流體的主要物理性質(zhì)課件

1、1-2 流體的主要物理性質(zhì)1. 流體的定義和基本特征。流體的定義和基本特征。2. 流體的連續(xù)介質(zhì)模型。流體質(zhì)點(diǎn)。流體的連續(xù)介質(zhì)模型。流體質(zhì)點(diǎn)。3. 作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。作用在流體上的力：表面力和質(zhì)量力。4. 流體的主要物理性質(zhì)：密度、重度、粘性、壓縮性、流體的主要物理性質(zhì)：密度、重度、粘性、壓縮性、毛細(xì)現(xiàn)象、汽化壓強(qiáng)。毛細(xì)現(xiàn)象、汽化壓強(qiáng)。5. 牛頓流體和非牛頓流體。牛頓流體和非牛頓流體。 第一節(jié) 流體的基本特征一、流體質(zhì)點(diǎn)二、密度、容重、比重和比容第三節(jié) 壓縮性第二節(jié) 密度、容重、比重和比容1-2 流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)第四節(jié) 粘 度一、物質(zhì)的三態(tài)在地球上，物質(zhì)存在

2、的主要形式有：固體、液體和氣體。 流體和固體的區(qū)別： 從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。 流體固體第一節(jié) 流體的基本特征固體：既能承受壓力，也能承受拉力，抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力，不抵抗拉伸變形。第一節(jié) 流體的基本特征 液體和氣體的區(qū)別： 1、氣體易于壓縮；而液體難于壓縮； 2、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。第一節(jié) 流體的基本特征四、 流體質(zhì)點(diǎn)和連續(xù)介質(zhì)模型（一）連續(xù)介質(zhì)模型的建立

3、與假設(shè)第二節(jié) 流體的連續(xù)介質(zhì)模型微觀微觀：流體是由大量做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子組成的，分子之間存在空隙，但在 標(biāo)準(zhǔn)條件下。1立方毫米流體含有31021個(gè)左右的分子，分子間距離是 10-7cm。流體質(zhì)點(diǎn)：又稱流體微團(tuán)，流體中宏觀尺寸非常小而微觀尺寸有足夠大的任意一個(gè)物理實(shí)體。1、定義宏觀宏觀：考慮宏觀特性，在流動(dòng)空間和時(shí)間上所采用的一切特征尺度和特征時(shí) 間都比分子距離和分子碰撞時(shí)間大的多。連續(xù)介質(zhì)（continuum continuous medium）：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流 體或固體。 氣體在外力作用下表現(xiàn)出很大的可壓縮性，而液體則不然。在通常的溫度下水所承受的壓強(qiáng)由0.1mpa增加到10mp

4、a時(shí)，其體積僅減少原來的0.5%。2、優(yōu)點(diǎn) 1）排除了分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性。 2）物理量作為時(shí)空連續(xù)函數(shù)，則可以利用連續(xù)函數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來研 究問題。連續(xù)介質(zhì)模型（continuum medium model）：把流體視為沒有間隙地充滿它所占據(jù)的整個(gè)空間的一種連續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)模型。u=u(t,x,y,z)選擇題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點(diǎn)是指： a、流體的分子； b、流體內(nèi)的固體顆粒； c、幾何的點(diǎn)； d、幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體。第二節(jié) 流體的連續(xù)介質(zhì)模型b.不可壓縮流體（incompressible flow）：流體

5、密度隨壓強(qiáng)變化很小， 流體的密度可視為常數(shù)的流體。 (=const)（二）流體的分類1、根據(jù)流體受壓體積縮小的性質(zhì)，流體可分為： 注： 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。a.可壓縮流體（compressible flow）：流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的 流體。(const)2、根據(jù)流體是否具有粘性，可分為：b.理想流體：是指既無粘性（=0）又完全不可壓縮(=const)的一種假想 流體，在運(yùn)動(dòng)時(shí)也不能抵抗剪切變形。a.實(shí)際流

6、體：指具有粘度的流體，在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有抵抗剪切變形的能力，即 存在摩擦力，粘性系數(shù)0。例如：河流中心流層流動(dòng)最快，越靠近河岸流動(dòng)越慢，岸邊水幾乎不流動(dòng)，例如：河流中心流層流動(dòng)最快，越靠近河岸流動(dòng)越慢，岸邊水幾乎不流動(dòng)，這種現(xiàn)象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的這種現(xiàn)象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的 密度（density）：是指單位體積流體的質(zhì)量。單位：kg/m3 。1、密度vmvmv0lim水的密度常用值： =1000 kg/m3 均質(zhì)流體內(nèi)部各點(diǎn)處的密度均相等：第二節(jié) 密度、容重、比重和比容第二節(jié)第二節(jié) 密度、容重、比重和比容密度、容重、比重和比容重度（specific weight）：指單位體

7、積流體的重量。單位： n/m3 。vgv0lim均質(zhì)流體內(nèi)部各點(diǎn)處的容重均相等： =g/v =g水的容重常用值： =9800 n/m32、重度第二節(jié) 密度、容重、比重和比容 比容(specific volume)：指單位氣體質(zhì)量所具有的體積。 =1/ （ m3/kg） 比重（specific gravity）：是指液體密度與標(biāo)準(zhǔn)純水的密度之比，沒有單位，是無量綱數(shù)。3、氣體的比容4、液體的比重ggs 氣體的比容或密度，與氣體的工況或過程是密切相關(guān)的，是由狀態(tài)方程確定，完全氣體狀態(tài)方程 p=p/=rt r為氣體常數(shù)，空氣的r=287nm/kgk 標(biāo)準(zhǔn)純水：a.物理學(xué)上4水為標(biāo)準(zhǔn)， =1000 k

8、g / m3； b.工程上20的蒸餾水為標(biāo)準(zhǔn)， =1000 kg / m3；第二節(jié) 密度、容重、比重和比容第三節(jié) 壓縮性1、壓縮性流體的可壓縮性（compressibility）：作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化，這一現(xiàn)象稱為流體的可壓縮性。壓縮性可用體積壓縮系數(shù)來量度。2、體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù)（coefficient of volume compressibility）：流體體積的相對(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比，即當(dāng)壓強(qiáng)增大一個(gè)單位值時(shí)，流體體積的相對(duì)減小值：第三節(jié) 壓縮性dpddpvdv/（m2 /n ）（質(zhì)量m不變，dm=d(v)= dv+vd=0， ）dpddpdv體

9、積彈性模量ev（bulk modulus of elasticity）是體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)。3、體積彈性模量ev 與ev隨溫度和壓強(qiáng)而變化，但變化甚微。流體的壓縮性在工程上往往用體積彈性模量來表示。/1ddpvdvdpe（n/m2 ）說明：a.ev越大，越不易被壓縮，當(dāng)ev時(shí)，表示該流體絕對(duì)不可壓縮 。 b.流體的種類不同，其和ev值不同。 c.同一種流體的和ev值隨溫度、壓強(qiáng)的變化而變化。 d.在一定溫度和中等壓強(qiáng)下，水的體積彈性模量變化不大。第三節(jié) 壓縮性例1 200c的25m3水，當(dāng)溫度升至800c時(shí)，其體積增加多少？ 解： 200c時(shí)：1 =99823kg/m3 800c時(shí)： 2=97

10、183kg/m3 d m= d（ v）= dv+vd =0 dvdv312)(0673. 05223.99823.99883.9711)(mvvv即 則%61. 2%1005 . 20673. 0vv第三節(jié) 壓縮性例2 使水的體積減小0.1%及1%時(shí)，應(yīng)增大壓強(qiáng)各為多少？（ev=2000mpa） dv/v=-0.1% p=-2000106（-0.1%）=2106pa=20mpadv/v=-1% p= -2000106（-1%）=20 mpavdvdpe/vdvedp第三節(jié) 壓縮性例3 輸水管l=200m，直徑d=400mm，作水壓試驗(yàn)。使管中壓強(qiáng)達(dá)到55at后 停止加壓，經(jīng)歷1小時(shí)，管中壓強(qiáng)降

11、到50at。如不計(jì)管道變形，問在上 述情況下，經(jīng)管道漏縫流出的水量平均每秒是多少？水的體積壓縮系 數(shù)=4.3810-10 m2 /n 。解 水經(jīng)管道漏縫泄出后，管中壓強(qiáng)下降，于是水體膨脹，其膨脹的水體積lmvdpdv95. 51095. 510806. 95550)2004 . 04(1038. 4334210）（ 水體膨脹量5.95 l 即為經(jīng)管道漏縫流出的水量，這是在1小時(shí)內(nèi)流出的。設(shè)經(jīng)管道漏縫平均每秒流出的水體積以q表示，則scmq/65. 136001095. 533第三節(jié) 壓縮性1、為什么水通常被視為不可壓縮流體？2、自來水水龍頭突然開啟或關(guān)閉時(shí)，水是 否為不可壓縮流體？為什么？en

12、d 因?yàn)樗膃v=2109 pa ，在壓強(qiáng)變化不大時(shí)，水的體積變化很小，可忽略不計(jì)，所以通?？砂阉暈椴豢蓧嚎s流體。 為可壓縮流體。因?yàn)榇藭r(shí)引起水龍頭附近處的壓強(qiáng)變化，且變幅較大。第四節(jié) 粘度 一、粘度與牛頓內(nèi)摩擦定律 二、牛頓流體、非牛頓流體 第四節(jié) 粘 度1、牛頓內(nèi)摩擦定律 粘性：流體在運(yùn)動(dòng)中，由于分子間的動(dòng)量交換和分子間的作用力流體在運(yùn)動(dòng)中，由于分子間的動(dòng)量交換和分子間的作用力會(huì)引起內(nèi)摩擦阻力，這種性質(zhì)稱為流體的粘性會(huì)引起內(nèi)摩擦阻力，這種性質(zhì)稱為流體的粘性。一、粘度與牛頓內(nèi)摩擦定律第四節(jié) 粘度yxu0dyfu+duuh牛頓流體粘性實(shí)驗(yàn)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定：f=au/hf流體中的切應(yīng)力： =u/h

13、流體相鄰層間存在著抵抗層間相互錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，這一特性稱為流體的粘性，層間的這一抵抗力即摩擦力或剪切力，單位面積上的剪切力稱為剪切應(yīng)力 取其中相鄰的二層流體來看，慢層對(duì)快層有向后的牽扯而使其有變慢的趨勢(shì)，而快層對(duì)慢層有向前的牽扯使其有變快的趨勢(shì)uu+du 牛頓提出，流體內(nèi)部的剪切力與流體的速度梯度速度梯度 成正比dydu=du/dy速度梯度：流速在與速度垂直方向上的變化率。速度梯度：流速在與速度垂直方向上的變化率。yhxxyro0uhyux)(22yrcuxxyxhcux牛頓內(nèi)摩擦定律： 液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰液層間所產(chǎn)生的切應(yīng)力與速度速度梯度梯度成正比。即2）流體的切應(yīng)力與動(dòng)力粘性系數(shù)成正比。3）對(duì)于

14、平衡流體du/dy=0或理想流體=0，所以不產(chǎn)生切應(yīng)力， =0。dtddydu（n/m2 ，pa）粘性切應(yīng)力，是單位面積上的內(nèi)摩擦力。流體粘性系數(shù)的單位是：n.s/m2說明：1）流體的剪應(yīng)力與壓強(qiáng) p 無關(guān)（注意到固體摩擦力與正壓力有關(guān))。第四節(jié) 粘度動(dòng)力粘性系數(shù)：又稱絕對(duì)粘度、動(dòng)力粘度、粘度，是反映流體粘滯性 大小的系數(shù)，單位：ns/m2 。2000221. 00337. 0101775. 0tt(cm2/s)(m2/s)水的運(yùn)動(dòng)粘度 通常可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：流體粘度的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變化而變化。運(yùn)動(dòng)粘度：又稱相對(duì)粘度，運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。粘度的影響因素1）流體種類。一般地，

15、相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。第四節(jié) 粘度2、粘度2）壓強(qiáng)。對(duì)常見的流體，如水、氣體等， 值隨壓強(qiáng)的變化不 大，一般可忽略不計(jì)。3）溫度。是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度 減小，氣體的粘度增加。a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大， 吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以 值減小。b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子 運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng) 量交換頻繁，所以 值增加。第四節(jié) 粘度a bc d dyxoyyyuduu+duuf圖1.2牛頓平板實(shí)驗(yàn)設(shè)板間的y向流速呈直線分布

16、，即：yyuyu)(實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體滿足：yauf 引入動(dòng)力粘性系數(shù)，則得牛頓內(nèi)摩擦 定律dyduyuafyudydu則牛頓平板實(shí)驗(yàn)與內(nèi)摩擦 定律fa切應(yīng)力分布dydu式中：流速梯度 代表液體微團(tuán)的剪切變形速率。線性變化時(shí)，即 ；非線性變化時(shí)， 即是u對(duì)y求導(dǎo)。yudydudyduuh1h212a例1：試?yán)L制平板間液體的流速分布圖 與切應(yīng)力分布圖。設(shè)平板間的液 體流動(dòng)為層流，且流速按直線分 布。解：設(shè)液層分界面上的流速為u，則：在液層分界面上：21211221hhuhu流速分布：yhuuhyhuuuu22211)(上層：下層：上層：下層：2221110huhuu切應(yīng)力分布uuuh1h2

17、y第四節(jié) 粘度例2：一底面積為40 45cm2，高為1cm的木塊，質(zhì)量為5kg，沿著涂有潤滑油的斜面向下作等速運(yùn)動(dòng)，如圖所示，已知木塊運(yùn)動(dòng)速度u=1m/s，油層厚度=1mm，由木塊所帶動(dòng)的油層的運(yùn)動(dòng)速度呈直線分布，求油的粘滯系數(shù)。 解：等速 as=0 由牛頓定律： fs=mas=0 mgsina=0 udydu（呈直線分布）2/105. 0sinmsnaumg =tg-1(5/12)=22.62ugmgsins125第四節(jié) 粘度習(xí) 題 如圖所示，轉(zhuǎn)軸直徑=0.36m，軸承長度=1m，軸與軸承之間的縫隙0.2mm，其中充滿動(dòng)力粘度0.72 pa.s的油，如果軸的轉(zhuǎn)速200rpm，求克服油的粘性阻

18、力所消耗的功率。 解：油層與軸承接觸面上的速度為零，與軸接觸面上的速度等于軸面上 的線速度：smdn/77. 36036. 020060設(shè)油層在縫隙內(nèi)的速度分布為直線分布，即 則軸表面上總的切向力 為：)(10535. 1102136. 077. 372. 0).(44ndlat克服摩擦所消耗的功率為：)(9 .57)/(1079. 577. 310535. 144kwsnmtn例3: 直徑10cm的圓盤，由軸帶動(dòng)在一平臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，圓盤與平臺(tái)間充有厚度=1.5mm的油膜相隔，當(dāng)圓盤以n=50r/min旋轉(zhuǎn)時(shí)，測得扭矩m=2.9410-4 nm。設(shè)油膜內(nèi)速度沿垂直方向?yàn)榫€性分布，試確定油的粘度。

19、解 ： dr 微元上摩阻力為：而圓盤微元所受粘性摩擦阻力矩為： dm=dtr=2r3ndr/15則克服總摩擦力矩為：r30runr30n 1rdr2 dtuda00r30n6030042152nrdrrrdmrmnspanrm 442108.8560)030(0rrrnrdydu00 牛頓流體（newtonian fluids）：是指任一點(diǎn)上的剪應(yīng)力都同速度梯度呈線性函數(shù)關(guān)系的流體，即遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。 非牛頓流體：不符合上述條件的均稱為非牛頓流體。dydu012345彈性體賓漢型塑性流體假(偽)塑性流體牛頓流體膨脹性流體理想流體ndydu)(01、賓漢型流體： 00，n=1,=const2、假(偽)塑性流體： 0=0，n15、理想流體： 0=0，=0流體二、牛頓流體、非牛頓流體第四節(jié) 粘度流 體 類 別 定 義 0()dudyn 實(shí) 例 理 想 流 體 無粘性及完全不可壓縮的