《工程流體力學(xué)》課件-第1章 流體的性質(zhì)（4學(xué)時）

第1章流體的性質(zhì)學(xué)習(xí)要求：1.掌握連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)，密度、比容、飽和蒸汽壓力、壓縮率等概念；2.掌握流體黏性、黏度的概念及計算，掌握牛頓內(nèi)摩擦定律的建立，牛頓體和非牛頓體的定義和計算公式，理想流體的模型；3.了解表面張力的產(chǎn)生和計算方法，毛細管現(xiàn)象；4.掌握質(zhì)量力、表面力定義和其物理意義。5.了解工程流體力學(xué)的發(fā)展史，工程流體力學(xué)的學(xué)習(xí)方法。本章作業(yè)：1-7,1-9,1-11課程安排：

理論4學(xué)時。1.1流體的基本概念1.2密度、比容和蒸汽壓力1.4流體的粘性1.3流體的壓縮性1.5液體的表面張力1.6作用在流體上的力1.7學(xué)習(xí)導(dǎo)論第1章流體的性質(zhì)1.什么是流體？

流體指可以流動的物質(zhì)，包括氣體和液體。與固體相比，流體分子間的引力較小，分子運動劇烈，分子排列松散，這就決定了流體不能保持一定的形狀，具有較大的流動性。2.研究流體力學(xué)的內(nèi)容和方法研究內(nèi)容：（1）流體在靜止和運動時所遵循的基本規(guī)律。（2）流體與固體間的相互作用。1.1

流體的基本概念第1章流體的性質(zhì)

研究方法：

（1）理論方法：根據(jù)物理模型和物理定律建立描述流體運動規(guī)律的封閉方程組及相應(yīng)的初始條件和邊界條件，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法準確或近似地求解流場，揭示運動規(guī)律。

（2）實驗方法：應(yīng)用模型實驗理論，設(shè)計實驗裝置直接觀測流動現(xiàn)象，測量流體的流動參數(shù)并加以分析和處理，然后從中得到流動規(guī)律。3.連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)工程流體力學(xué)的主要任務(wù)是研究流體的宏觀運動規(guī)律。因此認為流體充滿一個空間時不留任何空隙，即把流體看作是連續(xù)介質(zhì)。有了流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)后，就可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)來解決流體力學(xué)模型問題。1.1

流體的基本概念1.2密度、比容、飽和蒸汽壓力

非勻質(zhì)流體：某一點的密度表示為

第1章流體的性質(zhì)

完全氣體（perfectgas）：氣體分子只有質(zhì)量沒有體積，分子之間完全沒有作用力的氣體。所有遠離液體狀態(tài)的常用氣體在很大的常用溫度和壓力范圍內(nèi)，十分接近完全氣體。完全氣體滿足氣體狀態(tài)方程式(equationofstate)，即

1.2密度、比容、飽和蒸汽壓力3.飽和蒸汽壓力

當液體某處的壓力低于飽和蒸汽壓力時，液體將發(fā)生汽化。1.2密度、比容、飽和蒸汽壓力

液體的汽化是指液體由液態(tài)轉(zhuǎn)化為汽態(tài)的過程。液體的汽化與溫度、壓力有一定的關(guān)系。在一定壓力下，溫度升高到一定數(shù)值時，液體會開始汽化，或在一定溫度下，壓力降低到一定數(shù)值時，液體也會汽化。1.3流體的壓縮性

第1章流體的性質(zhì)

通常將液體看成是不可壓縮的流體或非壓縮性流體時，其誤差非常小。但是，當液體的壓力的變化迅猛且大時，如水錘作用，此時，液體的壓縮性必須考慮的。

1.3流體的壓縮性

1.什么是流體的黏性和黏性力1.4流體的黏性

流體所具有的阻礙流體流動，即阻礙流體質(zhì)點間相對運動的性質(zhì)稱為黏滯性，簡稱黏性。

對液體來講，黏性主要是由液體分子之間的引力引起的；

對氣體來講，黏性是由氣體分子的熱運動引起的。

當流體中存在層與層之間的相對運動時，快層對慢層施加一個拖動力使它加速，同時慢層對快層也施加一個阻力，拖動力和阻力構(gòu)成一對作用力和反作用力，這就是黏性的表現(xiàn)。這一對大小相等方向相反的力稱為流體的內(nèi)摩擦力或黏性力，如圖1-2所示。第1章流體的性質(zhì)1.什么是流體的黏性和黏性力1.4流體的黏性

流體所具有的阻礙流體流動，即阻礙流體質(zhì)點間相對運動的性質(zhì)稱為黏滯性，簡稱黏性。

對液體來講，黏性主要是由液體分子之間的引力引起的；

對氣體來講，黏性是由氣體分子的熱運動引起的。

當流體中存在層與層之間的相對運動時，快層對慢層施加一個拖動力使它加速，同時慢層對快層也施加一個阻力，拖動力和阻力構(gòu)成一對作用力和反作用力，這就是黏性的表現(xiàn)。這一對大小相等方向相反的力稱為流體的內(nèi)摩擦力或黏性力，如圖1-2所示。第1章流體的性質(zhì)

（1-10）牛頓內(nèi)摩擦定律（1-9）注意區(qū)分式（1-9）和式（1-10）的模型1.4流體的黏性2.牛頓內(nèi)摩擦定律

（1-10）牛頓內(nèi)摩擦定律（1-9）注意區(qū)分式（1-9）和式（1-10）的模型1.4流體的黏性2.牛頓內(nèi)摩擦定律

式（1-10）稱為牛頓黏性定律，也稱為牛頓內(nèi)摩擦定律。滿足此公式的流體也稱為牛頓流體1.4流體的黏性

牛頓內(nèi)摩擦定律適用：（1）符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱牛頓體，不適合為非牛頓體；（2）靜止液體，速度梯度為0，所以沒有粘性切應(yīng)力；（3）粘性力的大小與速度梯度有關(guān)，與壓力關(guān)系不大；（4）牛頓內(nèi)摩擦定律只適應(yīng)層流，不適用于紊流。因紊流除了有粘性力外，還存在復(fù)雜的紊流附加力。3.黏度和黏度的單位

1.4流體的黏性

工程中還常用動力黏度和流體密度的比值來表示黏度，稱為流體的運動黏度。

因單位中只有長度和時間量綱，故稱運動黏度。流體的黏性受壓力和溫度的影響。（1）壓力影響——在通常壓力下，壓力對流體的黏性影響很??；在高壓下，流體（包括液體和氣體）的黏性隨壓力的升高而增大。3.影響?zhàn)ば缘囊蛩?.4流體的黏性（2）溫度的影響——黏性受溫度的影響很大。溫度升高，液體分子間的吸引力減少，液體的黏性降低；氣體分子的熱運動越強烈，動量交換就越頻繁，氣體的黏性也就越大。如圖1-4所示。1.4流體的黏性1.4流體的黏性

4.非牛頓流體（1）塑性流體

粘土泥漿、瀝青、含蠟原油、潤滑脂等常屬于塑形流體。1.4流體的黏性（2）假塑性流體

假塑性流體的流變方程以“冪定律”形式表示，即

高分子溶液、油漆、紙漿液、乳化液屬于假塑性流體。1.4流體的黏性（3）脹流型流體

淀粉水，沙子的水混合物屬于脹流型流體

非牛頓流體在化工、輕工、食品等工業(yè)中常見，是流變學(xué)的研究對象。本書只討論牛頓流體。1.4流體的黏性5.理想流體

1.4流體的黏性1.5液體的表面張力

第1章流體的性質(zhì)

一般表面張力隨溫度變化，溫度升高，表面張力減小。液體表面張力與表面接觸的流體種類有關(guān)，表1-6給出了各種液體的表面張力。

1.液滴球面壓差與表面張力

1.5液體的表面張力

表面張力是很小的，在一般情況下可以忽略不計，但在水滴和氣泡的形成、液體的霧化、以及氣液兩相的傳熱與傳質(zhì)研究中，將是不可忽略的重要因素。2.接觸角

液體分子間的吸引力稱為內(nèi)聚力。

液體與固體分子間的吸引力稱為附著力。

1.5液體的表面張力

3.毛細管液面平均高度的計算

1.5液體的表面張力

這個壓力差給管內(nèi)液體提供一個向上的力（附著力），即

此力與被拉高部分的液柱重力相平衡，即

1.5液體的表面張力

1.5液體的表面張力

1.6作用在流體上的力

第1章流體的性質(zhì)2.表面力

表面力是作用于所研究的流體表面上，并與作用面的面積成正比。表面力是由和流體相接觸的其它流體或物體作用在分界面上的力，屬于接觸力，如大氣壓力。。

表面力不僅指作用在流體外表面上的力—外力，也包括作用在流體內(nèi)任意兩部分流體接觸面上的力—內(nèi)力。在流體力學(xué)中，常從流體中隔離出一部分流體作為研究對象，這時作用在隔離體表面上的力就是外力，盡管這些力是流體內(nèi)部的相互作用力，我們?nèi)詫⑵浞Q為表面力。

1.6作用在流體上的力

1.6作用在流體上的力

同理，剪切力的合力表示為

1.6作用在流體上的力1.7工程流體力學(xué)學(xué)習(xí)導(dǎo)論1．流體力學(xué)的發(fā)展概況（1）中國的經(jīng)驗流體力學(xué)，治水。（2）公元前250阿基米德浮力定律（3）1643年，托里拆利（E.Torricelli）論證了孔口出流的基本規(guī)律。（4）1650年帕斯卡（B.Pascal)提出了液體中壓力傳遞原理—帕斯卡原理。（5）1686年牛頓建立了流體內(nèi)摩擦定律。奠定黏性流體力學(xué)理論基礎(chǔ)。（6）1738年伯努利（D.Bernoulli）推導(dǎo)出了流體位置勢能、壓力勢能和動能之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系—伯努利方程。第1章流體的性質(zhì)（7）1755年歐拉（L.Euler）建立理想流體的運動微分方程。（8）納維爾(C.L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）建立黏性流體運動微分方程。

（9）雷諾（O.Reynolds)1853年用實驗證實了黏性流體的兩種流動狀態(tài)—層流和紊流的客觀存在。（10）普朗特（L.Prandtl)1904年發(fā)表了《關(guān)于摩擦極小的流體運動》的學(xué)術(shù)論文，建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制。這一理論也是現(xiàn)代流體力學(xué)的起點。（11）儒科夫斯基從1906年起，發(fā)表了《論依附渦流》等論文，找到了翼型升力和繞翼型的環(huán)流之間的關(guān)系，建立了二維升力理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1.7工程流體力學(xué)學(xué)習(xí)導(dǎo)論（12）卡門(Kamen)在1911~1912年連續(xù)發(fā)表的論文中，提出了分析帶旋渦尾流及其所產(chǎn)生的阻力的理論。（13）布拉休斯（H.Blasius）在1913年發(fā)表的論文中，提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式。尼古拉茲(J.Nikuradze)在1933年發(fā)表的論文中，公布了他對砂粒粗糙管內(nèi)水流阻力系數(shù)的實測結(jié)果—尼古拉茲曲線，據(jù)此他還給紊流光滑管和紊流粗糙管的理論公式選定了應(yīng)有系數(shù)。

（14）科勒布茹克（C.F.Colebrook)在1939年發(fā)表的論文中，提出了把紊流光滑管區(qū)和紊流粗糙管區(qū)聯(lián)系在一起的過渡區(qū)阻力系數(shù)計算公式。（15）莫迪(L.F.Moody）在1944年發(fā)表的論文中，給出了他繪制的實用管道的當量糙粒阻力系數(shù)圖—莫迪圖。1.7工程流體力學(xué)學(xué)習(xí)導(dǎo)論2．流體力學(xué)的應(yīng)用1.7工程流體力學(xué)學(xué)習(xí)導(dǎo)論

流體及流體力學(xué)現(xiàn)象充斥在我們生活的各個方面，如云彩的漂浮、鳥的飛翔、水的流動、說話和聲音等普遍存在于我們?nèi)粘Ｉ钪?；管道?nèi)液體流動、風(fēng)道內(nèi)氣體的流動、空氣阻力和升力、建筑物上風(fēng)力的作用；石油通過地質(zhì)結(jié)構(gòu)的運動、射流、潤滑、燃燒等都是存在于生活及生產(chǎn)各個方面。3．工程流體力學(xué)的學(xué)習(xí)方法

工程流體力學(xué)包括很