工程流體力學(xué)課件：流體的物理特性-

1.1流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容和方法1.2流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1.3流體的連續(xù)介質(zhì)模型1.4量綱和單位工程實(shí)例流體的物理特性流體的物理特性教學(xué)提示：理解流體的基本特性是應(yīng)用流體力學(xué)基本原理解決實(shí)際問(wèn)題所必需的。本章的重點(diǎn)是流體的粘性。教學(xué)要求：掌握流體黏度、理想流體、不可壓縮流體等基本概念。2.1流體的重度在物理學(xué)中，我們已經(jīng)熟悉了物質(zhì)的密度的概念，即單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。密度

的倒數(shù)定義為比容，或稱為比體積(specificvolume)，用符號(hào)

表示。即2.2流體的壓縮性和膨脹性2.2.1流體的壓縮性一個(gè)關(guān)于流體特性的重要問(wèn)題是，在一定的溫度下，流體的體積如何隨著壓強(qiáng)的變化而變化？定量描述流體壓縮性的物理量為流體的體積壓縮系數(shù)(coefficientofvolumecompressibility)。體積壓縮系數(shù)定義為在一定的溫度下，單位壓強(qiáng)增量所引起的流體體積變化率，即2.2.2流體的膨脹性2.2.3可壓縮流體和不可壓縮流體實(shí)際上，自然界中的所有流體都是可壓縮的，不管是氣體還是液體，但是有些情況下如果我們忽略了流體的壓縮性會(huì)對(duì)問(wèn)題的解決提供便利，或者不影響問(wèn)題求解的精度。因此，人們引入了不可壓縮流體這樣一個(gè)理想化的概念。所謂不可壓縮流體(incompressiblefluids)就是受壓體積不縮小，受熱體積不膨脹，即密度為常數(shù)的流體。反之，密度不為常數(shù)的流體成為可壓縮流體(Compressiblefluids)。液體的壓縮性很小，當(dāng)壓強(qiáng)和溫度變化時(shí)，液體的密度只發(fā)生微小的變化，因此通常認(rèn)為液體是不可壓縮流體。氣體的壓縮性很大。根據(jù)熱力學(xué)的知識(shí)我們知道，當(dāng)溫度不變時(shí)，完全氣體(與后面的理想氣體概念不同)的體積與壓強(qiáng)成反比，即壓強(qiáng)增加一倍，體積縮小一半；2.3流體的粘性2.3.1牛頓內(nèi)摩擦定律首先來(lái)分析一個(gè)實(shí)驗(yàn)，原理圖如圖2-1所示。兩個(gè)面積很大的平行平板間充滿某種流體，使下面的平板不動(dòng)，上面的平板以恒速U向右運(yùn)動(dòng)。觀察平板間流體的運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)，緊貼上平板的流體以同樣的速度U向右運(yùn)動(dòng)，緊貼下平板的流體則靜止不動(dòng)，兩板之間的流體沿著垂直速度U的方向自下向上逐漸增加。2.3.2粘度2.3.3牛頓流體和非牛頓流體并非所有的流體都滿足。實(shí)驗(yàn)表明，水、許多潤(rùn)滑油類以及低碳?xì)浠衔锖痛蠖鄶?shù)氣體都能很好地遵循牛頓內(nèi)摩擦定律。我們把遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體(Newtonianfluids)，不遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體(non-Newtonianfluids)。對(duì)于牛頓流體，當(dāng)溫度保持不變時(shí)，流體的粘度不變，即流體的內(nèi)摩擦力與速度梯度成線性關(guān)系，在

圖上是一條過(guò)原點(diǎn)，斜率為粘度

的直線，如圖2-2所示。對(duì)于非牛頓流體內(nèi)摩擦力與速度梯度成線性關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的直線關(guān)系，例如，像凝膠、牙膏之類的塑性流體，它們有一個(gè)保持不產(chǎn)生剪切變形的初始剪切應(yīng)力

，克服

之后內(nèi)摩擦力與速度梯度才成線性關(guān)系，如圖2-2所示。2.3.4粘性流體和理想流體自然界中的流體都是有粘性的，因此實(shí)際流體都是粘性流體(viscousorrealfluids)。但是正由于粘性的存在，給流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述和求解帶來(lái)很大的困難。因此，在有些情況下，我們可以先忽略流體的粘性，對(duì)流動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和求解，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，得到定性的規(guī)律性的結(jié)果，然后再考慮粘性的影響，利用實(shí)驗(yàn)等手段通過(guò)引入系數(shù)等形式對(duì)結(jié)果加以修正。另外，在一些速度梯度很小的場(chǎng)合，不考慮粘性對(duì)結(jié)果的精度影響很小，比如飛機(jī)飛行過(guò)程中，離機(jī)翼較遠(yuǎn)一些空氣中，空氣的粘性對(duì)飛行的影響很小，因此可以只在緊貼機(jī)翼的一薄層內(nèi)考慮粘性，在其