第1章 流體及其屬性 華南理工大學(xué)

1、第第 1 1 章章 流體及其屬性流體及其屬性 1.1 流體連續(xù)介質(zhì) 1.2 密度與粘性 1.3 壓縮性和膨脹性 1.4 其他屬性流體在空間某點(diǎn)的參數(shù)，在任何瞬間都取決于在此瞬間占據(jù)該空間點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀參數(shù)，即質(zhì)點(diǎn)所包含的流體分子的統(tǒng)計(jì)行為。在連續(xù)性假設(shè)之下， 除在個(gè)別的點(diǎn)、線、面外，表征流體狀態(tài)的宏觀物理量如速度、壓強(qiáng)、密度、溫度等參數(shù)在空間和時(shí)間上都是連續(xù)分布的，都可以作為空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。流體質(zhì)點(diǎn)： 包含有足夠多流體分子的微團(tuán)，在宏觀上流體微團(tuán)的尺 度和流動(dòng)所涉及的物體的特征長度相比充分的小，小到在數(shù)學(xué)上可以作為一個(gè)點(diǎn)來處理。而在微觀上，微團(tuán)的尺度和分子的平均自由行程相比又要足夠大

2、。失效情況: 稀薄氣體 激波(厚度與氣體分子平均自由程同量級(jí))1.2 流體的密度和粘性流體的密度和粘性流體的密度 單位體積里流體的質(zhì)量。均質(zhì)流體3mkgVM非均質(zhì)流體VMlim0V 運(yùn)動(dòng)或靜止的流體都受到力的作用。地球上的流體受到的作用力可分為表面力和質(zhì)量力兩類，它們分別又稱為接觸力和體積力。 表面力表面力 包括粘性力、非粘性壓力、湍流力、表面張力、附著力等。表面力的大小正比于作用面積。 質(zhì)量力質(zhì)量力 其大小正比于流體的質(zhì)量。地球上流體受到的質(zhì)量力包括重力、牽連慣性力和科氏慣性力。 地球上的流體還可能受到其他質(zhì)量力的作用，但其數(shù)值通常很小而可忽略不計(jì)。 流體的流動(dòng)和受力流體的流動(dòng)和受力 粘度粘

3、度 不同的流體在相同切力作用下會(huì)產(chǎn)生不同的變形速率，即抵抗剪切變形的能力不同，這種能力的大小可作為所產(chǎn)生的摩擦阻力的量度，這種量度就是粘度。 粘性粘性是反映流體不同部分作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)將在流體內(nèi)部產(chǎn)生摩擦阻力(阻滯運(yùn)動(dòng)的力)這樣一種屬性。 內(nèi)摩擦力來源內(nèi)摩擦力來源于分子間作用力和動(dòng)量交換，以及流體微團(tuán)間動(dòng)量交換。一般地將粘性分為層流粘性和湍流粘性；它們分別是相鄰流體分子間和相鄰流體微團(tuán)間相互作用的結(jié)果。 粘度和粘性在一些情況下是可以互換的兩個(gè)概念，前者反映量值，后者反映屬性。粘度越大流體就越難流動(dòng)，粘度越小則越易于流動(dòng)。流體的粘性流體的粘性流體的粘性流體的粘性xyU)(yuF圖 牛頓內(nèi)摩擦實(shí)驗(yàn)h流

4、體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部具有抵抗變形、阻滯流體流動(dòng)的特性。4 . 2 . 13 . 2 . 1hUSFhUSF粘性系數(shù)或動(dòng)力粘性系數(shù)牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中假設(shè)：“流體兩部分由于缺乏潤滑而引起的阻力與速度梯度成正比”。yudd2msN 運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)sm2粘性系數(shù)取決于流體的性質(zhì)、溫度與壓強(qiáng)。一般隨溫度變化較大：溫度增加，水的粘性系數(shù)變小，氣體變大。牛頓流體非牛頓流體理想流體 粘性流體例1.2.1 一塊可動(dòng)平板與另一塊不動(dòng)平板之間為某種液體，兩塊板相互平行，它們之間的距離 。若可動(dòng)平板以 的水平速度向右移動(dòng)，為維持這個(gè)速度，需要單位面積上的作用力為 ，求這二平板間液體的粘

5、性系數(shù)。解 由牛頓內(nèi)摩擦定律認(rèn)為兩板間液體速度呈線性分布，故所以mm5 . 0hsm25. 0v2mN2yudds1105105 . 025. 0dd23hvyu232msN1041052hv牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律例1.2.2 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：m/s77.36036.020060dn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：N10535. 1102136. 077. 372. 0). (44dLAT克服摩擦所消耗的功率為：kW9 .57Nm/s1079. 577. 310535. 144TN流體的壓縮性在一定

6、的溫度下，單位壓強(qiáng)增量引起的體積變化率定義為流體的壓縮性系數(shù)，其值越大，流體越容易壓縮，反之，不容易壓縮。壓縮系數(shù)Nmdddd2pVVpVVk體積彈性系數(shù)VpVkEdd1流體的壓縮性可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體和不可壓縮流體氣體和液體都是可壓縮的，通常將氣體視為可壓縮流體， 液體視為不可壓縮流體。水擊或水下爆炸：水也要視為可壓縮流體；當(dāng)氣體流速比較低時(shí)也可以視為不可壓縮流體。流體的膨脹性在壓強(qiáng)一定時(shí)，單位溫度增量引起的體積變化率定義為流體的膨脹性系數(shù)。膨脹系數(shù)C1 ,K1ddddTVVTVVaT又，流體的密度與溫度和壓強(qiáng)有關(guān)TapkTTppTTppTpTddd1d1dddd,rrhh(a

7、)(b)圖 表面張力其他屬性其他屬性表面張力表面張力: -單位長度所受拉力 表面張力隨溫度變化，溫度升高，表面張力減小。 引起的附加法向壓強(qiáng)由式（1.3.6）計(jì)算 接觸角概念接觸角概念: 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), 液體潤濕固體, 當(dāng) 為鈍角時(shí), 液體不潤濕固體水與潔凈玻璃的 = 0 水銀與潔凈玻璃的 = 140其他屬性其他屬性毛細(xì)現(xiàn)象 hgdhghdd)cos(441)cos(2內(nèi)聚力內(nèi)聚力: 液體分子間吸引力附著力附著力: 液體與固體分子間吸引力其他屬性其他屬性汽化壓強(qiáng)汽化壓強(qiáng) 圖1-1

8、1為純凈物質(zhì)的三態(tài)界限示意圖，圖中任意一點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的物態(tài)，由一組參數(shù)( p, T )描述。分界線OA、AB和AC劃分出固、液、氣三態(tài)的范圍，當(dāng)p和T同時(shí)或分別變化并越過分界線時(shí)，物態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化。其他屬性其他屬性圖圖 純凈物質(zhì)三態(tài)界限示意圖純凈物質(zhì)三態(tài)界限示意圖 工程中會(huì)遇到液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化過程，圖表示液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的兩個(gè)最基本途徑，即 1）壓強(qiáng)p不變、溫度由T增加到T ，即從液態(tài)點(diǎn)i沿水平方向越過分界線AB到達(dá)氣態(tài)點(diǎn)j，此現(xiàn)象稱為沸騰； 2）溫度T不變、壓強(qiáng)由p降低到p，即從液態(tài)點(diǎn)i沿垂直方向越過分界線AB到達(dá)氣態(tài)點(diǎn)k，此現(xiàn)象稱為汽化。 沸騰和汽化的物理本質(zhì)都是：一部分液體分子克服了表面張力的束縛而成為氣體。 分界線AB上的溫度Tv和壓強(qiáng)pv分別稱為沸點(diǎn)和汽化壓強(qiáng)。沸點(diǎn)隨壓強(qiáng)的增減而升降。 其他屬性其他屬性 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。思考題 (D) 流體的粘性與流體的-無關(guān) (a). 分子內(nèi)聚力 (b).分子動(dòng)量交換 (c). 溫度 (d). 速度梯度思考題 (d)溫度升高時(shí)表面張力