空氣動(dòng)力學(xué)流體性質(zhì)

空氣動(dòng)力學(xué)流體性質(zhì)第一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一第二章流體性質(zhì)流體的定義和特征流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)作用在流體上的力流體的密度流體的壓縮性和膨脹性流體的粘性第二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一常溫，常壓下物質(zhì)三種聚集形態(tài)固態(tài)固體液態(tài)液體氣態(tài)氣體§1.1流體的定義和特征流體固體：具有一定的形狀，不宜變形流體：無一定形狀，易變形，且具有一定的流動(dòng)性第三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一能流動(dòng)的物質(zhì)稱為流體流動(dòng)？

運(yùn)動(dòng)變形固體也可以？固體與流體變形的區(qū)別？第四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一有無固定的體積？能否形成

自由表面？是否容易

被壓縮？流體氣體無否易液體有能不易呈現(xiàn)流動(dòng)性？

流體固體流體最主要的物理特性第五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.1流體的定義和特征剛體：質(zhì)點(diǎn)間距離受外力時(shí)不變彈性體：質(zhì)點(diǎn)間距離受外力時(shí)發(fā)生有限改變外力去掉后恢復(fù)原狀塑性體：質(zhì)點(diǎn)間距離受外力時(shí)發(fā)生有限改變外力去掉后不恢復(fù)原狀流體：在任何微小剪切力作用下都能連續(xù)變形外力不變，變形繼續(xù)外力消失，變形停止第六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.1流體的定義和特征流體的力學(xué)定義：流體是一種受到任何微小剪切力作用時(shí)都能連續(xù)變形的物質(zhì)。流體液體：氣體分子間距離小，吸引力大。分子無規(guī)則振動(dòng)，移動(dòng)。不能自由移動(dòng)。分子間距離大，吸引力小。分子自由運(yùn)動(dòng)，極易變形。充滿整個(gè)空間。第七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一沙塵暴算不算流體？第八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一流體由分子組成，分子做隨即的熱運(yùn)動(dòng)，分子間有比分子尺度大的多得距離。在某一時(shí)刻分子離散地，不連續(xù)地分布于流體所占有的空間，并隨著時(shí)間不斷變化。流體力學(xué)是研究流體的宏觀性質(zhì)的，研究對(duì)象不直接使這些物質(zhì)粒子本身，而是從這些物質(zhì)抽象出來的一種模型。這種物質(zhì)模型就是連續(xù)介質(zhì)?！?.2流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)第九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.2流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：物質(zhì)連續(xù)地?zé)o間隙的分布于物質(zhì)所占有的空間，流涕宏觀物理量是空間點(diǎn)及時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。即：將本來不連續(xù)的流體看成是由沒有間隙的流體微團(tuán)（質(zhì)點(diǎn)）構(gòu)成的。

目的：在連續(xù)性介質(zhì)假設(shè)之下，流體的各種參數(shù)都可以看成空間和時(shí)間的單值連續(xù)函數(shù)?？梢詰?yīng)用高等數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)來描述流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.2流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）定義：包含足夠多流體分子的流體微團(tuán)，其內(nèi)分子的各物理量的統(tǒng)計(jì)平均值代表了該流體在這一位置的宏觀屬性。第十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一個(gè)分子

1mm3空氣(1個(gè)大氣壓，00C)宏觀（流體力學(xué)處理問題的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)足夠小，只占據(jù)一個(gè)空間幾何點(diǎn)，體積趨于零。微觀（分子自由程的尺度）上看，流體質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)足夠大的分子團(tuán)，包含了足夠多的流體分子，以致于對(duì)這些分子行為的統(tǒng)計(jì)平均值將是穩(wěn)定的，作為表征流體物理特性和運(yùn)動(dòng)要素的物理量定義在流體質(zhì)點(diǎn)上。流體質(zhì)點(diǎn)概念第十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.2流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)……第十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.2流體作為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)注意：當(dāng)流體流動(dòng)所涉及到的物體的尺寸能夠和分子的平均自由行程和分子間的距離相比擬時(shí)，流體的連續(xù)介質(zhì)模型不再適用。平均自由程l隨高度的變化曲線第十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一

思考：考慮空氣中一顆沙礫的運(yùn)動(dòng)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是否成立？稀薄氣體的分子自由程是幾米的數(shù)量級(jí)，人造衛(wèi)星在飛離大氣層進(jìn)入稀薄氣體層時(shí)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)是否成立？第十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.3作用在流體上的力一、表面力

作用在所取分離體表面上的力。通常指分離體以外的其他物體通過分離體的表面作用在分離體上的力。第十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.3.1表面力xyz應(yīng)力第十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.3.2作用在流體上的力二、質(zhì)量力

某種力場(chǎng)作用在流體的全部質(zhì)點(diǎn)上的力，是與流體的質(zhì)量成正比的力。第十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.3.2質(zhì)量力xyz重力慣性力離心力電磁力……第十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.3.2質(zhì)量力作用在單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力：作用在單位質(zhì)量流體上質(zhì)量力沿坐標(biāo)軸分量第二十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度一、流體的密度流體單位體積內(nèi)所具有的質(zhì)量。表征流體在空間某點(diǎn)的密集程度該點(diǎn)處的密度單位：kg/m3第二十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度第二十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下第二十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度二、流體的相對(duì)密度

ρf：流體的密度（kg/m3)

ρw：4oC時(shí)水的密度（kg/m3)第二十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度三、流體的比容單位質(zhì)量流體所占有的體積單位:m3/kg第二十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度四、混合氣體的密度

--混合氣體中各組分氣體的密度--混合氣體中各組分氣體所占的體積百分比第二十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.4流體的密度例題：空氣中主要成分是氮?dú)夂脱鯕?，按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算氮占78．08％，氧占20．95％，試估算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度。（1.29kg/m3）第二十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5流體的壓縮性和膨脹性一、流體的壓縮性和膨脹性

隨著壓強(qiáng)的增高，體積便縮?。浑S著溫度的升高，體積便膨脹。第二十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5.1流體的壓縮性和膨脹性壓縮系數(shù):

是在一定溫度下單位壓強(qiáng)增量引起的體積變化率。單位：m2/Nk大，體積變化率大，較易壓縮k小，體積變化率小，較難壓縮第二十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5.1流體的壓縮性和膨脹性體積模量壓縮系數(shù)的倒數(shù)。

單位：PaK大，壓縮性??；K小，壓縮性大第三十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5.1流體的壓縮性和膨脹性體積模量

第三十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一思考：對(duì)理想氣體，等溫過程和絕熱過程的體積模量分別等于多少？第三十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5.1流體的壓縮性和膨脹性體脹系數(shù)

在一定壓強(qiáng)下單位溫升引起的體積變化率。單位：1／K，1／℃第三十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5.1流體的壓縮性和膨脹性體脹系數(shù)

第三十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1-5.1流體的壓縮性和膨脹性K液體：K很大氣體：K隨氣體狀態(tài)變化的不同而不同等溫壓縮：K＝p理想絕熱過程K＝γp第三十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.5.1流體的壓縮性和膨脹性二、可壓縮流體和不可壓縮流體

所有流體都是可以壓縮的，但可壓縮程度不同。

液體：一般不可壓縮氣體一般可壓縮低速時(shí)可作為不可壓縮處理第三十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6流體的粘性一、流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律流體流動(dòng)時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)滑移產(chǎn)生切向阻力的性質(zhì)，稱為流體的粘性。第三十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6流體的粘性一、流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律第三十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一流體的粘性：流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)程為流體的黏性。流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（I.Newton,1687）提出。流體的粘性把一塊薄圓板用細(xì)金屬絲平吊在液體中，將圓板繞中心轉(zhuǎn)過一角度后放開，靠金屬絲的扭轉(zhuǎn)作用，圓板開始往返擺動(dòng)，由于液體的粘性作用，圓板擺動(dòng)幅度逐漸衰減，直至靜止。分別測(cè)量了普通板、涂臘板和細(xì)沙板，三種圓板的衰減時(shí)間。第三十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一三種圓板的衰減時(shí)間均相等。衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦，而是液體內(nèi)部的摩擦。第四十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一流體粘性成因

流體內(nèi)摩擦是兩層流體間分子間吸引力和分子動(dòng)量交換的宏觀表現(xiàn)。

當(dāng)兩層液體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩層液體分子的平均距離加大，吸引力隨之增大，這就是分子間吸引力。

第四十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一流體粘性的成因

氣體分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)范圍大，流層之間的分子交換頻繁。

兩層之間的分子動(dòng)量交換表現(xiàn)為力的作用，稱為表觀切應(yīng)力。氣體內(nèi)摩擦力即以表觀切應(yīng)力為主。一般認(rèn)為：液體粘性主要取決于分子間的引力，氣體的黏性主要取決于分子的熱運(yùn)動(dòng)。第四十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)驗(yàn)證明:流體的動(dòng)力粘度,取決于種類、溫度、和壓強(qiáng)Pa·s(N·s/m2)第四十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律單位面積上的切向阻力稱為切向應(yīng)力速度梯度:垂直于流速方向上單位長(zhǎng)度的速度增量,即:流速在其法線方向上的變化律單位:Pa第四十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律一般情況下流體的速度并不按直線變化牛頓內(nèi)摩擦定律第四十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律作用在流層上的切向應(yīng)力和速度梯度成正比，比例系數(shù)為流體的動(dòng)力粘度。大,切向應(yīng)力大,能量損失大小τ小粘性表現(xiàn)不出來靜止流體以相同的速度流動(dòng)第四十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律速度梯度可以理解為流體質(zhì)點(diǎn)的角變形速度流體切應(yīng)力正比于角變形速度。第四十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一

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(rùn)滑而引起的阻力與速度梯度成正比”。

上式稱為牛頓粘性定律，它表明：⑴粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；⑵比例系數(shù)稱動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱粘度。第四十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一粘性切應(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.粘性切應(yīng)力由流體元的角變形速率決定，而不是由變形量決定.流體粘性只能影響流動(dòng)的快慢，卻不能停止流動(dòng)。兩層流體相對(duì)靜止時(shí)，流體不存在內(nèi)摩擦力。牛頓粘性定律指出：?jiǎn)挝幻娣e上的切應(yīng)力第四十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一粘度（粘性系數(shù)）μ的全稱為動(dòng)力粘度,根據(jù)牛頓粘性定律可得.

粘度的單位在SI制中是帕秒（Pa·s),

工程中常常用到運(yùn)動(dòng)粘度一般僅隨溫度變化，液體溫度升高粘度減小，氣體溫度升高粘度升高。第五十頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一運(yùn)動(dòng)粘度：動(dòng)力粘度與密度的比值。單位：m2/s動(dòng)力粘度可以代表流體粘性的大小運(yùn)動(dòng)粘度則不能第五十一頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性第五十二頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一常溫常壓下水的粘度是空氣的55.4倍常溫常壓下空氣的運(yùn)動(dòng)粘度是水的15倍水空氣水空氣第五十三頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律影響粘度的因素：流體種類:油>水>氣不一定溫度升高時(shí)氣體的熱運(yùn)動(dòng)加劇，故氣體的粘性增大。

溫度：溫度升高時(shí)分子距離增大,液體分子間的引力減小，故液體的粘性減小液體:氣體:普通的壓強(qiáng)對(duì)流體粘度幾乎沒有影響。高壓作用下，液體和氣體的粘度均隨壓強(qiáng)的升高而增大。第五十四頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6.1流體的粘性，牛頓內(nèi)摩擦定律減少粘性力的場(chǎng)合

一般的流動(dòng)問題：管道流動(dòng)，魚雷應(yīng)用粘性力的場(chǎng)合油膜轉(zhuǎn)差離合器第五十五頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6流體的粘性二、流體粘度的測(cè)量管流法落球法旋轉(zhuǎn)法泄流法恩格勒法第五十六頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6流體的粘性恩格勒法第五十七頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6流體的粘性三、牛頓流體和非牛頓流體A:牛頓流體B:理想塑性體(牙膏)C:擬塑性體(紙漿)D:脹流型流體(油墨)第五十八頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一§1.6流體的粘性三、粘性流體和理想流體不具有粘性的流體稱為理想流體原因粘性作用表現(xiàn)不出來的場(chǎng)合。直接求解粘性流體的精確解很困難。先不計(jì)粘性，得到的解用修正系數(shù)修正；對(duì)粘性為主要影響因素的問題，按由簡(jiǎn)到繁的原則，先研究理想流體流動(dòng)。第五十九頁，共六十五頁，編輯于2023年，星期一例題如圖所示，轉(zhuǎn)軸直徑=0.36m，軸承長(zhǎng)度=1m，軸與軸承之間的縫隙＝0.2mm，其中充滿動(dòng)力粘度＝0.72Pa.s的油，如果軸的轉(zhuǎn)速200rpm，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。

第六十頁，共六十