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1、第一章 流体静力学现在学习的是第1页，共36页一、流体的基本概念从流体力学的观点来看，所有物质可以划分为两类：流体（从流体力学的观点来看，所有物质可以划分为两类：流体（FluidFluid）和固体（和固体（SolidSolid）。）。固体和流体的区别：固体和流体的区别：分子运动：流体中分子之间的空隙比固体大，分子运动的范围也分子运动：流体中分子之间的空隙比固体大，分子运动的范围也比在固体中的大，以分子的移动与转动为其主要的运动形式；而比在固体中的大，以分子的移动与转动为其主要的运动形式；而固体中分子运动的主要形式是绕固定位置的振动。固体中分子运动的主要形式是绕固定位置的振动。受力分析：流体受任
2、何微小的剪力都会产生巨大的变形，即流动，受力分析：流体受任何微小的剪力都会产生巨大的变形，即流动，且不能受拉力；固体在拉力和剪力作用下，其变形较小，达到受且不能受拉力；固体在拉力和剪力作用下，其变形较小，达到受力平衡后会停止变形。力平衡后会停止变形。形状：固体总是有一定的开关，流体没有固定形状（相对）。形状：固体总是有一定的开关，流体没有固定形状（相对）。现在学习的是第2页，共36页一些像胶体、泥浆、沥青、铅这些固体或者类固体物质，只能短期内承受剪切一些像胶体、泥浆、沥青、铅这些固体或者类固体物质，只能短期内承受剪切作用，但是在长期作用下会逐渐变形而呈现一定的流体特性，不属于流体力学作用，但是
3、在长期作用下会逐渐变形而呈现一定的流体特性，不属于流体力学的范畴，而由一门专门的学科的范畴，而由一门专门的学科流变学进行研究。流变学进行研究。根据分子间距的不同，流体可以分为液体和气体根据分子间距的不同，流体可以分为液体和气体液体和气体的区别：液体和气体的区别：形状体积：在一定条件下，一定质量的液体有一定的体积，与盛形状体积：在一定条件下，一定质量的液体有一定的体积，与盛装流体的容器大小无关，但其形状由所盛装容器决定，但不能像装流体的容器大小无关，但其形状由所盛装容器决定，但不能像气体那样充满所能达到的全部空间，所以有自由面；气体没有自气体那样充满所能达到的全部空间，所以有自由面；气体没有自由
4、面，在密封状态下其形状由容器决定，但在常态下总是自由扩由面，在密封状态下其形状由容器决定，但在常态下总是自由扩散的。散的。液体和气体的交界面称为自由液面。液体和气体的交界面称为自由液面。SolidLiquidgas现在学习的是第3页，共36页分子间距：液体的分子间距大约等于其分子的平均直径；气分子间距：液体的分子间距大约等于其分子的平均直径；气体的分子间距约为分子平均直径的体的分子间距约为分子平均直径的1010倍。倍。气体和液体的分子大小并无明显差异，但气体所占的体积是气体和液体的分子大小并无明显差异，但气体所占的体积是同质量液体的同质量液体的103103倍。所以气体的分子间距与液体相比倍。所
5、以气体的分子间距与液体相比要大得多，分子间的引力非常微小，分子可以自由运要大得多，分子间的引力非常微小，分子可以自由运动，能够充满所能到达的全部空间；液体的分子距很动，能够充满所能到达的全部空间；液体的分子距很小，分子间的引力较大，分子间相互制约，分子可以小，分子间的引力较大，分子间相互制约，分子可以作无一定周期和频率的振动，在其他分子间移动，但作无一定周期和频率的振动，在其他分子间移动，但不能像气体分子那样自由移动，因此，液体的流动性不能像气体分子那样自由移动，因此，液体的流动性不如气体。不如气体。与液体相比气体更容易变形，因为气体分子比液体分子稀疏与液体相比气体更容易变形，因为气体分子比液
6、体分子稀疏得多。得多。现在学习的是第4页，共36页流体力流体力学研学研究的是典型的液体，如水、油、水究的是典型的液体，如水、油、水银银、汽油、汽油、酒精和典型的酒精和典型的气气体如空体如空气气、氦氦、氢氢、水蒸、水蒸气气。现在学习的是第5页，共36页在微小剪切力作用下会连续变形的物体在微小剪切力作用下会连续变形的物体 ，叫做流体。，叫做流体。流体的特性：流动性。流体的特性：流动性。流体是液体和气体的总称，是由大量的、不断地作热运流体是液体和气体的总称，是由大量的、不断地作热运动且无固定平衡位置的分子构成的。动且无固定平衡位置的分子构成的。流体几乎不能承受拉力，没有抵抗拉伸变形的能力。流体几乎不
7、能承受拉力，没有抵抗拉伸变形的能力。流体能承受压力，具有抵抗压缩变形的能力流体能承受压力，具有抵抗压缩变形的能力现在学习的是第6页，共36页2、连续介质假说流体力学是研究流体宏观运动规律的学科。流体力学是研究流体宏观运动规律的学科。流体分子的宏观尺寸非常小。而工程实际问题所涉及的装置流体分子的宏观尺寸非常小。而工程实际问题所涉及的装置系统，其尺寸与流体分子距离及分子运动的自由行程相比较，系统，其尺寸与流体分子距离及分子运动的自由行程相比较，则是非常大的。因此，流体力学研究的是大量分子的形态及则是非常大的。因此，流体力学研究的是大量分子的形态及平均统计的宏观性质。平均统计的宏观性质。若不考虑个别
8、分子，便可以把流体看成由无数质点组成的连若不考虑个别分子，便可以把流体看成由无数质点组成的连续介质。续介质。在流体力学中，不考虑流体内部的分子间隙与分子运动，在流体力学中，不考虑流体内部的分子间隙与分子运动，仅从宏观角度研究流体质点因受外力作用而引起的机械仅从宏观角度研究流体质点因受外力作用而引起的机械运动，可使复杂的问题大大简化。因此引出了连续介质运动，可使复杂的问题大大简化。因此引出了连续介质假说。假说。现在学习的是第7页，共36页2、连续介质假说 流体是由大量做无流体是由大量做无规则热运运动的分子的分子组成的，分子之成的，分子之间存存在空隙，但在在空隙，但在标准准状况状况下，下，1mm3
9、1mm3液体中含有液体中含有3.33.3 10191019个个左右的分子，相左右的分子，相邻分子分子间的距离的距离约为3.13.1 10-8cm10-8cm。1mm31mm3气气体中含有体中含有2.72.7 10161016个个左右的分子，相左右的分子，相邻分子分子间的距离的距离约为3.23.2 10-7cm 10-7cm 微微观：分子分子间存有空隙，在空存有空隙，在空间是不是不连续的；的；物理量空物理量空间分布不分布不连续;分子分子随随机机运运动，空，空间任意一点上，物理量任意一点上，物理量随随时 间的的变化也不化也不连续.宏宏观：一般工程中，所一般工程中，所研研究流体的空究流体的空间尺度要
10、比分子尺度要比分子 距离大得多。距离大得多。现在学习的是第8页，共36页流体质点：流体质点：质点是组成流体的最小单元；质点是组成流体的最小单元；流体质点不是分子，是由足够多分子组成的分子团，流体流体质点不是分子，是由足够多分子组成的分子团，流体质点的物理参数是其所包含分子的平均统计值；质点的物理参数是其所包含分子的平均统计值；流体质点的宏观尺寸充分小，微观尺寸足够大；流体质点的宏观尺寸充分小，微观尺寸足够大；流体质点没有固定形状，但质点与质点之间不存在间隙。流体质点没有固定形状，但质点与质点之间不存在间隙。连续介质假说：连续介质假说：流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连绵不断的流体是由无穷
11、多个、无穷小的、紧密毗邻、连绵不断的流体质点组成的绝无间隙的连续介质。流体质点组成的绝无间隙的连续介质。所以反映流体运动的各种物理量在流体中连续分布，可以看所以反映流体运动的各种物理量在流体中连续分布，可以看作是空间坐标和时间的连续函数。作是空间坐标和时间的连续函数。现在学习的是第9页，共36页二、流体的主要物理性质1 1、密度、密度单位体积的质量称为密度，用符号单位体积的质量称为密度，用符号来表示，来表示，单位：单位：kg/m3 kg/m3。均均质流体：流体：非均非均质流体：流体：液体的密度液体的密度随随压强和强和温温度度变化很小化很小气气体的密度体的密度随随压强和强和温温度而度而变化化 V
12、 V.MMz zx xy y流体密度是空流体密度是空间位置和位置和时间的函的函数数现在学习的是第10页，共36页常见流体的密度：常见流体的密度：水水1000 1000 kg/mkg/m3 3 空空气气1.23 1.23 kg/mkg/m3 3 水水银136000 136000 kg/mkg/m3 3质量是量是惯性大小的度量，性大小的度量，与与质量一量一样，密度也表示了流，密度也表示了流体的体的惯性特征，只性特征，只与与流体的流体的种种类有有关关，不，不随随地点地点变化。化。相相对密度是指物体密度是指物体质量量与与同体同体积的的44蒸蒸馏水的水的质量相比量相比之之值，为无量无量纲的的纯数数。现在
13、学习的是第11页，共36页2 2、重度、重度单位体积的流体重量称为重度，单位：单位体积的流体重量称为重度，单位：N/m3N/m3。质量相同的流体可能在不同地方有不同的重量。质量相同的流体可能在不同地方有不同的重量。重度与密度的关系。重度与密度的关系。现在学习的是第12页，共36页3 3、压缩性和膨胀性、压缩性和膨胀性流体与固体相比有较大的压缩性和膨胀性。流体与固体相比有较大的压缩性和膨胀性。流体的压缩性流体的压缩性在一定的温度下，流体的体积随压强增加而减小的性质在一定的温度下，流体的体积随压强增加而减小的性质称为流体的压缩性称为流体的压缩性流体的膨胀性流体的膨胀性在一定的压强下，流体的体积随温
14、度的升高而增大的性在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。质称为流体的膨胀性。现在学习的是第13页，共36页压缩系系数数 ：也叫体也叫体积压缩率，用率，用来来衡量衡量压缩性的大小，性的大小，它它表示增表示增加一加一个个单位位压力力时所引起的体所引起的体积相相对缩小量。小量。(m m2 2/N/N)为使使 恒恒为正正值，当当压力增加力增加时，体，体积减减小，小，帮帮在方程前冠以在方程前冠以“”号号，表示，表示压力和体力和体积的的变化方向相反。化方向相反。气气体体压缩性大于液体。性大于液体。现在学习的是第14页，共36页体积（弹性）模量：体积（弹性）模量：(N/mN/m
15、2 2 ，PaPa)K K 不易不易压缩。一般一般认为：液体是不可：液体是不可压缩的（在的（在 pp、TT、v v 变化不大的化不大的“静静态”情情况况下），即下），即 =常常数数 现在学习的是第15页，共36页体积体积(热热)膨胀系数膨胀系数:用来衡量膨胀性的大小，它表示增加一个用来衡量膨胀性的大小，它表示增加一个单位温度时所引起的体积相对增加量。单位温度时所引起的体积相对增加量。或者或者现在学习的是第16页，共36页不可压缩流体：指流体的每个质点在运动全过程中，密度不变化的流体。不可压均质流体：可压缩流体：流体密度随温度、压强变化不能忽略的流现在学习的是第17页，共36页工程上不可压缩流体
16、液体气体温度与压强压缩性、膨胀性影响小压缩性、膨胀性影响大满足理想气体状态方程现在学习的是第18页，共36页一般结论：一般结论：对液体而言，其压缩性，一般情况下不考虑，对液体而言，其压缩性，一般情况下不考虑，因此工程实际常把液体看作不可压缩的流体。因此工程实际常把液体看作不可压缩的流体。液体的膨胀性也很小，除温度变化大的场合，液体的膨胀性也很小，除温度变化大的场合，一般工程问题也不考虑。一般工程问题也不考虑。通常情况下，气体的密度随压力和温度的变通常情况下，气体的密度随压力和温度的变化很明显，对实际气体，不大于化很明显，对实际气体，不大于1010MPaMPa时，时，他们之间的关系遵守理想气体状
17、态方程。他们之间的关系遵守理想气体状态方程。现在学习的是第19页，共36页4 4、粘性、粘性库仑实验(1784)(1784)：库仑用液体用液体内内悬吊吊圆盘摆动实验证实流体存在流体存在内内摩摩擦。擦。现在学习的是第20页，共36页现在学习的是第21页，共36页牛顿平板实验：牛顿平板实验：当当h h和和u u不是很大时，两平板间沿不是很大时，两平板间沿y y方向的流速呈方向的流速呈线性分布，线性分布，x x v v。v v+dvdvv vy y dydy v v0 0F F定定义义：因发生相对运动的流体质点（或流层）之间所呈现的内摩擦力以抵抗剪切变形（相对运动）的物理特性。或发生相对运动时流体内
18、部呈现内摩擦力特性。说说明：明：流体的粘性就是阻止发生剪切变形的一种特性，而内摩擦力则是粘性的动力表现。现在学习的是第22页，共36页流体粘性所流体粘性所产生的生的两种两种效效应流体流体内内部各流体微部各流体微团之之间会会产生粘性力；生粘性力；(分子引力分子引力)流体流体将将粘附于粘附于它它所接所接触触的固体表面。的固体表面。（附着力）（附着力）现在学习的是第23页，共36页牛牛顿内内摩擦定律摩擦定律实验表明，表明，对于大多于大多数数流体，存在流体，存在引入比例系引入比例系数数，得：得：内内摩擦力：摩擦力：以切以切应力表示：力表示：与与流体的流体的种种类及其及其温温度有度有关关的比例常的比例常
19、数数；速度梯度（流体流速在其法速度梯度（流体流速在其法线方向上的方向上的变化率）。化率）。牛牛顿内内摩擦定律摩擦定律现在学习的是第24页，共36页现在学习的是第25页，共36页速度梯度的物理意义角变形速度（剪切变形速度）vdtvdt(v+dv)dtv+dv)dtdvdtdvdtdydyd d 流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于dv/dy正比于正压力，与速度无关现在学习的是第26页，共36页 粘性切粘性切应力力与与速度梯度成正比；速度梯度成正比；(2)(2)粘性切粘性切应力力与与角角变形速率成正比；形速率成正比；(3)(3)粘性是流体阻止粘性是流体阻止发生剪切生剪切变形和角形和角变形的一形的一
20、种种特性；特性；(4)4)当当速度分布速度分布为线性性时，各流，各流层间内内摩擦摩擦应力等于常力等于常数数；(5)5)当当流体流体处于于静静止或各部分之止或各部分之间相相对速度速度为零零时，流体，流体 的粘性就表象不出的粘性就表象不出来来，其，其内内摩擦力也就等于零。摩擦力也就等于零。牛牛顿内内摩擦定律表明摩擦定律表明：CDBAdbadydudt现在学习的是第27页，共36页粘性的度量粘性的度量 流体粘性大小的度量流体粘性大小的度量,由流体流由流体流动的的内内聚力和分子的聚力和分子的动量交量交换引起。引起。(1)(1)动力粘度力粘度(2)(2)运运动粘度粘度（3 3）相）相对粘度粘度-恩氏粘恩
21、氏粘度度(Pas Pas)现在学习的是第28页，共36页粘度的影粘度的影响响因素因素温温度度对流体粘度的影流体粘度的影响响很大很大液体：液体：液体：液体：分子分子分子分子内内聚力是聚力是产生粘度的主要因素。生粘度的主要因素。温温度度 分子分子间距距 分子吸引力分子吸引力 内内摩擦力摩擦力 粘度粘度气气气气体：体：体：体：分子分子热运运动引起的引起的动量交量交换是是产生粘度的主要因素。生粘度的主要因素。温温度度 分子分子热运运动 动量交量交换 内内摩擦力摩擦力 粘度粘度 压力力对流体粘度的影流体粘度的影响响不大，一般忽略不不大，一般忽略不计温度现在学习的是第29页，共36页粘性流体和理想流体粘性
22、流体和理想流体1.1.粘性流体粘性流体粘性流体粘性流体 具有粘性的流体（具有粘性的流体（0）。）。2.2.理想理想流体流体流体流体 忽略粘性的流体（忽略粘性的流体（=00）。）。一一种种理想的流体模型。理想的流体模型。现在学习的是第30页，共36页 5 5、表面、表面张力力 由分子的内聚力引起单位：N/m发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界接接触触角角概概念念:当液体与固体壁面接触时,在液体,固体壁面作液体表面的切面,此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度 称为接触角,当 为锐角时,液体润湿固体,当 为钝角时,液体不润湿固体PP0R液体气体水与玻璃的 =89 水银的 =13
23、8现在学习的是第31页，共36页6 6、毛、毛细现象象 液固接触液固间附着力大于液体的内聚力液固间附着力小于液体的内聚力凹上升凸下降 h h h h 水在玻璃管中上升高度 h=29.8/d(mm)水银在玻璃管中下降高度 h=10.5/d(mm现在学习的是第32页，共36页例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的=0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。现在学习的是第33页，共36页解：注意：面积、速度梯度的取法d dD DL L例：汽缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度L=14cm，活塞
24、往复运动的速度为1m/s，润滑油的=0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。现在学习的是第34页，共36页例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。现在学习的是第35页，共36页例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。解：注意：1.面积A的取法；2.单位统一h hn nr r1 1r r2 2得现在学习的是第36页，共36页