流體的定義與物理性質(zhì)

1、 流體的定義和特征流體的定義和特征 流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè) 作用在流體上的力作用在流體上的力 表面力表面力 質(zhì)量力質(zhì)量力 流體的密度流體的密度 流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性和膨脹性 流體的粘性流體的粘性液體的表面性質(zhì)液體的表面性質(zhì)教學(xué)目的：了解并掌握流體的物理性質(zhì)。了解并掌握流體的物理性質(zhì)。教學(xué)要求：1.理解流體的概念；理解流體的概念；2.記憶水、空氣、汞的密度和重度；記憶水、空氣、汞的密度和重度；3.理解粘性的概念，并掌握牛頓內(nèi)摩擦定律。理解粘性的概念，并掌握牛頓內(nèi)摩擦定律。4.熟悉流體的壓縮性和膨脹性。熟悉流體的壓縮性和膨脹性。教學(xué)內(nèi)容：1.流體的概念；流體的概念

2、； 2.流體的密度和重度；流體的密度和重度； 3.流體的壓縮性和膨脹性；流體的壓縮性和膨脹性； 4.流體的粘性。流體的粘性。流體的定義和特征流體的定義和特征流體與固體的區(qū)別流體與固體的區(qū)別液體和氣體是流體液體和氣體是流體固態(tài)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形 ；只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形 液體和氣體的區(qū)別：液體和氣體的區(qū)別： (1)(1)氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；氣體易于壓縮；而液體難于壓縮； (2)(2)液體有一定的體積，存在一個自由液面；氣體能充滿任意

3、形狀的液體有一定的體積，存在一個自由液面；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。容器，無一定的體積，不存在自由液面。 流體是一種受任何微小的剪切力作用時，都會產(chǎn)生連流體是一種受任何微小的剪切力作用時，都會產(chǎn)生連續(xù)變形的物質(zhì)。續(xù)變形的物質(zhì)。 流動性是流體的主要特征。流動性是流體的主要特征。 流體的定義和特征流體的定義和特征練習(xí)練習(xí)流體不能夠承受剪切力？流體不能夠承受剪切力？答案：錯誤。靜止流體不能夠承受剪切力答案：錯誤。靜止流體不能夠承受剪切力流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動的分子所組成，流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動的分子所組成， 分子間存有空隙，

4、在空間是不連續(xù)的。分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子 距離大得多。距離大得多。問題的引出：問題的引出：流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體視為由無流體視為由無 數(shù)連續(xù)分布的數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體微團(tuán)必須具備的兩個條件流體微團(tuán)必須具備的兩個條件必須包含足夠多的分子；必須包含足夠多的分子；體積必須很小。體積必須很小。一、流體的一、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.1. 避免了流體分子運(yùn)動的復(fù)雜性避免了流體分子運(yùn)動的復(fù)雜性，只需研究流體的

5、宏，只需研究流體的宏 觀運(yùn)動。觀運(yùn)動。2. 可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動規(guī)律?？梢岳脭?shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動規(guī)律。二、二、采用采用流體流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)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、幾何尺寸同流動空間相比是極小量,又含有大 量分子的微元體練習(xí)練習(xí)D、幾何尺寸同流動空間相比是極小量,又含有大量分子的微元體一、流體的密度一、流體的密度單位體積流體所具有的質(zhì)量。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。密度表征物體慣性的物理量。dVdM單位：單位：kg/mkg/m3 3 VM常見流體的密

6、度：常見流體的密度： 水水1000kg/m3 空氣空氣1.23kg/m3 水銀水銀136000kg/m3均勻流體：均勻流體：二、流體的相對密度二、流體的相對密度流體的密度與流體的密度與4 4o oC C時水的密度的比值。時水的密度的比值。 式中，式中， f流體的密度（流體的密度（kg/m3） w4oC時水的密度（時水的密度（kg/m3）wfd三、流體的比容三、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)。單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。1V單位：單位： m3/kg四、混合氣體的密度四、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?；旌蠚怏w的密度按各組分氣體所占

7、體積百分?jǐn)?shù)計(jì)算。式中：式中： 1， 2， n各組分氣體的密度各組分氣體的密度 a1，a2，an各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)。各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)。niiinnaaaa12211.四、混合氣體的密度四、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?；旌蠚怏w的密度按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)計(jì)算。式中：式中： 1， 2， n各組分氣體的密度各組分氣體的密度 a1，a2，an各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)。各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)。niiinnaaaa12211.一、流體的壓縮性一、流體的壓縮性流體體積隨著壓力流體體積隨著壓力（壓強(qiáng)）（壓強(qiáng)）的變化而變化的性質(zhì)。的變化而變化的性質(zhì)。1.

8、壓縮系數(shù)壓縮系數(shù))/(d/d2NmpVVk2.體積模量體積模量 )/(dd12mNVpVkK溫度一定時溫度一定時, ,單位壓力變化所引起的體積單位壓力變化所引起的體積相對變化量相對變化量二、流體的膨脹性二、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的變化而變化的性質(zhì)。流體體積隨著溫度的變化而變化的性質(zhì)。膨脹系數(shù)：膨脹系數(shù)：)/1 (d/dKTVVaV壓力一定時壓力一定時, ,單位溫度增加所引起的體積單位溫度增加所引起的體積相對變化量相對變化量例例1-11-1 200 C體積為的2.5m3水，當(dāng)溫度升至800C時，其體積增加多少？解： 200 C時：1=998.23kg/m3 800C時： 2=971.83k

9、g/m3 即 則： 三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體1. 可壓縮性可壓縮性 2. 可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體和不可壓縮流體常數(shù) 可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體可壓縮流體：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不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體常數(shù)流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。( (a)a)嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮的流體。嚴(yán)格地說，不存在完全不可壓縮的流體。(b)(b)一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體（發(fā)生水擊時除外）。一般情況下的液體都可視為不可壓縮流體（發(fā)生水擊時除外

10、）。(c)(c)對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時，可視為不可壓縮流體。對于氣體，當(dāng)所受壓強(qiáng)變化相對較小時，可視為不可壓縮流體。(d)(d)管路中壓降較大時，應(yīng)作為可壓縮流體。管路中壓降較大時，應(yīng)作為可壓縮流體。注：注： 一、流體的粘性一、流體的粘性1. 1. 粘性的定義粘性的定義 流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對運(yùn)動時，流體內(nèi)流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對運(yùn)動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）的性質(zhì)。(1) (1) 粘性實(shí)驗(yàn)粘性實(shí)驗(yàn)一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )1 1.粘性的定義粘性的定義( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2) 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效

11、應(yīng)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)之間會產(chǎn)生粘性力；流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會產(chǎn)生粘性力； 流體將粘附于它所接觸的固體表面。并且與固流體將粘附于它所接觸的固體表面。并且與固體表面有相同的運(yùn)動狀態(tài)。體表面有相同的運(yùn)動狀態(tài)。一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 (1) (1) 牛頓平板實(shí)驗(yàn)牛頓平板實(shí)驗(yàn)當(dāng)當(dāng)h和和u不是不是很大時，兩平板間沿很大時，兩平板間沿y y方向的流速呈線性分布，方向的流速呈線性分布，ohdyyu+duuyUdyhUdyhU或一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) ) (

12、2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律dydu實(shí)驗(yàn)表明，對于大多數(shù)流體，存在實(shí)驗(yàn)表明，對于大多數(shù)流體，存在dyduAhUAF引入比例系數(shù)引入比例系數(shù)，得：，得：ohdyyu+duuyU一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )2.2.牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) ) (2) (2) 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律( (續(xù)續(xù)) )粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；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)稱動力粘度，簡稱粘度。比例系數(shù)稱動力粘度，簡稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明：牛頓內(nèi)摩擦定律表明：dydudyd

13、udtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudt一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) ) 流體粘性大小的度量流體粘性大小的度量, ,由流體流動由流體流動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。(1) (1) 動力粘度動力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2) (2) 運(yùn)動粘度運(yùn)動粘度)/(2sm)/(smkg3.3.粘度粘度一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )3.3. (3) (3) 粘度的影響因素粘度的影響因素溫度對流體粘度的影響很大溫度對流體粘度的影響很大氣體液體氣體粘度o 溫度壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)壓力對流體粘度的影響不大，一般

14、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)動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。分子熱運(yùn)動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度溫度分子熱運(yùn)動分子熱運(yùn)動動量交換動量交換內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力粘度粘度 一、流體的粘性一、流體的粘性( (續(xù)續(xù)) )3.3. (4) (4) 粘度的測量粘度的測量管流法管流法落球法落球法旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)法工業(yè)粘度計(jì)工業(yè)粘度計(jì)二、粘性流體和理想流體二、粘性流體和理想流體1.1. 具有粘性的流體（具有粘性的流體（00）。）。2.2.理想理想 忽略粘性的流體（忽略粘性的流體（=0 0）。

15、）。一種理想的流體模型。一種理想的流體模型。練習(xí)練習(xí) 時，流體沒有粘性。這種說法對否？為什么？時，流體沒有粘性。這種說法對否？為什么？答：錯誤。答：錯誤。 ，可能是流體沒有粘性，也可能是粘性沒有，可能是流體沒有粘性，也可能是粘性沒有表現(xiàn)出來，如流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時。表現(xiàn)出來，如流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時。00已知液體中流速沿已知液體中流速沿y y方向分布如圖示三種情況，試根據(jù)牛頓方向分布如圖示三種情況，試根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律內(nèi)摩擦定律 ，定性繪出切應(yīng)力，定性繪出切應(yīng)力 沿沿y y方向的分布圖方向的分布圖dduyyuuuuyuuy=0yy0=0y練習(xí)練習(xí)三、牛頓流體和非牛頓流體三、牛頓流體和非牛頓流體1.1

16、.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。例例1 12 2相距為相距為h=10 mmh=10 mm的兩固定平板間充滿動力粘度的兩固定平板間充滿動力粘度=1.49 =1.49 PasPas的甘油，若兩板間甘油的速度分布為的甘油，若兩板間甘油的速度分布為u=4000y(h-y)u=4000y(h-y)，則，則( (1) 1)

17、 若上板的面積若上板的面積A=0.2 mA=0.2 m2 2，求使上板固定不動所需的水平作用力，求使上板固定不動所需的水平作用力F F( (2) 2) 求求y=h/3y=h/3和和2h/32h/3處的內(nèi)摩擦應(yīng)力，處的內(nèi)摩擦應(yīng)力，并說明正負(fù)號的意義。并說明正負(fù)號的意義。解解 ：(1(1) )2(4000yhdydu則使上平板固定所需的力為：則使上平板固定所需的力為： NAFhy92.11)02.001.0(49.140002 .0 y =h/3 y =h/3時時=4000=40001.491.49(0.01-2(0.01-20.013) = 19.90.013) = 19.9(N/m2)(N/m

18、2) y = 2/3 h y = 2/3 h時時=4 000=4 0001.491.49(0.01-4(0.01-40.013) = -19.9 (N/m2)0.013) = -19.9 (N/m2)y=h/3y=h/3，內(nèi)摩擦應(yīng)力為，內(nèi)摩擦應(yīng)力為19.6N19.6N；說明下層流體受到上層流體的拖說明下層流體受到上層流體的拖動，動， 與與 方向相同。方向相同。uuy=2h/3 y=2h/3 ，內(nèi)摩擦應(yīng)力為，內(nèi)摩擦應(yīng)力為-19.6N-19.6N。說明下層流體受阻與上。說明下層流體受阻與上層流體，層流體， 與與 方向相反。方向相反。(2) (2) 求求y=h/3y=h/3和和2h/32h/3處的內(nèi)摩擦應(yīng)力，處的內(nèi)摩擦應(yīng)力，并說明正負(fù)號的意義。并說明正負(fù)號的意義。例例1-3:1-3:直徑10cm的圓盤，由軸帶動在一平臺上旋轉(zhuǎn)，圓盤與平臺間充有厚度=1.5mm的油膜相隔，當(dāng)圓盤以n =50r/