第一章、流體物理性質(zhì)

1、1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì) 作用在流體上的力作用在流體上的力 流體的定義和特征流體的定義和特征 流體的力學(xué)模型流體的力學(xué)模型1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)第一章第一章 緒論緒論教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求1、明確流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)。、明確流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)。2、了解流體的基本特征，連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在流體力學(xué)研、了解流體的基本特征，連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在流體力學(xué)研究中的作用。究中的作用。3、理解流體幾個(gè)主要物理性質(zhì)的特征和度量方法，、理解流體幾個(gè)主要物理性質(zhì)的特征和度量方法，重點(diǎn)掌

2、握流體的粘重點(diǎn)掌握流體的粘滯性，包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適用條件。滯性，包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適用條件。4、了解質(zhì)量力、表面力的定義，理解單位面積表面力（壓強(qiáng)、切應(yīng)力）、了解質(zhì)量力、表面力的定義，理解單位面積表面力（壓強(qiáng)、切應(yīng)力）和單位質(zhì)量力的物理意義。和單位質(zhì)量力的物理意義。學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)1、連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念。、連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念。2、流體的基本特征和主要物理性質(zhì)，特別是流體的粘滯性和牛頓內(nèi)摩、流體的基本特征和主要物理性質(zhì)，特別是流體的粘滯性和牛頓內(nèi)摩擦定律及其應(yīng)用條件。擦定律及其應(yīng)用條件。3、作用在流體上的兩種力。、作用在流體上的兩種力。1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及

3、其主要物理性質(zhì)1.1 1.1 流體的定義和特征流體的定義和特征1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)1.1 1.1 流體的定義和特征流體的定義和特征1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)Fma 1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1.2.1 1.2.1 慣性、慣性、1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)mV1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)31000/kg m3313.6 10/kg m3/kg m0limVmdmVdV 950960970980990100010100204060801001203 (

4、 kg/m ) T ( C)溫度與水的密度關(guān)系1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)Gmg1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)GmggVV1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)11.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)wwVdV1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)/dV Vdp 壓縮性用體積壓縮系數(shù)壓縮性用體積壓縮系數(shù)表示表示(1/(1/Pa) )。1.2.2 1.2.2 壓縮性：壓縮性：指流體受壓指流體受壓, ,體積縮小體積縮小, ,密度增大密度增大, ,除去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)除去外力后能恢復(fù)原狀的性

5、質(zhì)膨脹性：膨脹性：指流體受熱指流體受熱, ,體積膨脹體積膨脹, ,密度減小密度減小, ,溫度下降后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)溫度下降后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)1.壓縮性壓縮性 體積體積壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)指恒溫下液體體積的相對(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比。指恒溫下液體體積的相對(duì)縮小值與壓強(qiáng)增值之比。 壓強(qiáng)增大時(shí)體積縮小，所以加一個(gè)負(fù)號(hào)來(lái)確保壓縮率為正值。壓強(qiáng)增大時(shí)體積縮小，所以加一個(gè)負(fù)號(hào)來(lái)確保壓縮率為正值。1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)/ddp 流體壓縮時(shí)其質(zhì)量并不改變，故流體壓縮時(shí)其質(zhì)量并不改變，故()0dmdVdVVddVdV 故故所謂彈

6、性模量所謂彈性模量K(Pa)，乃體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)，即，乃體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)，即1K 水的壓縮性和膨脹性很小，在一般情況下可忽略不計(jì)，只有在水的壓縮性和膨脹性很小，在一般情況下可忽略不計(jì)，只有在某些特殊情況下，如水管閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)所發(fā)生的水擊現(xiàn)象，自然某些特殊情況下，如水管閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)所發(fā)生的水擊現(xiàn)象，自然循環(huán)的熱水采暖系統(tǒng)等問(wèn)題時(shí)，才需考慮其水的壓縮性和膨脹性。循環(huán)的熱水采暖系統(tǒng)等問(wèn)題時(shí)，才需考慮其水的壓縮性和膨脹性。 1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)2.膨脹性膨脹性 膨脹性用體積膨脹系數(shù)表示，在一定壓強(qiáng)下，單位溫升所引起膨脹性用體積膨脹系數(shù)表示，在一定壓強(qiáng)下，

7、單位溫升所引起的體積變化率的體積變化率(1/K)(1/K)。/dV VddTdT 1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)pRT 氣體具有明顯的壓縮性和膨脹性。常用氣體的密度、壓強(qiáng)和溫氣體具有明顯的壓縮性和膨脹性。常用氣體的密度、壓強(qiáng)和溫度三者之間的關(guān)系，相當(dāng)符合理想氣體狀態(tài)方程，即度三者之間的關(guān)系，相當(dāng)符合理想氣體狀態(tài)方程，即 式中，式中，p-為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)；為氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)； T-為氣體熱力學(xué)溫度；為氣體熱力學(xué)溫度； R-為氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)是為氣體常數(shù)，空氣的氣體常數(shù)是287J/287J/（kgKkgK）。）。1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性

8、質(zhì)1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1.2.3 1.2.3 1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì) 一、一、流向快層慢層yuu+dudyy流向快層慢層yuu+dudyy流體粘性示意圖流體粘性示意圖1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì) 2/N m1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn)表明，相鄰流層接觸面的單位面積上所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)表明，相鄰流層接觸面的單位面

9、積上所產(chǎn)生的二、二、引入比例系數(shù)為引入比例系數(shù)為dduydduy式中，式中， 為為動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度粘度。 為為流速梯度流速梯度。dduy上式即為上式即為牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律，它可表述為：作層流做運(yùn)，它可表述為：作層流做運(yùn)動(dòng)的流體，相鄰流層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力，動(dòng)的流體，相鄰流層間單位面積上所作用的內(nèi)摩擦力，與流速梯度成正比，與流體的性質(zhì)有關(guān)。與流速梯度成正比，與流體的性質(zhì)有關(guān)。內(nèi)摩擦力，即切應(yīng)力內(nèi)摩擦力，即切應(yīng)力1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)dduFAAy1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比

10、；粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；(2)(2)粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；(3)(3)比例系數(shù)比例系數(shù) 稱(chēng)動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度稱(chēng)動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱(chēng)粘度(Pa.s)(Pa.s)。duddydt() /ddudtdudtdtdydyCDBAdbadydudt牛頓內(nèi)摩擦定律表明：牛頓內(nèi)摩擦定律表明：(4)(4)運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 (m(m2 2/s)/s)1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)溫度對(duì)流體粘度的影響很大，壓強(qiáng)對(duì)流體粘度的影響溫度對(duì)流體粘度的影響很大，壓強(qiáng)對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)。不大

11、，一般忽略不計(jì)。粘度的影響因素粘度的影響因素T（） (10-3Pas) (10-6m2/s)T（） (10-3Pas)(10-6m2/s)01.7921.792400.6560.66151.5191.519450.5990.605101.3081.308500.5490.556151.1401.140600.4690.477201.0051.007700.4060.415250.8940.897800.3570.367300.8010.804900.3170.328350.7230.7271000.2840.2961.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)水的粘度隨溫度的變化

12、1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)溫度對(duì)流體粘度的影響很大溫度對(duì)流體粘度的影響很大氣體液體氣體粘度o 溫度壓強(qiáng)對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)壓強(qiáng)對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度溫度分子間距分子間距分子吸引力分子吸引力內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。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。溫度溫度分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換動(dòng)量交換內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度 粘度的影響因素粘度的影響因素1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1 1章章 流體及其主要物

13、理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)三、牛頓流體和非牛頓流體三、牛頓流體和非牛頓流體1.1.牛頓牛頓 2.2.非牛頓非牛頓 dudyo0膨脹性流體賓漢型塑性流體牛頓流體假塑性流體符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如水、空氣、汽油和水銀等如水、空氣、汽油和水銀等不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體不符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等。如泥漿、血漿、新拌水泥砂漿、新拌混凝土等。1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)例題例題1：一平板在油面上做水平運(yùn)動(dòng)（如圖所示），已知平板的運(yùn)動(dòng)一平板在油面上做水平運(yùn)動(dòng)

14、（如圖所示），已知平板的運(yùn)動(dòng)速度為速度為u=40cm/s=40cm/s，油層的厚度，油層的厚度=5mm=5mm，油的動(dòng)力粘度，油的動(dòng)力粘度=0.1Pas=0.1Pas，求，求作用在平板上的切應(yīng)力。作用在平板上的切應(yīng)力。 解：解：由題意可知：直接與平板接觸的由題意可知：直接與平板接觸的油層附在平板上，隨平板一起運(yùn)動(dòng)，與油層附在平板上，隨平板一起運(yùn)動(dòng)，與y油u之相鄰的下面油層，作用在該層上的切應(yīng)力（方向與平板運(yùn)動(dòng)方向之相鄰的下面油層，作用在該層上的切應(yīng)力（方向與平板運(yùn)動(dòng)方向相反）等于作用在平板上的切應(yīng)力。相反）等于作用在平板上的切應(yīng)力。 因?yàn)橛蛯拥暮穸纫驗(yàn)橛蛯拥暮穸群苄?，流層的流線很小，流層的流線

15、分布可近似看做直線分布，即分布可近似看做直線分布，即duudy2400.18(/)0.5duuN mdy由牛頓內(nèi)摩擦定律由牛頓內(nèi)摩擦定律1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)1.2.5 1.2.5 1.1.液體的表面張力液體的表面張力 在液體的自由表面上，由于分子間引力作用的結(jié)果，產(chǎn)生了及其在液體的自由表面上，由于分子間引力作用的結(jié)果，產(chǎn)生了及其微小的拉力，這種拉力稱(chēng)之為表面張力。微小的拉力，這種拉力稱(chēng)之為表面張力。2.2.毛細(xì)管現(xiàn)象毛細(xì)管現(xiàn)象 直徑很小兩端開(kāi)口的細(xì)管豎直插入液體中，由于表面張力的作用，直徑很小兩端開(kāi)口的

16、細(xì)管豎直插入液體中，由于表面張力的作用，管中的液面會(huì)發(fā)生上升或下降的現(xiàn)象，稱(chēng)之為毛細(xì)管現(xiàn)象。管中的液面會(huì)發(fā)生上升或下降的現(xiàn)象，稱(chēng)之為毛細(xì)管現(xiàn)象。1.2 1.2 流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì) 如果您有任何問(wèn)題，如果您有任何問(wèn)題，請(qǐng)毫不猶豫地提出請(qǐng)毫不猶豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !1 1章章 流體及其主

17、要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)作用在流體上的力有兩種：作用在流體上的力有兩種：表面力和質(zhì)量力表面力和質(zhì)量力一、表面力一、表面力 應(yīng)力即單位面積上的表面力。應(yīng)力即單位面積上的表面力。FFAFpT 表面力是作用于流體的表面，并與受作用的表面面積成比例的力，表面力是作用于流體的表面，并與受作用的表面面積成比例的力，常用應(yīng)力來(lái)度量。常用應(yīng)力來(lái)度量。0limPPnAFdFpAdA0limTTAFdFAdA1. 1. 表面力與作用表面力與作用面垂直的壓應(yīng)力面垂直的壓應(yīng)力2. 2. 表面力與作用表面力與作用面平行的切應(yīng)力面平行的切應(yīng)力隔離體受力分析隔離體受力分析1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物

18、理性質(zhì)二、質(zhì)量力二、質(zhì)量力 作用在每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。如作用在每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)上的力，其大小與流體質(zhì)量成正比。如重力，慣性力，磁力等。又稱(chēng)體積力。重力，慣性力，磁力等。又稱(chēng)體積力。Ffm單位質(zhì)量力單位質(zhì)量力xxyyzzFfmFfmFfm分別投影在三個(gè)坐標(biāo)軸上分別投影在三個(gè)坐標(biāo)軸上1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì) 如果您有任何問(wèn)題，如果您有任何問(wèn)題，請(qǐng)毫不猶豫地提出請(qǐng)毫不猶豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hes

19、itate to ask me !hesitate to ask me !1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)流體的力學(xué)模型流體的力學(xué)模型連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)n 連續(xù)介質(zhì)的意義連續(xù)介質(zhì)的意義歐拉歐拉避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。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)。可以利用數(shù)學(xué)上的連續(xù)函數(shù)來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？梢岳脭?shù)學(xué)上的連續(xù)函數(shù)來(lái)研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1.4.1 1.4.1 1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì) 在流體力學(xué)中，為研究方便，提出了理想流體的概念。在流體力學(xué)中，為研究方便，提出了理想流體的概念。1.4.

20、2 1.4.2 理想流體理想流體 理想流體就是理想流體就是把流體看作沒(méi)有粘性的連續(xù)介質(zhì)把流體看作沒(méi)有粘性的連續(xù)介質(zhì)。而把考慮粘性的。而把考慮粘性的流體稱(chēng)為流體稱(chēng)為粘性流體或?qū)嶋H流體粘性流體或?qū)嶋H流體。我們研究流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，先把流體當(dāng)。我們研究流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，先把流體當(dāng)成理想流體進(jìn)行分析，然后再考慮粘性對(duì)粘性流體進(jìn)行修正。成理想流體進(jìn)行分析，然后再考慮粘性對(duì)粘性流體進(jìn)行修正。流體的力學(xué)模型流體的力學(xué)模型1.4.3 1.4.3 不可壓縮流體不可壓縮流體 流體都是可壓縮的，然而有許多流體，如水等液體，其密度變化流體都是可壓縮的，然而有許多流體，如水等液體，其密度變化很小，可忽略不計(jì)，由此引出了不可壓縮

21、流體的概念。很小，可忽略不計(jì)，由此引出了不可壓縮流體的概念。 不可壓縮流體就是不可壓縮流體就是把流體看作沒(méi)有壓縮性和膨脹性的連續(xù)介質(zhì)把流體看作沒(méi)有壓縮性和膨脹性的連續(xù)介質(zhì)。1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)如果您有任何問(wèn)題，如果您有任何問(wèn)題，請(qǐng)毫不猶豫地提出請(qǐng)毫不猶豫地提出 ! !In case of you have any In case of you have any question, DO NOT question, DO NOT hesitate to ask me !hesitate to ask me !1 1章章 流體及其主要物理性質(zhì)流體及其主要物理性質(zhì)第一章第一章 緒論緒論教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求1、明確流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)。、明確流體力學(xué)課程的性質(zhì)和任務(wù)。2、了解流體的基本特征，連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在流體力學(xué)研、了解流體的基本特征，連續(xù)介質(zhì)和理想流體的概念和在流體力學(xué)研究中的作用。究中的作用。3、理解流體幾個(gè)主要物理性質(zhì)的特征和度量方法，、理解流體幾個(gè)主要物理性質(zhì)的特征和度量方法，重點(diǎn)掌握流體的粘重點(diǎn)掌握流體的粘滯性，包括牛頓內(nèi)摩擦定律及其適