第1章——流體及其物理性質(zhì)

1、2022-3-271力學(xué)力學(xué)經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)應(yīng)用力學(xué)應(yīng)用力學(xué)靜靜力力學(xué)學(xué)運運動動學(xué)學(xué)動動力力學(xué)學(xué)固固體體力力學(xué)學(xué)流流體體力力學(xué)學(xué)材材料料力力學(xué)學(xué)工工程程力力學(xué)學(xué)地地質(zhì)質(zhì)力力學(xué)學(xué) 2022-3-272 1.基本概念基本概念 流體力學(xué)：流體力學(xué)：是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個分支是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個分支 。 研究流體之間或與固體之間相互作用以及流體研究流體之間或與固體之間相互作用以及流體 在靜止或運動條件下所遵循的基本規(guī)律的科學(xué)在靜止或運動條件下所遵循的基本規(guī)律的科學(xué)流體：流體：能流動的物質(zhì)，包括氣體、液體、等離子體能流動的物質(zhì)，包括氣體、液體、等離子體 理論流體力學(xué)：理論流體力學(xué)：

2、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的延伸，屬于力學(xué)課程，偏重連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的延伸，屬于力學(xué)課程，偏重 數(shù)理分析，屬于基礎(chǔ)學(xué)科。數(shù)理分析，屬于基礎(chǔ)學(xué)科。工程流體力學(xué)：工程流體力學(xué)：強調(diào)工程，將理論和實踐結(jié)合起來，屬于應(yīng)強調(diào)工程，將理論和實踐結(jié)合起來，屬于應(yīng) 用學(xué)科。用學(xué)科。2022-3-2731.高爾夫球：高爾夫球： 人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如：人們對一些流體運動卻缺乏認識，比如： 2022-3-2742.汽車阻力汽車阻力： 2022-3-2753.機翼升力機翼升力： 2022-3-2762. 流體力學(xué)發(fā)展簡史：流體力學(xué)發(fā)展簡史： 國內(nèi)：戰(zhàn)國時代李冰等修建的都江堰工程國內(nèi)：戰(zhàn)國時代李冰等修建的都江堰工程 隋朝開

3、鑿的京杭大運河隋朝開鑿的京杭大運河2022-3-277 國外：公元前國外：公元前4世紀(jì)古羅馬供水系統(tǒng)世紀(jì)古羅馬供水系統(tǒng) 2022-3-278 阿基米德（Archimedes, 287-212 B.C.希臘）公元前公元前250年古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德發(fā)表了年古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德發(fā)表了論浮體論浮體2022-3-279 托里拆利：他總結(jié)出水從容器底部小孔流出的速度和水從小孔托里拆利：他總結(jié)出水從容器底部小孔流出的速度和水從小孔上方的水面高度自由下落到小孔時候的速度相等，進一步得到上方的水面高度自由下落到小孔時候的速度相等，進一步得到了這個速度和小孔上方水面高度的平方根成正比的正確結(jié)論了這個速度和小孔上

4、方水面高度的平方根成正比的正確結(jié)論 托里拆利(16081642，意大利）2022-3-2710 牛牛 頓：隨著牛頓運動定理和微積分方法的建立，流體力學(xué)邁入頓：隨著牛頓運動定理和微積分方法的建立，流體力學(xué)邁入 理性研究和持續(xù)發(fā)展階段。提出粘性流體運動時的內(nèi)摩理性研究和持續(xù)發(fā)展階段。提出粘性流體運動時的內(nèi)摩 擦力公式。擦力公式。 牛頓(16421727，英國）2022-3-2711 歐歐 拉：歐拉創(chuàng)造性地用偏微分方程解決數(shù)學(xué)物理問題。他在拉：歐拉創(chuàng)造性地用偏微分方程解決數(shù)學(xué)物理問題。他在這些論著中給出了流體運動的歐拉描述法，提出了理想流體模這些論著中給出了流體運動的歐拉描述法，提出了理想流體模型，

5、建立了流體運動的基本方程，即連續(xù)介質(zhì)流體運動的歐拉型，建立了流體運動的基本方程，即連續(xù)介質(zhì)流體運動的歐拉方程，奠定了流體動力學(xué)的基礎(chǔ)。方程，奠定了流體動力學(xué)的基礎(chǔ)。 歐拉（L.Euler, 1707-1783,瑞士） pfDtVD2022-3-2712 伯努利：流體流動能量守恒，伯努利定律描述就流體沿著一條伯努利：流體流動能量守恒，伯努利定律描述就流體沿著一條穩(wěn)定、非粘滯、不可壓縮的流線移動行為穩(wěn)定、非粘滯、不可壓縮的流線移動行為。伯努利（D.Bernouli 17001782，瑞士） 2022-3-2713內(nèi)維爾和內(nèi)維爾和 斯托克斯：斯托克斯： 提出了提出了N-S方程，解決粘性流動問題的理論

6、分析方程，解決粘性流動問題的理論分析內(nèi)維爾內(nèi)維爾 （17851836，法國） 斯托克斯斯托克斯（18191903，英國） 2022-3-2714 雷諾（18421912，愛爾蘭） 雷雷 諾：提出了兩種流動形態(tài)：層流和湍流的概念，通過雷諾諾：提出了兩種流動形態(tài)：層流和湍流的概念，通過雷諾實驗給出了區(qū)別層流和湍流的雷諾準(zhǔn)則：實驗給出了區(qū)別層流和湍流的雷諾準(zhǔn)則： 2022-3-2715普朗特：通過流體邊界層的概念將流體力學(xué)理論和實驗統(tǒng)一起來，普朗特：通過流體邊界層的概念將流體力學(xué)理論和實驗統(tǒng)一起來， 奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)基礎(chǔ)，被尊為現(xiàn)代流體力學(xué)之父。奠定了現(xiàn)代流體力學(xué)基礎(chǔ)，被尊為現(xiàn)代流體力學(xué)之父。普朗

7、特（L.Prandtl， 18751953，德國） 2022-3-2716 卡門（V.Karman，18811963，美國） 泰勒（G.Taylor，18861975，英國） 卡門、泰勒：奠定了近代流體力學(xué)基礎(chǔ)卡門、泰勒：奠定了近代流體力學(xué)基礎(chǔ) 2022-3-2717 周培源、錢學(xué)森：周培源、錢學(xué)森： 在湍流理論、在湍流理論、 空氣動力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了基礎(chǔ)性、開創(chuàng)空氣動力學(xué)等許多領(lǐng)域中作出了基礎(chǔ)性、開創(chuàng)性的貢獻。性的貢獻。 周培源（19021993）錢學(xué)森（19112009）2022-3-2718 3. 流體力學(xué)的分類：流體力學(xué)的分類： 理論流體力學(xué)、水動力學(xué)、氣體動力學(xué)、理論流體力學(xué)、水

8、動力學(xué)、氣體動力學(xué)、空氣動力學(xué)、懸浮體力學(xué)、湍流理論、空氣動力學(xué)、懸浮體力學(xué)、湍流理論、粘性流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、滲流力學(xué)、粘性流體力學(xué)、多相流體力學(xué)、滲流力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)、等離子體動力學(xué)、非牛頓流體力化學(xué)流體力學(xué)、等離子體動力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)、流體機械、計算流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)、學(xué)、流體機械、計算流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)、生物流體力學(xué)生物流體力學(xué) 2022-3-2719研究方法研究方法理論分析方法實驗方法數(shù)值分析方法4. 工程流體力學(xué)的研究方法工程流體力學(xué)的研究方法流體力學(xué)三種研究方法相互配合，互為補充。流體力學(xué)三種研究方法相互配合，互為補充。 2022-3-2720 （1）理論分析：

9、）理論分析： 分析問題的主次因素，并進行適當(dāng)?shù)募俣ǎ橄蟪隼碚摲治鰡栴}的主次因素，并進行適當(dāng)?shù)募俣ǎ橄蟪隼碚?模型（連續(xù)介質(zhì)、理想流體、不可壓流體等）運用數(shù)學(xué)模型（連續(xù)介質(zhì)、理想流體、不可壓流體等）運用數(shù)學(xué)工具求普遍解工具求普遍解建立模型建立模型推導(dǎo)方程推導(dǎo)方程求解方程求解方程解釋結(jié)果解釋結(jié)果2022-3-2721目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是：湍流，流動穩(wěn)定性，渦運動，目前流體力學(xué)理論研究主攻方向是：湍流，流動穩(wěn)定性，渦運動，水動力學(xué)，水波動力學(xué)，復(fù)雜流動，多相流等。水動力學(xué)，水波動力學(xué)，復(fù)雜流動，多相流等。 2022-3-2722（2）實驗方法：）實驗方法： 在相似理論指導(dǎo)下將實際流動問

10、題概括為相似的實驗?zāi)Ｐ停谙嗨评碚撝笇?dǎo)下將實際流動問題概括為相似的實驗?zāi)Ｐ?，實驗中觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù)并按一定的方法推測實際結(jié)果或經(jīng)驗實驗中觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù)并按一定的方法推測實際結(jié)果或經(jīng)驗公式公式相似理論相似理論模型試驗?zāi)Ｐ驮囼灉y量測量數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 2022-3-2723船模拖曳實驗 2022-3-2724（）計算方法：（）計算方法： 根據(jù)理論分析與實驗觀測，確定計算方案，按一定的方法根據(jù)理論分析與實驗觀測，確定計算方案，按一定的方法編制程序利用計算機算出數(shù)值解編制程序利用計算機算出數(shù)值解計算流體力學(xué)有限差分法有限元法邊界元法譜分析等 2022-3-2725渦輪機葉片流線和總壓分布數(shù)值模擬

11、。 2022-3-2726 （）水利工程：河流、水壩、閘門、電站（）水利工程：河流、水壩、閘門、電站三峽水電站4應(yīng)用：應(yīng)用：2022-3-2727 （）土建工程：給排水、供暖、通風(fēng)（）土建工程：給排水、供暖、通風(fēng)給排水系統(tǒng)2022-3-2728（）機械工程：液壓傳動、潤滑冷卻、燃氣輪機、泵與風(fēng)機（）機械工程：液壓傳動、潤滑冷卻、燃氣輪機、泵與風(fēng)機燃氣輪機 2022-3-2729（）動力工程：噴氣發(fā)動機、內(nèi)燃機（）動力工程：噴氣發(fā)動機、內(nèi)燃機噴氣發(fā)動機 2022-3-2730（）航空航海：潛艇、輪船、太空梭等（）航空航海：潛艇、輪船、太空梭等 潛艇2022-3-2731流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉

12、，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物流體力學(xué)需要與其他學(xué)科交叉，如工程學(xué)，地學(xué)，天文學(xué)，物理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建理學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等，在學(xué)科交叉中開拓新領(lǐng)域，建立新理論，創(chuàng)造新方法。立新理論，創(chuàng)造新方法。 2022-3-2732流體：流體：能流動的物質(zhì)，在承受剪應(yīng)力時將會發(fā)生連續(xù)變形連續(xù)變形的物體。相同的屬性固體流體由大量分子或原子組成分子或原子不斷做隨機熱運動粒子之間存在著相互作用數(shù)目多強度低作用力強數(shù)目少強度高作用力弱流體流體與固體固體，宏觀上的宏觀上的三個基本屬性：流體和固體在微觀上的差異導(dǎo)致宏觀的差異為：流體和固體在微觀上的差異導(dǎo)致宏觀的差異為：（）氣體既

13、無一定的體積也無一定的形狀，分子間距約為分子直徑的（）氣體既無一定的體積也無一定的形狀，分子間距約為分子直徑的10倍倍（）固體有一定的形狀和體積，在外力作用下能產(chǎn)生一定的變形抵抗外力（）固體有一定的形狀和體積，在外力作用下能產(chǎn)生一定的變形抵抗外力（）液體有一定的體積而無一定的形狀，分子間距（）液體有一定的體積而無一定的形狀，分子間距 分子直徑分子直徑就易變形性而言，液體與氣體屬于同類就易變形性而言，液體與氣體屬于同類 2022-3-2733流體質(zhì)點流體質(zhì)點流體中宏觀尺寸無窮小、而微觀尺寸無窮大的流體中宏觀尺寸無窮小、而微觀尺寸無窮大的 任一物理實體任一物理實體1.宏觀尺寸與所研究的整個流動空間

14、比無窮小，使得該質(zhì)點具宏觀尺寸與所研究的整個流動空間比無窮小，使得該質(zhì)點具有區(qū)別于其它質(zhì)點的物理參數(shù)。有區(qū)別于其它質(zhì)點的物理參數(shù)。兩層含義：流體質(zhì)點無線尺度，無熱運動，只在外力作用下作平移運動流體質(zhì)點無線尺度，無熱運動，只在外力作用下作平移運動2022-3-27342. 微觀尺寸與分子的直徑相比無窮大，從而包含足夠多的微觀尺寸與分子的直徑相比無窮大，從而包含足夠多的分子，能反映大量分子運動的統(tǒng)計平均值。分子，能反映大量分子運動的統(tǒng)計平均值。例：標(biāo)準(zhǔn)條件下10-9mm3的大氣約包含3107個氣體分子，也即1m的立方體中包含3107個氣體分子，其宏觀特性不會隨氣體分子的微觀瞬時特性的影響臨界體積

15、流體微團分子速度統(tǒng)計平均值 2022-3-2735連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：流體是由無數(shù)多個連續(xù)排列的相互之間沒有間流體是由無數(shù)多個連續(xù)排列的相互之間沒有間隙的流體質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)。即認為真實的流體和固體可以隙的流體質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)。即認為真實的流體和固體可以近似看作連續(xù)的，充滿全空間的介質(zhì)組成，物質(zhì)的宏觀性質(zhì)依近似看作連續(xù)的，充滿全空間的介質(zhì)組成，物質(zhì)的宏觀性質(zhì)依然受然受牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)的支配。而用一組偏微分方程來表達宏觀的支配。而用一組偏微分方程來表達宏觀物理量物理量（如質(zhì)量，速度，壓力等）。（如質(zhì)量，速度，壓力等）。兩層含義：兩層含義：),(tzyxBB 1. 流體的任一物理量流體

16、的任一物理量B都可以表示成空間坐標(biāo)都可以表示成空間坐標(biāo)x,y,z 和時間和時間t的函數(shù)的函數(shù)2. 物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù)物理學(xué)基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數(shù) 理論求解方程理論求解方程 注：稀薄氣體、激波等特殊問題函數(shù)可能不連續(xù)注：稀薄氣體、激波等特殊問題函數(shù)可能不連續(xù)2022-3-2736單位：單位：人為賦予的比較同類物理量大小的符號常用的單位：常用的單位：英制單位：英尺磅秒制 (f-p-s) 物理單位：厘米克秒制 (cm-g-s)工程單位：米千克力秒 （M-K-S）國際單位（SI）：1960 年11屆國際計量大會通過，7個基本單位，見表1-1

17、 2022-3-27372022-3-2738導(dǎo)出單位：導(dǎo)出單位：由基本單位導(dǎo)出的單位SI制中常用的工程流體力學(xué)單位見表1-22022-3-2739制冠詞：制冠詞：在主單位前加上詞冠，組成分單位或倍單位的符號，用以描述過大或者過小的量。表1-3列出了SI制的詞冠2022-3-27401. 流體密度流體密度密度的定義密度的定義：單位體積流體所具有的質(zhì)量，用符號來表示對于均質(zhì)均質(zhì)流體Vm1-2 密度反映了流體的慣性慣性大小，密度增大，慣性增大。0, , ,limVmdmx y z tVdV1-1 3/kg m單位：m,V分別為臨界體積內(nèi)流體的質(zhì)量和體積 2022-3-2741表1-5給出了常用流體

18、在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同溫度時的密度。 通常條件下密度與壓力及溫度相關(guān)0204060801009609709809901000kgm-3T/oC020406080100133501340013450135001355013600kgm-3T/oC2022-3-2742表1.6(a) 純水的密度2022-3-2743表1-6列出了標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下幾種常用流體的密度。 2022-3-27442. 流體的相對密度流體的相對密度流體的相對密度相對密度是指某種流體的密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4時水的密度的比值，用符號S來表示。ws1-3 w式中： 流體的密度，kg/m3； 4時水的密度，kg/m3。比重：比重：流體的重量

19、與與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4時水的重量的比值，在重力不變時與相對密度為同一概念2022-3-27453. 流體的比體積（比容）流體的比體積（比容）定義定義：流體密度的倒數(shù)，單位質(zhì)量流體占有的體積，用來表示11-4單位為：m3/kg4. 混合氣體的密度混合氣體的密度混合氣體的密度可以按照組分氣體占有的體積百分數(shù)來計算，即11221nnniii 1-5ii式中：為混合氣體中各組分氣體的密度，為混合氣體中各組分氣體所占的體積百分數(shù)2022-3-27465. 流體的容重流體的容重定義：定義：單位體積的流體受到的重力（地球引力）0limVGdGVdV單位：N/m3 對于均質(zhì)流體：GV容重與密度的關(guān)系：GmggVV

20、2022-3-2747213.6%CO20.4%SO24.2%O275.6%N26.2%H O【例1-1】已經(jīng)測得鍋爐煙氣各組分氣體的體積百分數(shù)分別為試求煙氣的密度231.98/COkg m232.93/SOkg m231.43/Okg m231.25/Nkg m230.804/H Okg m【解】 由表1-6 可查得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各組分氣體的密度結(jié)合已知的組分百分比，代入式1-5 得煙氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為： 31.98 0.1362.93 0.004 1.43 0.042 1.25 0.7560.804 0.0621.34(/)kg m2022-3-27481. 流體的壓縮性流體的壓縮性恒溫條件

21、下，流體的體積隨壓強升高而縮小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性壓縮性。 流體壓縮性衡量方式： （a）體積壓縮系數(shù)體積壓縮系數(shù) 表示當(dāng)溫度保持不變時，單位壓強增量引起 流體體積的相對變化率 P1PVp V 1-6 流體的體積壓縮系數(shù)，m2/N； 流體壓強的增加量，Pa； 原有流體的體積，m3； 流體體積的增加量，m3 式中： PpVV2022-3-2749由質(zhì)量守恒定律 0dmdVdVVddVdV得到 因此：11PVp Vp 1-6a 在(0.510)106Pa范圍，每增加1atm，其壓縮量僅為二萬分之一 。因此，對于液體液體通常認為是不可壓縮流體。 2022-3-2750對于氣體氣體，由恒溫狀態(tài)方程02

22、1111pPPVdmRTmRTp VV dppVpp 1-6b 氣體的體積壓縮系數(shù)與壓強成反比，隨著壓強的升高，氣體體積縮小，密度增大。但是存在一個臨界壓強臨界壓強，此時氣體不能繼續(xù)被壓縮。 （b）體積彈性模量體積彈性模量 體積壓縮系數(shù)的倒數(shù) PK1pppKVV 1-7 單位為：N/m2或Pa，Kp越大，流體越不容易被壓縮 水水 922 10 N/mpK 空氣空氣521.4 10 N/ mpK 2022-3-27512. 流體的膨脹性流體的膨脹性定壓條件下，流體的體積隨著溫度升高而增大的性質(zhì)稱為流體的熱膨脹性。 溫度膨脹系數(shù)溫度膨脹系數(shù) T單位溫升引起流體的體積變化率，即 /1TV VVTVT

23、1-8 單位為1/,或者1/K 對于液體，液體，由質(zhì)量守恒定律得1TT 1-8a 實驗指出，液體的體積膨脹系數(shù)很小。2022-3-2752水的溫度膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系如表1-8所示 對于氣體氣體，由等壓狀態(tài)方程0/11TTTV VdmRTmRTV dTppVT 1-8b 即氣體的溫度膨脹系數(shù)與溫度成反比 當(dāng)T=273K時溫度上升1度，體積膨脹了1/273蓋-呂薩克定律 01273.16ttVV1-8c 2022-3-2753【例1-2】體積為5m3的水，在溫度不變的條件下，壓強從9.8104Pa增加到4.9105Pa，體積減小110-3m3，求水的體積模量Kp 【解】 由式1-7得59234.

24、90.98101.96 10/1 105ppKN mV V 2022-3-27543.可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體和不可壓縮流體可壓縮流體：可壓縮流體：密度隨溫度和壓強變化的流體 壓縮性是流體的基本屬性。不可壓縮流體：不可壓縮流體：(a) 液體：液體：通?？醋魇遣豢蓧嚎s流體。不可壓縮流體。但是當(dāng)壓強變化較大時要考慮液體的壓縮性。例如，研究管道中水擊管道中水擊和水下爆炸水下爆炸時，水的壓強變化較大，而且變化過程非常迅速，這時水的密度變化就不可忽略，即要考慮水的壓縮性，把水當(dāng)作可壓縮流體來處理。0p0T2022-3-2755(b) 氣體：氣體： 通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為

25、常數(shù)，而是隨壓強和溫度的變化而變化的。 在流速不高，壓強變化不大的條件下，不考慮氣體的壓縮性。例如，在鍋爐尾部煙道和通風(fēng)管道中，氣體的流動；或當(dāng)氣體對物體流動的相對速度比聲速要小得多時，氣體的密度變化也很小，可以近似地看成是常數(shù)，也可當(dāng)作不可壓縮流體不可壓縮流體處理。2022-3-2756 液體保持了固體具有一定體積、難以壓縮的特點，卻在分子運動性液體保持了固體具有一定體積、難以壓縮的特點，卻在分子運動性 方面發(fā)生了巨大改變。分子在方面發(fā)生了巨大改變。分子在“球胞球胞”之間聚散無常，并且憑借之間聚散無常，并且憑借“空空 洞洞”，實現(xiàn)位置遷移。，實現(xiàn)位置遷移。1826年蘇格蘭植物學(xué)家布朗（年蘇格

26、蘭植物學(xué)家布朗（Robert Brown) 發(fā)現(xiàn)花粉粒子在水面上作隨機運動，就是液體分子遷移的證據(jù)。發(fā)現(xiàn)花粉粒子在水面上作隨機運動，就是液體分子遷移的證據(jù)。 氣體無一定形狀和體積。氣體無一定形狀和體積。 就就易變形性易變形性而言，液體與氣體屬于同類。而言，液體與氣體屬于同類。 流體的力學(xué)流體的力學(xué)定義：流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪定義：流體不能抵抗任何剪切力作用下的剪 切變形趨勢切變形趨勢 (體積保持不變體積保持不變)。1. 流體易變形性的基本特點：流體易變形性的基本特點：2022-3-2757 在受到剪切力持續(xù)作用時，固體的變形一般是微小的在受到剪切力持續(xù)作用時，固體的變形一般是微小的(

27、如金如金屬屬)或有限的或有限的 (如塑料如塑料)，但流體卻能產(chǎn)生很大的甚至無限大，但流體卻能產(chǎn)生很大的甚至無限大變形變形(力作用時間無限長力作用時間無限長)。2. 流體易變形性的宏觀力學(xué)特性表現(xiàn)：流體易變形性的宏觀力學(xué)特性表現(xiàn)：2022-3-2758 當(dāng)剪切力停止作用后，固體變形能恢復(fù)或部分恢復(fù)，流當(dāng)剪切力停止作用后，固體變形能恢復(fù)或部分恢復(fù)，流體則不作任何恢復(fù)。體則不作任何恢復(fù)。 2022-3-2759 固體內(nèi)的切應(yīng)力由剪切變形量固體內(nèi)的切應(yīng)力由剪切變形量(位移位移)決定，而流體決定，而流體內(nèi)的切應(yīng)力與變形量無關(guān)，由變形速度內(nèi)的切應(yīng)力與變形量無關(guān)，由變形速度(切變率切變率)決定。決定。 改變

28、均質(zhì)流體微團的排列次序，不影響它的宏觀物理性改變均質(zhì)流體微團的排列次序，不影響它的宏觀物理性質(zhì)；強行改變固體微粒的排列無疑將它徹底破壞質(zhì)；強行改變固體微粒的排列無疑將它徹底破壞 固體重量引起的壓強只沿重力方向傳遞，垂直于重力方固體重量引起的壓強只沿重力方向傳遞，垂直于重力方向的壓強一般很小或為零；流體平衡時壓強可等值地向各向的壓強一般很小或為零；流體平衡時壓強可等值地向各個方向傳遞，壓強可垂直作用于任何方位的平面上。個方向傳遞，壓強可垂直作用于任何方位的平面上。 2022-3-2760 固體表面之間的摩擦是滑動摩擦，摩擦力與固體表面狀況固體表面之間的摩擦是滑動摩擦，摩擦力與固體表面狀況有關(guān)；流

29、體與固體壁面可實現(xiàn)分子量級的接觸，達到壁面不有關(guān)；流體與固體壁面可實現(xiàn)分子量級的接觸，達到壁面不滑移?；啤?2022-3-2761 流體流動時，內(nèi)部可形成超乎想象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)流體流動時，內(nèi)部可形成超乎想象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如湍流如湍流);固體受力時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化相對簡單。固體受力時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化相對簡單。 2022-3-27621. 問題的引出問題的引出流體的粘性：流體的粘性：流體質(zhì)點運動發(fā)生相對滑移時產(chǎn)生切向阻力的流體質(zhì)點運動發(fā)生相對滑移時產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)或者流體抵抗剪切變形的一種屬性。性質(zhì)或者流體抵抗剪切變形的一種屬性?；蛟诩羟辛Φ淖饔孟庐a(chǎn)生或在剪切力的作用下產(chǎn)生連續(xù)不斷的變形連續(xù)不斷的變形以

30、抵抗外力的表現(xiàn)。以抵抗外力的表現(xiàn)。例：如圖例：如圖1-1 所示圓盤所示圓盤B通過金屬通過金屬絲懸掛在圓盤絲懸掛在圓盤A上面。上面。A盤和盤和B盤盤都沉浸在某種液體中，當(dāng)都沉浸在某種液體中，當(dāng)A盤開始盤開始轉(zhuǎn)動并保持一定的轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)動并保持一定的轉(zhuǎn)速后，B盤也盤也開始轉(zhuǎn)動并保持一定的角度。這種開始轉(zhuǎn)動并保持一定的角度。這種通過通過A盤驅(qū)使盤驅(qū)使B盤轉(zhuǎn)動的力稱為盤轉(zhuǎn)動的力稱為粘粘性內(nèi)摩擦力性內(nèi)摩擦力也稱為也稱為粘滯力粘滯力。2022-3-2763流體內(nèi)摩擦是兩層流體間分子流體內(nèi)摩擦是兩層流體間分子內(nèi)聚力內(nèi)聚力和和分子動量交換分子動量交換的宏觀表現(xiàn)。的宏觀表現(xiàn)。 當(dāng)兩層液體作相對運動時，緊靠的兩層液

31、體分子的平均距離加大，產(chǎn)生吸當(dāng)兩層液體作相對運動時，緊靠的兩層液體分子的平均距離加大，產(chǎn)生吸引力，這就是分子引力，這就是分子內(nèi)聚力內(nèi)聚力。 2022-3-2764牛頓實驗：牛頓實驗：平板間速度線性分布平板間速度線性分布u=f(y)2. 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓在牛頓在1686通過試驗給出了影響流體運動時粘性力的相關(guān)因素，稱為牛通過試驗給出了影響流體運動時粘性力的相關(guān)因素，稱為牛頓內(nèi)摩擦定律頓內(nèi)摩擦定律2022-3-2765與兩層流體間速度差成正比，和流層間距成反比與兩層流體間速度差成正比，和流層間距成反比與流層的接觸面積與流層的接觸面積A大小成正比大小成正比與流體的種類有關(guān)與流體的種類

32、有關(guān)與流體的壓力大小無關(guān)。與流體的壓力大小無關(guān)。由于各流體層間速度不同，將產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗相對運動，實驗證明由于各流體層間速度不同，將產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗相對運動，實驗證明:內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力具有以下性質(zhì)：具有以下性質(zhì)：UFAh與平板的特性無關(guān)與平板的特性無關(guān)2022-3-2766式中式中 F流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力，流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力，N； A流體層間的接觸面積，流體層間的接觸面積，m2； U兩平板間的速度差，兩平板間的速度差，m/s； h兩平板間距，兩平板間距，m 動力黏度，動力黏度，Pas, 與流體的性質(zhì)及溫度、壓力有關(guān)的比例系數(shù)與流體的性質(zhì)及溫度、壓力有關(guān)的比例系數(shù)引入引入動力黏度

33、系數(shù)動力黏度系數(shù)，將上式改寫為，將上式改寫為UFAh1-9 流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為流層間單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為切向應(yīng)力切向應(yīng)力，則，則FUAh1-10 2022-3-2767對于一般情況，如果流速不按對于一般情況，如果流速不按直線分布，如圖直線分布，如圖1-3所示，可任所示，可任取一厚度為取一厚度為dy的薄層，坐標(biāo)的薄層，坐標(biāo)y處的速度為處的速度為u，坐標(biāo)，坐標(biāo)y+dy處的處的流速為流速為u+du。則該薄層上下兩。則該薄層上下兩個面的速度梯度為個面的速度梯度為du/dy，則切，則切應(yīng)力為：應(yīng)力為：dudy1-11 牛頓切應(yīng)力公式牛頓切應(yīng)力公式的一般形式。的一般形式。2022-3-27

34、68式中各項意義：式中各項意義：n du/dy速度梯度（直角變形速率）速度梯度（直角變形速率）n 切應(yīng)力，具有大小和方向特征。對于兩個接觸的流層，作用于切應(yīng)力，具有大小和方向特征。對于兩個接觸的流層，作用于 不同流層上的切應(yīng)力必定是大小相等，方向相反不同流層上的切應(yīng)力必定是大小相等，方向相反意義：意義：當(dāng)當(dāng)速度梯度速度梯度等于零時，內(nèi)摩擦力也等于零。所以，當(dāng)流體處于靜止?fàn)畹扔诹銜r，內(nèi)摩擦力也等于零。所以，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)或以相同速度運動態(tài)或以相同速度運動(流層間沒有相對運動流層間沒有相對運動)時，內(nèi)摩擦力等于零，此時，內(nèi)摩擦力等于零，此時流體有黏性，流體的黏性作用也表現(xiàn)不出來。當(dāng)時流體有黏性

35、，流體的黏性作用也表現(xiàn)不出來。當(dāng)流體沒有黏性流體沒有黏性(=0)時，內(nèi)摩擦力等于零。時，內(nèi)摩擦力等于零。l 粘性切應(yīng)力由相鄰兩層流體之間的速度梯度決定粘性切應(yīng)力由相鄰兩層流體之間的速度梯度決定,而不是由速度決定而不是由速度決定l 粘性切應(yīng)力由流體元的切變率（角變形速率）決定，而不是由變形量粘性切應(yīng)力由流體元的切變率（角變形速率）決定，而不是由變形量決定決定2022-3-2769牛頓切應(yīng)力公式的牛頓切應(yīng)力公式的另一種形式另一種形式：圖圖1-2中，邊長中，邊長ab 經(jīng)過時間經(jīng)過時間dt 后運動到后運動到ab的位置，傾斜角度的位置，傾斜角度d = dudt/dy，即即du/dy=d /dt，所以：，

36、所以：dddt1-11a 注意與固體變形胡克定律的比較：注意與固體變形胡克定律的比較： = G2022-3-2770庫侖實驗：庫侖實驗： 把一薄圓板用細絲平吊在液體中，將圓板轉(zhuǎn)過一角度后放開，圓板作把一薄圓板用細絲平吊在液體中，將圓板轉(zhuǎn)過一角度后放開，圓板作往返擺動，逐漸衰減，直至停止，測量其衰減時間。用三種圓板往返擺動，逐漸衰減，直至停止，測量其衰減時間。用三種圓板 （a、普、普通板，通板，b、表面涂蠟，、表面涂蠟，c、表面膠一層細砂）做實驗。、表面膠一層細砂）做實驗。 三種圓板的三種圓板的衰減時間均相等衰減時間均相等。庫侖得出結(jié)論庫侖得出結(jié)論: 衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦衰減

37、的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦 ，而是液體內(nèi)部的摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦庫侖實驗間接地驗證了庫侖實驗間接地驗證了壁面不滑移假設(shè)壁面不滑移假設(shè)2022-3-27713. 流體的黏度流體的黏度（a）動力黏度動力黏度系數(shù)系數(shù)由式由式1-111-11得：得：du dy1-12 動力黏度系數(shù)動力黏度系數(shù)的物理意義是單位速度梯度下的切應(yīng)力的物理意義是單位速度梯度下的切應(yīng)力 2/N s mPa s 單位單位 或者或者不同的流體具有不同的不同的流體具有不同的值，它是取決于流體本身性質(zhì)的物性參數(shù)，值，它是取決于流體本身性質(zhì)的物性參數(shù)，是分子間引力和分子不規(guī)則熱運動產(chǎn)生的動量交換的結(jié)果，是分子間引力和分子不

38、規(guī)則熱運動產(chǎn)生的動量交換的結(jié)果， 值值越大越大，流體的粘性流體的粘性越強越強。2022-3-2772（b b）運動黏度系數(shù)運動黏度系數(shù)流體的動力黏度系數(shù)與密度的比值，稱為運動黏度系數(shù)，流體的動力黏度系數(shù)與密度的比值，稱為運動黏度系數(shù)，用用 表示表示 1-13 的單位為的單位為m2/s，工程單位為，工程單位為cm2/s斯托克斯，斯托克斯，st 意義：單位速度梯度作用下的切應(yīng)力對單位體積質(zhì)量的流體意義：單位速度梯度作用下的切應(yīng)力對單位體積質(zhì)量的流體作用所產(chǎn)生的作用所產(chǎn)生的阻力加速度阻力加速度2022-3-2773（c）影響流體粘性的因素影響流體粘性的因素：（1）溫度）溫度 氣體：氣體： 黏度隨溫度

39、升高而增大。黏度隨溫度升高而增大。構(gòu)成氣體黏性的主要因素是氣體分子構(gòu)成氣體黏性的主要因素是氣體分子作不規(guī)則熱運動時，在不同速度分子層間所進行的動量交換。溫度越作不規(guī)則熱運動時，在不同速度分子層間所進行的動量交換。溫度越高，氣體分子熱運動越強烈動量交換就越頻繁，氣體的黏性也就越大。高，氣體分子熱運動越強烈動量交換就越頻繁，氣體的黏性也就越大。 液體：液體： 黏度隨溫度升高而減小。黏度隨溫度升高而減小。分子間的吸引力是構(gòu)成液體黏性的主分子間的吸引力是構(gòu)成液體黏性的主要因素，溫度升高，分子間的吸引力減小，液體的黏性降低；要因素，溫度升高，分子間的吸引力減小，液體的黏性降低； （2）壓強）壓強 在通常

40、的壓強下，壓強對流體的黏性影響很小，可忽略不計。在在通常的壓強下，壓強對流體的黏性影響很小，可忽略不計。在高壓下，流體高壓下，流體(包括氣體和液體包括氣體和液體)的黏性隨壓強升高而增大。的黏性隨壓強升高而增大。 2022-3-27742022-3-2775（d）常見流體的黏度系數(shù)常見流體的黏度系數(shù) 水和空氣的黏度隨溫度的變化關(guān)系見表水和空氣的黏度隨溫度的變化關(guān)系見表1-9，表，表1-11是常見氣體愛是常見氣體愛標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下20時的物理參數(shù)，表時的物理參數(shù)，表1-12是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下常見液體的是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下常見液體的物理參數(shù)物理參數(shù)2022-3-27762022-3-27772022-3-2778（e）混合氣體的動力黏度）混合氣體的動力黏度121121niiiiniiiMM1-16 式中：式中： i 混合氣體中混合氣體中i組分氣體所占的體積百分數(shù)組分氣體所占的體積百分數(shù) Mi 混合