流體概念及性質(zhì)

關(guān)于流體概念及性質(zhì)第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二二、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(zhì)的一種基本形態(tài)，遵循自然界一切物質(zhì)運動的普遍規(guī)律。1.1流體的定義和特征第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二1.2流體的連續(xù)介質(zhì)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：第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二定義：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(zhì)。流體微團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(zhì)假設

流體微團（或流體質(zhì)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(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計學性質(zhì)。1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二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(zhì)假設的優(yōu)點1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二一、流體的密度單位體積流體所具有的質(zhì)量。密度表征物體慣性的物理量。單位：kg/m3

常見流體的密度：水——1000kg/m3

空氣——1.23kg/m3

水銀——136000kg/m3均勻流體：1.3流體的主要物理性質(zhì)

非均勻流體：1.3.1流體的密度與重度第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二

均質(zhì)流體重度：

非均質(zhì)流體重度：重度與密度間的關(guān)系：1.3.1流體的密度與重度二、重度第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二三、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）w——4oC時水的密度（kg/m3）1.3.1流體的密度與重度第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二四、流體的比容單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位：m3/kg1.3.1流體的密度與重度第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二五、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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二1.3.2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(zhì)。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

第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二二、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。1.體脹系數(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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二

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(guān)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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二理想氣體狀態(tài)方程R——氣體常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kg·K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)，v<68m/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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二三、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(zhì)。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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二1.3.3流體的粘性一、流體的粘性1.粘性的定義流體運動時，其內(nèi)部各流體微團之間發(fā)生相對運動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）以阻抗流體變形的性質(zhì)。(1)庫侖實驗(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內(nèi)摩擦。

第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二(2)流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應流體內(nèi)部各流體微團之間會產(chǎn)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(nèi)摩擦力也就等于零。第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二2.牛頓內(nèi)摩擦定律

(1)牛頓平板實驗當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流體的粘性第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二(2)牛頓內(nèi)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)μ，得：1.3.3流體的粘性第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二速度梯度的物理意義——角變形速度（剪切變形速度）vdt(v+dv)dtdvdtdzdθ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(guān)第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二⑴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(nèi)摩擦定律表明：CDBAdbadydudt1.3.3流體的粘性第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二

流體粘性大小的度量,由流體流動的內(nèi)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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二(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(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度↑→分子間距↑→分子吸引力↓→內(nèi)摩擦力↓→粘度↓氣體：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度↑→分子熱運動↑→動量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑

1.3.3流體的粘性第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二水的動力黏度與溫度的關(guān)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(guān)系（蘇士蘭關(guān)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)第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二(4)粘度的測量管流法落球法旋轉(zhuǎn)法工業(yè)粘度計

1.3.3流體的粘性第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二二、粘性流體和理想流體1.粘性流體

具有粘性的流體（μ≠0）。2.理想流體

忽略粘性的流體（μ=0）。一種理想的流體模型。1.3.3流體的粘性第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二τdv/dz牛頓流體o牛頓流體——服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）三、牛頓流體與非牛頓流體第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二

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----流變學第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二例：汽缸內(nèi)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μ

=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。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得第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二1.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象1.表面張力σ：由分子的內(nèi)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)象等第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二2.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(nèi)部所夾部分的角度稱為接觸角,當為銳角時,液體潤濕固體,當為鈍角時,液體不潤濕固體水與玻璃的=80—90水銀的=13801.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二1.3.4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(nèi)聚力液固間附著力小于液體的內(nèi)聚力內(nèi)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頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二毛細現(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