第一章 流體及其物理性質(zhì)

1、1第一章流體及其物理性質(zhì)教學(xué)目的：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：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：教學(xué)內(nèi)容：1.流體的概念；流體的概念；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。2第一節(jié) 流體的概念一、流體的特征一、流體的特征流動(dòng)性流動(dòng)性能夠流動(dòng)的物質(zhì)稱為能夠流

2、動(dòng)的物質(zhì)稱為流體流體。流動(dòng)性是流體的主要特。流動(dòng)性是流體的主要特征。征。流體可分為流體可分為液體和氣體。液體和氣體。GnGG流體的定義流體的定義 流體是一種受任何微小的剪切力作用時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生連續(xù)流體是一種受任何微小的剪切力作用時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變形的物質(zhì)。變形的物質(zhì)。 流動(dòng)性是流體的主要特征。流動(dòng)性是流體的主要特征。 3第一節(jié) 流體的概念一、流體的特征一、流體的特征流動(dòng)性流動(dòng)性 流體流體在靜止時(shí)不能在靜止時(shí)不能承受承受剪切力，抵抗剪切變形。剪切力，抵抗剪切變形。 流體流體只有在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只有在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下下，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)之間有，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，才能才能抵抗抵抗剪切變形。剪切變形

3、。 只要有剪切力的作只要有剪切力的作用，流體就不會(huì)靜用，流體就不會(huì)靜止下來，發(fā)生連續(xù)止下來，發(fā)生連續(xù)變形而流動(dòng)。變形而流動(dòng)。 作用在流體上的剪切力不論作用在流體上的剪切力不論多么微小，只要有足夠的時(shí)多么微小，只要有足夠的時(shí)間，便能產(chǎn)生任意大的變形。間，便能產(chǎn)生任意大的變形。 運(yùn)動(dòng)流體抵抗剪切變形的能力（產(chǎn)生剪切應(yīng)力的大?。w現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)流體抵抗剪切變形的能力（產(chǎn)生剪切應(yīng)力的大小）體現(xiàn)在變形的速率上，而不是變形的大?。ㄅc彈性體的不同之處）。變形的速率上，而不是變形的大小（與彈性體的不同之處）。4第一節(jié) 流體的概念二、連續(xù)介質(zhì)假說二、連續(xù)介質(zhì)假說個(gè)分子個(gè)分子16107.2 1mm3空氣空氣( 1個(gè)大氣

4、壓，個(gè)大氣壓，00C) 流體質(zhì)點(diǎn)概述流體質(zhì)點(diǎn)概述 流體微團(tuán)必須具備的兩個(gè)條件流體微團(tuán)必須具備的兩個(gè)條件微觀上足夠大，必須包含足微觀上足夠大，必須包含足夠多的分子；夠多的分子；宏觀上足夠小，體積必須很宏觀上足夠小，體積必須很小。小。5第一節(jié) 流體的概念二、連續(xù)介質(zhì)假說二、連續(xù)介質(zhì)假說連續(xù)介質(zhì)假設(shè)將流體區(qū)域看成由流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)組成，占滿空連續(xù)介質(zhì)假設(shè)將流體區(qū)域看成由流體質(zhì)點(diǎn)連續(xù)組成，占滿空間而沒有間隙，其物理特性和運(yùn)動(dòng)要素在空間是連續(xù)分布的。間而沒有間隙，其物理特性和運(yùn)動(dòng)要素在空間是連續(xù)分布的。從而從而使微觀運(yùn)動(dòng)的不均勻性、離散性、無規(guī)律性與宏觀運(yùn)動(dòng)使微觀運(yùn)動(dòng)的不均勻性、離散性、無規(guī)律性與宏觀運(yùn)動(dòng)的

5、均勻性、連續(xù)性、規(guī)律性達(dá)到了和諧的統(tǒng)一。的均勻性、連續(xù)性、規(guī)律性達(dá)到了和諧的統(tǒng)一。6第二節(jié)流體的密度和重度第二節(jié)流體的密度和重度一、流體的密度一、流體的密度單位體積的流體所包含的質(zhì)量稱為密度，用單位體積的流體所包含的質(zhì)量稱為密度，用表示。表示。 v 常壓常溫下，空氣的密度大約是水的常壓常溫下，空氣的密度大約是水的 1/800v 一般取汞密度為水密度的一般取汞密度為水密度的13.6倍倍30d/dlimVmmkg mVV3kg/m1000水v 1大氣壓，大氣壓，40C 1大氣壓，大氣壓，200C3/20. 1mkg空氣7第二節(jié)流體的密度和重度第二節(jié)流體的密度和重度二、流體的重度二、流體的重度單位體

6、積的流體所的受的重力，用單位體積的流體所的受的重力，用表示。表示。 3/gN m8第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性一、流體的壓縮性一、流體的壓縮性流體受壓體積減小的性質(zhì)稱為壓縮性。流體受壓體積減小的性質(zhì)稱為壓縮性。VV-Vpp+p壓縮系數(shù)壓縮系數(shù)pVVpVVpdd1d/d21 d1 d/ddpVmNVpp 21d/dppEN m彈性模數(shù)彈性模數(shù)9第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性二、流體的膨脹性二、流體的膨脹性流體受溫度影響體積變化的性質(zhì)。流體受溫度影響體積變化的性質(zhì)。VV+VTT+T膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)）（K/1dd1d/dTVVTVVt10第三節(jié)流體的壓縮

7、性與膨脹性第三節(jié)流體的壓縮性與膨脹性EpVVVppVVVpVVp1dd1211212396211010210)26(5 . 0EpVVV 例例11厚壁容器中盛有厚壁容器中盛有0.5 m3的水，初始?jí)毫榈乃?，初始?jí)毫?106 Pa。當(dāng)壓力增至。當(dāng)壓力增至6106 Pa時(shí)，問水的時(shí)，問水的體積減少體積減少了多少了多少?解解取水的彈性模數(shù)取水的彈性模數(shù)E2109 Pa，體積減少量為體積減少量為 (m3) 11第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性一、粘性及其表現(xiàn)一、粘性及其表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)存在內(nèi)摩擦力的特性（有抵抗剪切變運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)存在內(nèi)摩擦力的特性（有抵抗剪切變形的能力），這就是粘滯性。形的能力），這就

8、是粘滯性。形成牛頓形成牛頓內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力物理機(jī)理物理機(jī)理 分子間的吸引力分子間的吸引力 分子熱運(yùn)動(dòng)引起流分子熱運(yùn)動(dòng)引起流體層間的動(dòng)量交換體層間的動(dòng)量交換液體液體以此以此為主為主氣體氣體以此以此為主為主12第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性二、牛頓內(nèi)摩擦定律二、牛頓內(nèi)摩擦定律hUAF(N/m2) nn hUhUAFTF，13第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性二、牛頓內(nèi)摩擦定律二、牛頓內(nèi)摩擦定律dtdtdtytuyutandddd14第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性三、粘性的度量動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度三、粘性的度量動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度()/Pa sdu dy動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度2(/ )ms運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度粘

9、性受溫度影響明顯。粘性受溫度影響明顯。15第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性三、粘性的度量恩氏粘度三、粘性的度量恩氏粘度E = t/t0 =(0.0732E - 0.0631E)10-4 (m2/s)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)17第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性例例12相距為相距為h=10 mm的兩固定平板間充滿動(dòng)力粘度的兩固定平板間充滿動(dòng)力粘度=1.49 Pas的甘油，若兩板

10、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)，則則(1) 若上板的面積若上板的面積A=0.2 m2，求使上板固定不動(dòng)所需的水平，求使上板固定不動(dòng)所需的水平作用力作用力F；(2) 求求y=h/3和和2h/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(hào)的意義。并說明正負(fù)號(hào)的意義。 解解 ：(1)=du/dy=4000(h-2y) 設(shè)上板處流體所受的內(nèi)摩擦應(yīng)設(shè)上板處流體所受的內(nèi)摩擦應(yīng)力為力為0，則上板所受的內(nèi)摩擦應(yīng)力，則上板所受的內(nèi)摩擦應(yīng)力0= -0，F(xiàn) = -A0 = -0.240001.49(0.01-20.01) = 11.92 (N) (方向方向如圖示如圖示)

11、18第四節(jié)流體的粘性第四節(jié)流體的粘性例例12相距為相距為h=10 mm的兩固定平板間充滿動(dòng)力粘度的兩固定平板間充滿動(dòng)力粘度=1.49 Pas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)，則，則(1) 若上板的面積若上板的面積A=0.2 m2，求使上板固定不動(dòng)所需的水平作，求使上板固定不動(dòng)所需的水平作用力用力F；(2) 求求y=h/3和和2h/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(hào)的意義。并說明正負(fù)號(hào)的意義。 解解 ： (2) y =h/3時(shí)，時(shí)，=40001.49(0.01-20.013) = 19.9(N/m2) y = 2/3 h時(shí)，時(shí)，

12、=4 0001.49(0.01-40.013) = -19.9 (N/m2)y =h/3y = 2/3xy19例例13流量為流量為 ，溫度為，溫度為 的水流入熱水鍋爐，經(jīng)的水流入熱水鍋爐，經(jīng)加熱后水溫升到加熱后水溫升到 ，水的膨脹系數(shù)為，水的膨脹系數(shù)為0.00064 ，求從鍋爐，求從鍋爐流出的水流量。流出的水流量。解：解：/hm503所以所以C70C901CTqqTVVtVV11/hm64. 03Vq所以所以/hm64.503VVVqqq從鍋爐流出的水流量從鍋爐流出的水流量/hm64.50320例例14油箱內(nèi)裝滿石油，箱內(nèi)壓強(qiáng)為油箱內(nèi)裝滿石油，箱內(nèi)壓強(qiáng)為49000Pa，油的密度，油的密度為為890 。假設(shè)油箱在排出。假設(shè)油箱在排出40 石油后，壓強(qiáng)降為石油后，壓強(qiáng)降為9800Pa。已知石油的體積彈性模量為已知石油的體積彈性模量為1.32GPa，求油箱的體積。，求油箱的體積。kg解：解：狀態(tài)一狀態(tài)一Vp311mkg/890Pa49000狀態(tài)二狀態(tài)二Vp322kg/m Pa9800+22,kg40pVm3kg/m 因?yàn)橐阎獜椥阅Ａ?，所以把上述過程看作是由狀態(tài)二變換成狀態(tài)一因?yàn)橐阎獜椥阅Ａ?，所以把?/p>