粘性定義：粘性是指當(dāng)流體微團(tuán)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)。

阻力包括：分子間的吸引力，和流體分子與壁面附著力。表現(xiàn)形式：以摩擦形式表現(xiàn)出來(lái)。

表面上看：流體有稀有稠，有很粘的，有不很粘的，差別很大。這是流體一種很重要的性質(zhì)，即粘性。這種粘性的力學(xué)實(shí)質(zhì)是什么?稀的易流動(dòng)，稠的不易流動(dòng)，粘性反映了流體流動(dòng)性能的好壞?！?-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)條件(如圖1-1):

一個(gè)假想的實(shí)驗(yàn):

兩板距離為，上板面積為A。

兩個(gè)平行板，其間充滿液體，下板以速度勻速運(yùn)動(dòng)，上板以速度勻速運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:不同的、不同、不同液體情況下，測(cè)量力T，研究T與及液體性質(zhì)的關(guān)系。。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

(為與液體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù))

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

即:§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

3.，定義為液體粘度或粘性系數(shù)，保證永為正。1.:剪切應(yīng)力-流體力學(xué)中流體內(nèi)部的應(yīng)力；2.假定平板間的流速為直線分布，:速度梯度--流體力學(xué)中描述流體變形；

這就是牛頓內(nèi)摩擦定律。它說(shuō)明:流體中的切應(yīng)力與流體粘度及速度梯度成正比。畫出曲線(圖1-2):分析該式:

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

三、粘性系數(shù)或粘度

稱為流體的動(dòng)力粘度或動(dòng)力粘性系數(shù)。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

粘性為流體的一種特性(固有的性質(zhì))，粘性系數(shù)或粘度表示流體粘性的大小。定義為:

時(shí)，等于切應(yīng)力的大小。

單位:國(guó)際單位制:，

物理單位制:

泊

1泊=100厘泊物理意義:§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

運(yùn)動(dòng)粘度

:定義為

國(guó)際單位:，物理單位:

“斯（St)”

1“斯（St)”=100“厘斯（cSt)”

為何叫”運(yùn)動(dòng)粘度”:因?yàn)橛蓄愃七\(yùn)動(dòng)學(xué)的單位。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介溫度對(duì)粘度的影響顯著:

液體:溫度，粘度(T分子距分子吸引力粘度)氣體:溫度，粘度(T分子動(dòng)量交換率粘度)

原因在于液體和氣體產(chǎn)生粘度的機(jī)理不同。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

四、速度梯度在運(yùn)動(dòng)學(xué)上的物理意義

參見圖1-3。在運(yùn)動(dòng)流體中取ABCD矩形微團(tuán)，設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)(運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化)。AB層流體速度為u；DC層流體速度為u+du；dt時(shí)間間隔后:§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

結(jié)論:

速度梯度即為剪切變形角速度；

運(yùn)動(dòng)流體中切應(yīng)力與剪切變形角速度成正比。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

五、按應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)流體的分類:

牛頓流體:符合牛頓摩擦定律的流體(如水)，μ為定值；

非牛頓流體:不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體(絕大多數(shù)液體)。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

六、

理想流體

定義:

沒有粘性的流體為理想流體。實(shí)際上并不存在，是一種流體模型。(類似于固體力學(xué)上的剛體模型)。

引入目的:為研究方便。如，先假設(shè)為理想流體進(jìn)行理論研究，后考慮粘性作對(duì)理論分析結(jié)果作修正。

§1-4流體的粘性及非牛頓流體簡(jiǎn)介

例§1-5毛細(xì)管現(xiàn)象與液體的表面張力

一、毛細(xì)管現(xiàn)象

參見圖1-5。

細(xì)玻璃管插入水中，液面上升，水面上彎。

細(xì)玻璃管插入水銀中，液面下降，水銀面下彎。

為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象?

二、毛細(xì)管現(xiàn)象的解釋

細(xì)玻璃管插入水中:液體內(nèi)力<附著力水潤(rùn)濕玻璃表面張力使水面上彎并上升。

表面張力:自由表面(液-氣)上的液體分子受力不平衡.()導(dǎo)致液體分子有向內(nèi)部收縮的傾向。自由表面上出現(xiàn)拉緊作用的力，單位長(zhǎng)度上的這種力稱為表面張力。

附著力:

液體與固體接觸面上產(chǎn)生的相互吸附的力。

毛細(xì)管現(xiàn)象的解釋:

2)細(xì)玻璃管插入水銀中:液體內(nèi)力>附著力水銀不能潤(rùn)濕玻璃表面張力使水銀面下彎并下降。

§1-5毛細(xì)管現(xiàn)象與液體的表面張力

§1-6作用在流體上的力

兩種力:

質(zhì)量力(體積力)和表面力，參見圖1-7。

一、質(zhì)量力(體積力)

與流體的質(zhì)量(體積)成正比且作用點(diǎn)在質(zhì)量中心的力。

慣性力:

離心慣性力:

如：重力：§1-6作用在流體上的力

數(shù)學(xué)表示:

總質(zhì)量力:F；單位質(zhì)量力:（重力場(chǎng)中為g，慣性力場(chǎng)中為a）

總質(zhì)量力的坐標(biāo)分力為:

單位質(zhì)量力坐標(biāo)分為:二、表面力

作用于流體表面(外表面，內(nèi)表面)并與作用的表面積成正比的力。表面力分為:

壓力(垂直于作用面):(壓應(yīng)力)

切力(平行于作用面):(切應(yīng)力)

(切力)§1-6作用在流體上的力

（壓力）1.從微觀及宏觀搞清流體與固體的區(qū)別；小結(jié):

2.流體質(zhì)點(diǎn)、流體微團(tuán)的定義；3.