流體主要物性

1、工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1 1 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 在研究流體靜止和運(yùn)動(dòng)之前，首先要了 解流體的內(nèi)在屬性，即流體的物理性質(zhì)。包 括密度、壓縮性、膨脹性、粘性等。其中， 粘性是流體物理性質(zhì)中最重要的特性。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2 2 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 流體的概念流體的概念 凡是沒有固定的形狀易于流動(dòng)的物質(zhì)就叫 流體。即液體和氣體。 流體與固體的差別表現(xiàn)為流體與固體的差別表現(xiàn)為： 固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗 拉伸變形。 流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力與 抵抗拉伸變形。在極小切應(yīng)力下就會(huì)出現(xiàn)連 續(xù)的

2、變形流動(dòng)。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 3 3 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 液體和氣體的區(qū)別： 氣體易于壓縮,而液體難于壓縮； 液體有一定的體積，存在一個(gè)自由液面；氣體能 充滿任意形狀的容器，無一定的體積，不存在自 由液面。 液體和氣體的共同點(diǎn)： 兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切 應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)，故二者 統(tǒng)稱為流體。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 4 4 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 常見的密度（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）： 4時(shí)的水 20時(shí)的空氣 第二節(jié)第二節(jié) 流體的基本物理性質(zhì)流體的基本物理性質(zhì) 1.密度 3 /1000mkg V m V 0

3、lim V m 水 流 水 流 d g V G 3 /2 . 1mkg 3.相對(duì)密度 2.重度 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 5 5 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 4.熱膨脹性和可壓縮性 p V V p 1 1)1)壓縮性：壓縮性：在一定溫度下，流體體積隨壓強(qiáng)升高而減少的 性質(zhì)。它的物理意義是單位壓強(qiáng)變化所引起的體積的相對(duì)變 化率。（Pa-1） 體積模量：體積模量：體積壓縮率的倒數(shù)。體積壓縮率的倒數(shù)。 )( 1 0 Pa V PV E p E越大越大,流體越不易被壓縮流體越不易被壓縮 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 6 6 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 2)2)熱

4、膨脹性熱膨脹性：流體體積隨溫度升高而增大的流體體積隨溫度升高而增大的 性質(zhì)。它的物理意義是單位溫度變化所引性質(zhì)。它的物理意義是單位溫度變化所引 起的體積的相對(duì)變化率。液體的熱膨脹性起的體積的相對(duì)變化率。液體的熱膨脹性 很小，一般可以忽略不計(jì)。氣體的熱膨脹很小，一般可以忽略不計(jì)。氣體的熱膨脹 系數(shù)為系數(shù)為1/273，不可忽略，不可忽略. )( 1 1 C T V V o t 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 7 7 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 注意： (a)嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮的流體。 (b)一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體 （發(fā)生水擊時(shí)除外）。 (c)對(duì)于氣體，當(dāng)所受

5、壓強(qiáng)變化相對(duì)較小時(shí)， 可視為不可壓縮流體。 (d)管路中壓降較大時(shí)，應(yīng)作為可壓縮流體。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 8 8 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 5.流體的粘滯性 1)粘性粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨時(shí)，隨 之產(chǎn)生阻抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的之產(chǎn)生阻抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力. 微觀機(jī)制：微觀機(jī)制：分子間吸引力、分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換分子間吸引力、分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換. 2)2)牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓內(nèi)摩擦定律： 切應(yīng)力：切應(yīng)力： dy du AT dy du AT dy du A F 數(shù)學(xué)含義：垂直于流動(dòng)方向的流速梯度

6、。數(shù)學(xué)含義：垂直于流動(dòng)方向的流速梯度。 物理含義：運(yùn)動(dòng)流體的剪切變形速率。物理含義：運(yùn)動(dòng)流體的剪切變形速率。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 9 9 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 角變形速度（剪切變形速度） 速度梯度的物理意義 dy du dy dudt tgdd dt d dy du vdt (u+du)dt dudt dy d 流體流體與與固體固體在摩擦規(guī)律上完全不同 正比于du/dy正比于正壓力，與速度無關(guān) dy 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1010 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 動(dòng)力粘度、動(dòng)力粘度、 =/ =/運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) 注意：液體和氣體的

7、粘度隨溫度變化規(guī)律不同。注意：液體和氣體的粘度隨溫度變化規(guī)律不同。 )(,等流體種類，溫度，壓強(qiáng)f 氣體 液體 氣體 粘度 o 3).3).粘度粘度( (動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度) ) 溫度 掌握兩種粘度的單 位計(jì)量方式(P6) 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1111 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 4)粘度的測(cè)量方法粘度的測(cè)量方法 法1: 用粘度計(jì)直接測(cè)量得出：(絕對(duì)粘度 ) 毛細(xì)管粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 法2: 用恩氏粘度計(jì)測(cè)出相對(duì)粘度(恩氏粘度 ), 然后用經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)粘度. 恩氏粘度計(jì)測(cè)定 , E 0 )/( 0631. 0 0731. 0 2 2 1 sc

8、m E E t t E o o o 200ml被測(cè)液體從恩氏粘度計(jì)流出的時(shí)間 200ml，20度的純水從恩氏粘度計(jì)流出的時(shí)間50s 無單位,當(dāng)其2時(shí),用上式將恩氏粘度 直接轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)粘度E 0 E 0 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1212 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 例：汽缸內(nèi)壁的直徑例：汽缸內(nèi)壁的直徑D D=12=12cmcm，活塞的直徑，活塞的直徑d d=11.96=11.96cmcm，活塞長(zhǎng)度，活塞長(zhǎng)度 L L=14=14cmcm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1 1m/sm/s，潤(rùn)滑油的，潤(rùn)滑油的 = =0.1Pas0.1Pas。 求作用在活塞上的粘性力

9、。求作用在活塞上的粘性力。 解： dn dv AT 2 053014011960m.dLA dn dv NT5 .261051 . 0053. 0 3 注意：面積、速度梯度的取法 dD L 13 105 2/ )1196. 012. 0( 01 2/ )( 0 s dD v 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1313 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/minn=10r/min。內(nèi)外筒。內(nèi)外筒 間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r r1 1=1.93cm=1.93cm，外筒，外筒 r r2 2=

10、2cm=2cm，內(nèi)筒高，內(nèi)筒高h(yuǎn)=7cmh=7cm， 轉(zhuǎn)軸上扭距轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045NmM=0.0045Nm。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。 解： dy du 60 2 n M 注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一 h n r1 r2 1 Ar sPa952. 0得 解： dy du 60 2 n M 注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一 12 1 0 rr r 1 Ar0045. 0 2 11 rhr sPa952. 0得 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1414 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 1)表面張力 當(dāng)液體與其它流體或固體接觸時(shí)，在分界面上都產(chǎn)生 表

11、面張力，出現(xiàn)一些特殊現(xiàn)象，例如空氣中的雨滴呈球狀， 液體的自由表面好像一個(gè)被拉緊了的彈性薄膜等。 表面張力的形成主要取決于分界面液體分子間的吸引 力，也稱為內(nèi)聚力。在液體中，一個(gè)分子只有距離它約 10-7cm的半徑范圍內(nèi)才能受到周圍分子吸引力的作用。在 這個(gè)范圍內(nèi)的液體分子對(duì)該分子的吸引力各方向相等，處 于平衡狀態(tài)。但在靠近靜止液體的自由表面、深度小于約 10-7cm薄的表面層內(nèi)，每個(gè)液體分子與周圍分子之間的吸 引力不能達(dá)到平衡，而合成一個(gè)垂直于自由表面的合力。 6.表面張力和毛細(xì)管現(xiàn)象表面張力和毛細(xì)管現(xiàn)象 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1515 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì)

12、定義：使液體表面處于拉伸狀態(tài)的力為表 面張力. 表面張力系數(shù) ：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的表面張力. 表面張力的產(chǎn)生部位：液、氣接觸自由表 面,液固接觸的周界、不同液體接觸的周界 表面張力產(chǎn)生的原因：由于內(nèi)聚力的不同 而導(dǎo)致（分子受力不平衡）。 Lf 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1616 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 2)毛細(xì)管現(xiàn)象 在毛細(xì)管中,表面張力可以引起液面上升或 下降,此現(xiàn)象稱之為毛細(xì)管現(xiàn)象. 凹上升 h 凸下降 h 液固間 附著力 大于液 體的內(nèi) 聚力 H2O 液固間 附著力 小于液 體的內(nèi) 聚力 (Hg) 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1717 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流

13、體主要物理性質(zhì) 4/cos 2 hDgD 表面張力在垂直方向的分力與所升高 液柱的重量相等時(shí),液柱平衡不再升高. 即有: 液柱高度h: gD h cos4 例題1-5:P9 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1818 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 圖1-6 液體在毛細(xì)管內(nèi)上升 (a) 濕潤(rùn)管壁的液體的液面上升 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 1919 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 圖1-6 液體在毛細(xì)管內(nèi)下降 (b) 不濕潤(rùn)管壁的液體的液面下降 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2020 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 第三節(jié)第三節(jié) 作用在流體上的力作用在流

14、體上的力 流體無論處于運(yùn)動(dòng)或平衡狀態(tài)，都受到各 種力的作用。 按力的物理性質(zhì)不同來劃分，可分為重力、 慣性力、彈性力和粘滯力。 按力的作用方式不同，可分為：質(zhì)量力和 表面力兩種。 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2121 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 一、質(zhì)量力 作用在流體每一質(zhì)點(diǎn)上，其大小與流體質(zhì)量成正 比：G= mg 直線慣性力： 離心慣性力： 這三種力都與液體質(zhì)量m成正比，且都作用在質(zhì)點(diǎn) 中心上，因而稱為質(zhì)量力 rmR 2 maI 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2222 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 二、表面力（近程力）（接觸力） 表面力指作用于流體的表面上

15、，并與受作用的流 體表面積成正比。 表面力包括外力和內(nèi)力。 垂直于作用面的力，稱為法向力（壓力）P； 平行于流體作用面的，稱為切向力（內(nèi)摩擦力）T 連續(xù)流體中，表面力是在流體表面連續(xù)分布的力。 因此使用單位面積上的表面力來表述，稱為應(yīng)力。 AT pAP 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2323 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 第四節(jié)第四節(jié) 流體的各種模型流體的各種模型 本節(jié)主要介紹幾個(gè)概念： 1.連續(xù)介質(zhì):(宏觀/數(shù)學(xué)分析) 2.理想流體：不考慮粘度、可壓縮性、膨脹 性等物理性質(zhì)的流體. 3.不可壓縮流體: 4.牛頓流體與非牛頓流體: 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2424 第一章、流

16、體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) du dyo 0 膨 脹 性 流 體 賓 漢 型 塑 性 流 體 牛 頓 流 體 假 塑 性 流 體 牛頓流體與非牛頓流體牛頓流體與非牛頓流體 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） 假塑性流體的增長(zhǎng)率隨 dv/dz的增大而降低（高分子 溶液、紙漿、血液等） 塑性流體克服初始應(yīng)力 0后，才與速度梯度成正 比（牙膏、新拌水泥砂漿、中 等濃度的懸浮液等） 膨脹型流體的增長(zhǎng)率隨 dv/dz的增大而增加（淀粉糊、 挾沙水流） dy du AT 工程流體力學(xué)工程流體力學(xué) 2525 第一章、流體主要物理性質(zhì)第一章、流體主要物理性質(zhì) 本章小結(jié)本章小結(jié) 流體的分類：流體的分類： 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，牛頓內(nèi)摩擦定律連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，