流體以及其物理性質

1、關于流體及其物理性質第一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章流體及其物理性質第一節(jié) 流體的定義及特征第二節(jié) 流體連續(xù)介質模型第三節(jié) 作用在流體上的力、表面力、 質量力第四節(jié) 流體的密度、相對密度和比容第五節(jié) 流體的壓縮性和膨脹性第六節(jié) 流體的粘性第七節(jié) 液體的表面性質第二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月流體 能夠流動的物質叫流體。 在任何微小的剪切力的作用下都能夠發(fā)生連續(xù)變形的物質稱為流體。第一節(jié) 流體的定義及特征受剪切力，固體變形小，流體變形大。改變均質流體微元排列，不影響宏觀物理性質；改變固體微元排列將徹底破壞它。固體表面之間的摩擦是滑動摩擦；流體與固體表面可實現(xiàn)分子

2、量級的接觸，達到表面不滑移。流體與固體區(qū)別第三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 流體連續(xù)介質模型提出流體連續(xù)介質模型的原因流體分子之間存在間隙，從微觀上看，流體是不連續(xù)的。在標準狀態(tài)下，1mm3氣體中約有2.7x1016個分子， 1mm3水中約有3.4x1019個分子，研究流體宏觀運動時，所取的最小流體微元是流體質點，它是體積無窮小而又包含大量分子的流體微團。第四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 流體連續(xù)介質模型將流體作為由無窮多稠密、沒有間隙的流體質點構成的連續(xù)介質，這就是1755年歐拉提出的“連續(xù)介質模型”。流體質點：連續(xù)介質模型包含足夠多的流體分子微團，宏

3、觀上流體微團的體積無窮小，包含的分子數(shù)無窮多。第五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月引入連續(xù)介質假設的意義： 流體看成連續(xù)介質，流體宏觀物理量是時間和空間的連續(xù)函數(shù)?？梢杂眠B續(xù)函數(shù)等數(shù)學解析方法、微積分方法，來研究流體平衡和運動狀態(tài)下有關物理參數(shù)之間的數(shù)量關系，解決流體力學問題。 續(xù)介質假設對于大多數(shù)流體是適用的，對于稀薄的氣體而言不適用。第六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 作用在流體上的力、表面力、質量力第七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月在流動的流體中任取一體積為V、表面積為A的流體作為分離體。在分離體表面的b點取一微小面積 ,作用在它上面的表面力為 ，

4、分解為沿法線方向的法向力 和沿切線方向的切向力 b點單位面積上的表面力:b點單位面積上的法向力和切向力分別是:二者又分別稱為法向應力和切向應力。一、表面力 作用在所取分離體表面上的力。第八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、質量力（體積力）：作用在全部流體質點上的力，其大小和流體的質量或體積成正比，故稱為質量力或體積力。 單位質量質量力：質量力的合力：重力場中：第九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 流體的密度 相對密度 比容 密度 ： ( ) 均勻流體比容（比體積） 密度的倒數(shù)相對密度 流體的密度（kg/m3 ）； 4時水的密度（kg/m3 ）。密度單位體流體所具有的

5、質量?；旌蠚怏w的密度：第十張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月例: 鍋爐煙氣各組分氣體所占體積的百分比分別為。CO213.6， SO2 0.4， O2 4.2， N2 75.6， H2O 6.2，試求煙氣的密度。（表2-1 常用流體密度）第十一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月重度流體單位體積內所具有的重量稱為重度?；蚍Q為容重、重率。對于均質流體，設其體積為V，重量為G，對于非均質流體，重度為：第十二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié) 流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性 在一定的溫度下，單位壓強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。 壓

6、縮系數(shù)定義式： 體積模量 體積模量值越大，流體越不容易壓縮。 注意負號第十三張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月水的體積模量 GPa水的體積模量很大不容易壓縮。工程計算中常近似地取水的K2.0 GPa。第十四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月水在不同溫度下的膨脹系數(shù) 1/溫度低于50時，水的體脹系數(shù)隨著壓強的增高而增大；當溫度高于50時，隨著壓強的增高而減小。流體的膨脹性 壓強一定時，流體溫度變化引起體積改變的性質稱為流體的膨脹性，大小用溫度膨脹系數(shù)表示。 膨脹性系數(shù) 第十五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 可壓縮流體和不可壓縮流體通常將氣體視為可壓縮流體，液體視為不可

7、壓縮流體。水的壓縮性比較小，通常每增加0.1MPa，其體積變化率不到1/10000。氣體的壓縮性比較大，pvnRT。水下爆炸：水也要時為可壓縮流體；當氣體流速比較低時也可以視為不可壓縮流體。 例：求水在等溫狀態(tài)下，將體積縮到51000時所需要的壓強增量。解：由體積模量計算公式：第十六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 流體內摩擦阻力大小與速度v成正比，與接觸面A成正比，與兩板之間的距離h成反比。牛頓內摩擦定律，又稱牛頓切向應力公式：粘性流體內摩擦實驗示意圖粘性流體速度分布示意圖流體的粘性：流體流動時產生內摩擦力的性質程為流體的黏性。第六節(jié) 流體的粘性第十七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2

8、022年6月 粘性切應力與速度梯度成正比； 與角變形速率成正比；牛頓內摩擦定律單位面積上的切向阻力稱為切向應力，用表示：流體微小平面的 變形第十八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月流體與固壁實現(xiàn)分子量級的粘附作用。分子內聚力使粘附在固壁上的流體質點與固壁一起運動。 壁面無滑移稱為壁面無滑移條件。第十九張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月流體粘度動力粘度 （coefficient of dynamic viscosity） ： 物理意義：速度梯度為1時，單位面積上的摩擦力的大小 國際單位：牛頓秒/米2，Pas 物理單位：1泊（1P）=0.1 Pas 1厘泊（1cP）=0.01P=0

9、.001 Pas國際單位：m2/s 物理單位：1斯（1St）=1cm2/s=10-4m2/s； 1厘斯（1cSt）=10-4cm2/s=10-6m2/s運動粘度系數(shù) v（coefficient of kinematic viscosity）第二十張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月A 說明：溫度對氣體和液體粘性的影響氣體產生粘性的主要原因：分子不規(guī)則熱運動的動量交換所形成的粘性阻力。 液體產生粘性的主要原因：分子間的引力所形成的粘性阻力。壓力的變化對氣體和液體粘性的影響氣體粘度與壓力無關。壓力增加時，液體分子間距縮小，粘性增大。不同流體的動力粘度第二十一張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于202

10、2年6月常溫常壓下水的動力粘度是空氣的55.4倍常溫常壓下空氣的運動粘度是水的15倍水空氣水空氣動力粘度中含有力的量綱；運動粘度則只有運動量綱，無力的量綱。僅用運動粘度不能表征流體粘滯力（粘性）的大小。 第二十二張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月粘性流體和理想流體實際流體具有粘性的流體。0；能量損失0 理想流體 沒有粘性的流體。0；能量損失0 粘性是真實流體發(fā)生機械能量損失的根源。 引入理想流體的意義： 對于粘性不大的實際流體（如：氣體）是適用的； 實際流體問題的分析都是依賴于理想流體的研究結果導出的； 在某些流體力學問題中，粘性不發(fā)揮作用，如：均勻流動、靜止流體等。第二十三張，PPT

11、共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月牛頓流體和非牛頓流體 A-牛頓流體: 剪應力和變形速率滿足線性關系。圖中所示。 非牛頓流體：剪切應力和變形速率之間不滿足線性關系的流體。-理想塑性流體，在產生變形前有一屈服應力（牙膏）。-擬塑性流體，黏度隨變形增大而減小（粘土漿）。-漲塑性流體，黏度隨變形增大而增大。 第二十四張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月例題如圖所示，轉軸直徑=0.36m，軸承長度=1m，軸與軸承之間的縫隙0.2mm，其中充滿動力粘度0.72 Pa.s的油，如果軸的轉速200rpm(每分鐘轉數(shù))，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。 第二十五張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月解

12、：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：設油層在縫隙內的速度分布為直線分布，即 則軸表面上總的切向力 為：克服摩擦所消耗的功率為：第二十六張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第七節(jié) 液體的表面性質一、表面張力液體分子間吸引力的作用范圍稱為“影響球”，半徑是-倍分子距，一般在10-8-10-6cm。厚度小于“影響球”半徑的液面下的薄層稱為表面層。表面層內所有的液體分子均受到向下的吸引力，從而把表面層緊緊的拉向液體內部。定義：使液體表面處于拉伸狀態(tài)的力為表面張力 表征：表面張力系數(shù)單位長度上的表面張力，單位是。 表面張力產生的位置：液、氣接觸的自由表面 液、固接觸的表面 第二十七張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、毛細現(xiàn)象內聚力小于黏附力，液體將附著、濕潤固體壁面；內聚力大于黏附力，液體抱成一團，不會潤濕固體壁面。毛細現(xiàn)象毛細管中液面上升或下降的現(xiàn)象。內聚力：內聚力液體分子之間吸引力。黏附力：液體與固體分子之間吸引力。毛細管中液面的上升和下降現(xiàn)象第二十八張，PPT共三十一頁，創(chuàng)作于2022年6月i 例：水在毛細管中的上升情況: 為液面與壁面的接觸角 為液體重度 D 為毛細管內徑 為表面張力 管壁圓周上總表面張力在垂直方向上的分力為： ， 上升液柱重： 毛細管內液柱上升高度為： 。 D h 圖1-3 毛細管升高 第二十