流體概念及性質(zhì)課件

1.1流體的定義和特征自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)一、流體的定義流體的定義：在靜力平衡時(shí)，不能承受拉力或剪力的物體就是流體。液體與氣體的區(qū)別液體的流動(dòng)性小于氣體；液體具有一定的體積，并取容器的形狀；氣體充滿任何容器，而無(wú)一定體積。流體概念及性質(zhì)二、流體的特征易流動(dòng)性；力學(xué)上只能承受壓力，一般不能承受拉力，靜止時(shí)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(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律。1.1流體的定義和特征流體概念及性質(zhì)1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)微觀：流體是由大量做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)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(wèn)題的引出：流體概念及性質(zhì)定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無(wú)數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。流體微團(tuán)必須具備的兩個(gè)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(shè)

流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）

宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上沒(méi)有維度的點(diǎn)；同時(shí)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(jì)學(xué)性質(zhì)。1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體概念及性質(zhì)避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。2.可以利用數(shù)學(xué)工具來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（連續(xù)函數(shù)）二、采用流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)1.2流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體概念及性質(zhì)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(jiàn)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流體的密度與重度流體概念及性質(zhì)

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、重度流體概念及性質(zhì)三、流體的相對(duì)密度流體的密度與4oC時(shí)水的密度的比值。

式中，

f

——流體的密度（kg/m3）

w——4oC時(shí)水的密度（kg/m3）1.3.1流體的密度與重度流體概念及性質(zhì)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流體的密度與重度流體概念及性質(zhì)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?jǐn)?shù)計(jì)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?jǐn)?shù)1.3.1流體的密度與重度流體概念及性質(zhì)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(duì)變化量2.體積模量

流體概念及性質(zhì)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(duì)變化量1.3.2流體的壓縮性和膨脹性流體概念及性質(zhì)工程上不可壓縮流體液體氣體溫度與壓強(qiáng)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流體概念及性質(zhì)

對(duì)液體而言，其壓縮性，一般情況下不考慮，因此工程實(shí)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(chǎng)合，一般工程問(wèn)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(duì)實(shí)際氣體，不大于10MPa時(shí)，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流體概念及性質(zhì)理想氣體狀態(tài)方程R——?dú)怏w常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kg·K等溫過(guò)程：壓縮系數(shù)等壓過(guò)程：膨脹系數(shù)絕熱過(guò)程：壓縮系數(shù)低速（標(biāo)準(zhǔn)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流體概念及性質(zhì)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流體概念及性質(zhì)1.3.3流體的粘性一、流體的粘性1.粘性的定義流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）以阻抗流體變形的性質(zhì)。(1)庫(kù)侖實(shí)驗(yàn)(1784)庫(kù)侖用液體內(nèi)懸吊圓盤(pán)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦。

流體概念及性質(zhì)(2)流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng)流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會(huì)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(dāng)流體處于靜止或各部分之間相對(duì)速度為零時(shí)，流體的粘性就表象不出來(lái)，其內(nèi)摩擦力也就等于零。流體概念及性質(zhì)2.牛頓內(nèi)摩擦定律

(1)牛頓平板實(shí)驗(yàn)當(dāng)h和u不是很大時(shí)，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，1.3.3流體的粘性流體概念及性質(zhì)(2)牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)μ，得：1.3.3流體的粘性流體概念及性質(zhì)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(wú)關(guān)流體概念及性質(zhì)⑴粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；(2)粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；(3)比例系數(shù)稱動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明：CDBAd

badydudt1.3.3流體的粘性流體概念及性質(zhì)

流體粘性大小的度量,由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起。(1)動(dòng)力粘度(2)運(yùn)動(dòng)粘度3.粘度（3）相對(duì)粘度----恩氏粘度1.3.3流體的粘性流體概念及性質(zhì)(3)粘度的影響因素溫度對(duì)流體粘度的影響很大溫度壓力對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)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(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度↑→分子熱運(yùn)動(dòng)↑→動(dòng)量交換↑→內(nèi)摩擦力↑→粘度↑

1.3.3流體的粘性流體概念及性質(zhì)水的動(dòng)力黏度與溫度的關(guān)系：

式中：為零度時(shí)的動(dòng)力黏度。Pa.s氣體的動(dòng)力黏度與溫度的關(guān)系（蘇士蘭關(guān)系式）只使用于壓強(qiáng)不太大的場(chǎng)合）1.3.3流體的粘性式中：C為氣體常數(shù)流體概念及性質(zhì)(4)粘度的測(cè)量管流法落球法旋轉(zhuǎn)法工業(yè)粘度計(jì)

1.3.3流體的粘性流體概念及性質(zhì)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流體的粘性流體概念及性質(zhì)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流體概念及性質(zhì)

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(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)稱為----流變學(xué)流體概念及性質(zhì)例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長(zhǎng)度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1m/s，潤(rùn)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流體概念及性質(zhì)例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒r2=2cm，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045N·m。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法；2.單位統(tǒng)一hnr1r2得流體概念及性質(zhì)1.3.4表面張力和毛細(xì)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(xì)現(xiàn)象等流體概念及性質(zhì)2.表面張力和接觸角概念P

P0R液體氣體

表面張力:-----單位長(zhǎng)度所受拉力接觸角概念:當(dāng)液體與固體壁面接觸時(shí),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(dāng)為銳角時(shí),液體潤(rùn)濕固體,當(dāng)為鈍角時(shí),液體不潤(rùn)濕固體水與玻璃的=80—90水銀的=13801.3.4表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象流體概念及性質(zhì)1.3.4表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象3.毛細(xì)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流體概念及性質(zhì)毛細(xì)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(cè)壓管，毛細(xì)現(xiàn)象往往造成較大的誤差，一般情況下測(cè)壓管的管徑應(yīng)大于10mm。另外在研究液滴的破碎、氣泡的形成等問(wèn)題時(shí)，也必須要考慮表面張力的作用。流體概念及性質(zhì)流體力學(xué)的模型連續(xù)介質(zhì)流體微元——具有流體宏觀特性的最小體積的流體團(tuán)理想流體不考慮粘性的流體不可壓