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1、关于流体及其物理性质第1页，此课件共31页哦第二章流体及其物理性质第二章流体及其物理性质第一节第一节第一节第一节 流体的定义及特征流体的定义及特征流体的定义及特征流体的定义及特征第二节第二节 流体连续介质模型流体连续介质模型第三节第三节第三节第三节 作用在流体上的力、表面力、作用在流体上的力、表面力、作用在流体上的力、表面力、作用在流体上的力、表面力、质量力质量力质量力质量力第四节第四节 流体的密度、相对密度和比容流体的密度、相对密度和比容第五节第五节第五节第五节 流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性第六节第六节 流体的粘性流体的粘性第七节第七节 液
2、体的表面性质液体的表面性质第2页，此课件共31页哦流体 能够流动的物质叫流体。在任何微小的剪切力的作用下都能够发生连续变形的物质称为流体。第一节 流体的定义及特征v受剪切力，固体变形小，流体变形大。受剪切力，固体变形小，流体变形大。v改改变变均均质质流流体体微微元元排排列列，不不影影响响宏宏观观物物理理性性质质；改改变变固固体体微微元元排排列将彻底破坏它。列将彻底破坏它。v固固体体表表面面之之间间的的摩摩擦擦是是滑滑动动摩摩擦擦；流流体体与与固固体体表表面面可可实实现现分分子子量级的接触，达到表面不滑移。量级的接触，达到表面不滑移。流体与固体区别流体与固体区别第3页，此课件共31页哦第二节 流
3、体连续介质模型提出流体连续介质模型的原因提出流体连续介质模型的原因流体分子之间存在间隙，从微观上看，流体是不连续的。流体分子之间存在间隙，从微观上看，流体是不连续的。在标准状态下，在标准状态下，1mm3气体中约有气体中约有2.7x1016个分子，个分子，1mm3水中约有水中约有3.4x1019个分子，个分子，研研究究流流体体宏宏观观运运动动时时，所所取取的的最最小小流流体体微微元元是是流流体体质质点点，它它是是体体积积无无穷小而又包含大量分子的流体微团。穷小而又包含大量分子的流体微团。第4页，此课件共31页哦第二节 流体连续介质模型将将流流体体作作为为由由无无穷穷多多稠稠密密、没没有有间间隙隙
4、的的流流体体质质点点构构成成的的连连续续介介质质，这这就就是是17551755年年欧欧拉拉提提出出的的“连连续续介介质质模型模型”。流体质点流体质点：连续介质模型连续介质模型包包含含足足够够多多的的流流体体分分子子微微团团，宏宏观观上上流流体体微微团团的体积无穷小，包含的分子数无穷多。的体积无穷小，包含的分子数无穷多。第5页，此课件共31页哦v引入连续介质假设的意义：引入连续介质假设的意义：流流体体看看成成连连续续介介质质，流流体体宏宏观观物物理理量量是是时时间间和和空空间间的的连连续续函函数数。可可以以用用连连续续函函数数等等数数学学解解析析方方法法、微微积积分分方方法法，来来研研究究流流体
5、体平平衡衡和和运运动状态下有关物理参数之间的数量关系，解决流体力学问题。动状态下有关物理参数之间的数量关系，解决流体力学问题。v续续介介质质假假设设对对于于大大多多数数流流体体是是适适用用的的，对对于于稀稀薄薄的的气气体体而而言不适用。言不适用。第6页，此课件共31页哦第三节 作用在流体上的力、表面力、质量力第7页，此课件共31页哦在流动的流体中任取一体积为在流动的流体中任取一体积为V、表面积为、表面积为A的流体作为分离体。在分的流体作为分离体。在分离体表面的离体表面的b点取一微小面积点取一微小面积 ,作用在它上面的表面力为作用在它上面的表面力为 ，分解为沿法线方向的法向力分解为沿法线方向的法
6、向力 和沿切线方向的切向力和沿切线方向的切向力 b b点单位面积上的表面力点单位面积上的表面力:b b点单位面积上的法向力和切向力分别是点单位面积上的法向力和切向力分别是:二者又分别称为法向应力和切向应力。二者又分别称为法向应力和切向应力。v一、表面力一、表面力 作用在所取分离体表面上的力。作用在所取分离体表面上的力。第8页，此课件共31页哦二、质量力（体积力）：二、质量力（体积力）：作作用用在在全全部部流流体体质质点点上上的的力力，其其大大小小和和流流体体的的质质量量或或体体积积成正比，故称为质量力或体积力。成正比，故称为质量力或体积力。单位质量质量力：单位质量质量力：质量力的合力质量力的合
7、力：重力场中：重力场中：第9页，此课件共31页哦第四节 流体的密度 相对密度 比容 密度密度 ：()()均匀流体均匀流体比容（比体积）比容（比体积）密度的倒数密度的倒数相对密度相对密度 流体的密度（流体的密度（kg/m3）；）；4时水的密度（时水的密度（kg/m3）。）。密度密度单位体流体所具有的质量。单位体流体所具有的质量。混合气体的密度：第10页，此课件共31页哦例例:锅炉烟气各组分气体所占体积的百分比分别为。锅炉烟气各组分气体所占体积的百分比分别为。COCO2 213.6，SOSO2 2 0.4，O O2 2 4.2，N N2 2 75.6，H H2 2O O 6.2，试，试求烟气的密度
8、。（表求烟气的密度。（表2-1 常用流体密度）常用流体密度）第11页，此课件共31页哦重度重度v流体单位体积内所具有的重量称为重度。或称为容重、重率。流体单位体积内所具有的重量称为重度。或称为容重、重率。v对于均质流体，设其体积为对于均质流体，设其体积为V，重量为，重量为G，v对于非均质流体，重度为：对于非均质流体，重度为：第12页，此课件共31页哦第五节 流体的压缩性和膨胀性u流体的压缩性流体的压缩性 在一定的温度下，单位压强增量引起的体积变化率定义为流体的在一定的温度下，单位压强增量引起的体积变化率定义为流体的压缩性系数压缩性系数，其值越大，流体越容易压缩。，其值越大，流体越容易压缩。压缩
9、系数压缩系数定义式：定义式：体积模量体积模量 体积模量体积模量值越大，流体越不容易压缩。值越大，流体越不容易压缩。注意负号注意负号第13页，此课件共31页哦水的体积模量水的体积模量 G GPaPa水水的的体体积积模模量量很很大大不不容容易易压压缩缩。工工程程计计算算中中常常近近似似地地取取水水的的K K2.0 GPa2.0 GPa。第14页，此课件共31页哦水在不同温度下的膨胀系数水在不同温度下的膨胀系数 1/1/温温度度低低于于5050时时，水水的的体体胀胀系系数数随随着着压压强强的的增增高高而而增增大大；当当温温度高于度高于5050时，随着压强的增高而减小。时，随着压强的增高而减小。v流体
10、的膨胀性流体的膨胀性 压强一定时，流体温度变化引起体积改变的性质称为压强一定时，流体温度变化引起体积改变的性质称为流体的膨胀性，大小用温度膨胀系数表示。流体的膨胀性，大小用温度膨胀系数表示。膨胀性系数膨胀性系数 第15页，此课件共31页哦v 可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体通常将气体视为可压缩流体，液体视为不可压缩流体。通常将气体视为可压缩流体，液体视为不可压缩流体。水水的的压压缩缩性性比比较较小小，通通常常每每增增加加0.1MPa0.1MPa，其其体体积积变变化化率率不不到到1/10000。气体的压缩性比较大，。气体的压缩性比较大，pvpvnRTnRT。水水下下爆爆炸炸：水水
11、也也要要时时为为可可压压缩缩流流体体；当当气气体体流流速速比比较较低低时时也也可可以以视视为不可压缩流体。为不可压缩流体。例：求水在等温状态下，将体积缩到例：求水在等温状态下，将体积缩到5 510001000时所需要的压时所需要的压强增量。强增量。解：由体积模量计算公式：解：由体积模量计算公式：第16页，此课件共31页哦 流体内摩擦阻力大小与速度流体内摩擦阻力大小与速度v成正比，与接成正比，与接触面触面A成正比，与两板之间的距离成正比，与两板之间的距离h成反比。成反比。牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律，又称牛顿切向应力公式：，又称牛顿切向应力公式：粘性流体内摩擦实验示意图粘性流体速度分布示意图流体
12、的粘性：流体的粘性：流体流动时产生内摩擦力的性质程为流体的黏性。流体流动时产生内摩擦力的性质程为流体的黏性。第六节 流体的粘性第17页，此课件共31页哦 粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正比；与角变形速率成正比；与角变形速率成正比；牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律v单位面积上的切向阻力称为切向应力，用表示：流体微小平面的 变形第18页，此课件共31页哦流体与固壁实现分子量级流体与固壁实现分子量级的粘附作用。分子内聚力的粘附作用。分子内聚力使粘附在固壁上的流体质使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动。点与固壁一起运动。壁面无滑移壁面无滑移称为称为壁面无滑移条件壁面无滑移条件。第19
13、页，此课件共31页哦流体粘度流体粘度v动力粘度动力粘度（coefficient of dynamic viscosity）：物理意义：速度梯度为物理意义：速度梯度为1时，单位面积上的摩擦力的大小时，单位面积上的摩擦力的大小 国际单位：国际单位：牛顿牛顿秒秒/米米2，Pas 物理单位：物理单位：1泊（泊（1P）=0.1 Pas 1厘泊（厘泊（1cP）=0.01P=0.001 Pas国际单位：国际单位：m2/s 物理单位：物理单位：1斯（斯（1St）=1cm2/s=10-4m2/s；1厘斯（厘斯（1cSt）=10-4cm2/s=10-6m2/sv运动粘度系数运动粘度系数 v（coefficient
14、 of kinematic viscosity）第20页，此课件共31页哦A 说明：说明：v温度对气体和液体粘性的影响温度对气体和液体粘性的影响气气体体产产生生粘粘性性的的主主要要原原因因：分分子子不不规规则则热热运运动的动量交换所形成的粘性阻力。动的动量交换所形成的粘性阻力。液液体体产产生生粘粘性性的的主主要要原原因因：分分子子间间的的引引力力所形成的粘性阻力。所形成的粘性阻力。v压力的变化对气体和液体粘性的影响压力的变化对气体和液体粘性的影响气气体体粘粘度度与与压压力力无无关关。压压力力增增加加时时，液液体体分分子子间间距缩小，粘性增大。距缩小，粘性增大。不同流体的动力粘度第21页，此课件
15、共31页哦v常温常压下水的动力粘度是空气的常温常压下水的动力粘度是空气的55.455.4倍倍v常温常压下空气的运动粘度是水的常温常压下空气的运动粘度是水的15倍倍水水空气空气水水空气空气v动动力力粘粘度度中中含含有有力力的的量量纲纲；运运动动粘粘度度则则只只有有运运动动量量纲纲，无无力力的的量量纲纲。仅仅用用运运动动粘粘度度不不能能表表征征流流体体粘粘滞滞力力（粘粘性性）的大小。的大小。第22页，此课件共31页哦粘性流体和理想流体粘性流体和理想流体v实际流体实际流体具有粘性的流体。具有粘性的流体。0 0；能量损失；能量损失0 0 v理想流体理想流体 没有粘性的流体。没有粘性的流体。0；能量损失
16、；能量损失0 粘性是真实流体发生机械能量损失的根源。粘性是真实流体发生机械能量损失的根源。引入理想流体的意义：引入理想流体的意义：1.对于粘性不大的实际流体（如：气体）是适用的；对于粘性不大的实际流体（如：气体）是适用的；2.实际流体问题的分析都是依赖于理想流体的研究结果导出的；实际流体问题的分析都是依赖于理想流体的研究结果导出的；3.在某些流体力学问题中，粘性不发挥作用，如：均匀流动、静止流在某些流体力学问题中，粘性不发挥作用，如：均匀流动、静止流体等。体等。第23页，此课件共31页哦牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体和非牛顿流体 A-A-A-A-牛牛牛牛顿顿顿顿流流流流体体体体:剪剪剪剪应应应应
17、力力力力和和和和变变变变形形形形速速速速率率率率满满满满足足足足线线线线性性性性关系。图中所示。关系。图中所示。关系。图中所示。关系。图中所示。非非非非牛牛牛牛顿顿顿顿流流流流体体体体：剪剪剪剪切切切切应应应应力力力力和和和和变变变变形形形形速速速速率率率率之之之之间间间间不满足线性关系的流体。不满足线性关系的流体。不满足线性关系的流体。不满足线性关系的流体。-理想塑性流体理想塑性流体理想塑性流体理想塑性流体，在产生变形前有一屈服应力（牙膏）。，在产生变形前有一屈服应力（牙膏）。，在产生变形前有一屈服应力（牙膏）。，在产生变形前有一屈服应力（牙膏）。-拟塑性流体拟塑性流体拟塑性流体拟塑性流体，
18、黏度随变形增大而减小（粘土浆）。，黏度随变形增大而减小（粘土浆）。，黏度随变形增大而减小（粘土浆）。，黏度随变形增大而减小（粘土浆）。-涨塑性流体涨塑性流体涨塑性流体涨塑性流体，黏度随变形增大而增大。，黏度随变形增大而增大。，黏度随变形增大而增大。，黏度随变形增大而增大。第24页，此课件共31页哦例题例题v如如图图所所示示，转转轴轴直直径径=0.36m=0.36m，轴轴承承长长度度=1m=1m，轴轴与与轴轴承承之之间间的的缝缝隙隙0.2mm0.2mm，其其中中充充满满动动力力粘粘度度0.72 0.72 Pa.sPa.s的的油油，如如果果轴轴的的转转速速200rpm(200rpm(每每分分钟钟转
19、转数数)，求求克克服服油油的的粘粘性性阻阻力力所所消消耗耗的的功率。功率。第25页，此课件共31页哦解解：油油层层与与轴轴承承接接触触面面上上的的速速度度为为零零，与与轴轴接接触触面面上上的的速速度度等等于于轴轴面面上上的的线线速速度：度：设油层在缝隙内的速度分布为直线分布，即设油层在缝隙内的速度分布为直线分布，即 则轴表则轴表面上总的切向力面上总的切向力 为：为：克服摩擦所消耗的功率为：克服摩擦所消耗的功率为：第26页，此课件共31页哦第七节第七节 液体的表面性质液体的表面性质一、表面张力v液液体体分分子子间间吸吸引引力力的的作作用用范范围围称称为为“影影响响球球”，半半径径是是-倍倍分分子
20、子距距，一一般般在在10-8-10-6cm。厚厚度度小小于于“影影响响球球”半半径径的的液液面面下下的的薄薄层层称称为为表表面面层层。表表面面层层内内所所有有的的液液体体分分子子均均受受到到向向下下的的吸引力，从而把表面层紧紧的拉向液体内部。吸引力，从而把表面层紧紧的拉向液体内部。v定义：使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力定义：使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力 v表征：表面张力系数表征：表面张力系数单位长度上的表面张力，单位长度上的表面张力，单单位是。位是。v表面张力产生的位置：液、气接触的自由表面表面张力产生的位置：液、气接触的自由表面 液、固接触的表面液、固接触的表面 第27页，此课
21、件共31页哦二、毛细现象v内内聚聚力力小小于于黏黏附附力力，液液体体将将附附着着、湿润固体壁面；湿润固体壁面；v内内聚聚力力大大于于黏黏附附力力，液液体体抱抱成成一团，不会润湿固体壁面。一团，不会润湿固体壁面。毛细现象毛细管中液面上升或下降的现象。毛细管中液面上升或下降的现象。v内聚力：内聚力液体分子之间吸引力。内聚力：内聚力液体分子之间吸引力。v黏附力：液体与固体分子之间吸引力。黏附力：液体与固体分子之间吸引力。毛细管中液面的上升和下降现象毛细管中液面的上升和下降现象第28页，此课件共31页哦i i 例：水在毛细管中的上升情况例：水在毛细管中的上升情况:为液面与壁面的接触角为液面与壁面的接触
22、角 为液体重度为液体重度 D 为毛细管内径为毛细管内径 为表面张力为表面张力 管壁圆周上总表面张力在垂直方向上的分力为：管壁圆周上总表面张力在垂直方向上的分力为：，上升液柱重：上升液柱重：毛细管内液柱上升高度为：毛细管内液柱上升高度为：。vD vh v v v v v图图1-3 1-3 毛细管升高毛细管升高 第29页，此课件共31页哦毛细管中液面的上升和下毛细管中液面的上升和下降现象降现象 弯曲液面上的表面张力和压强液液体体曲曲面面是是边边长长S1、和和S2 的的微微小小矩矩形形，两两曲曲面面内内的的曲曲率率半半径径为为R1和和R2，两两边边S1上上一一对对力力S1之之间间的的夹夹角角是是，两两边边S2上上一一对对力力S2之之间间的的夹夹角角是是，半半角角正正弦弦可可以以由由半半角角代代替替。则则沿沿曲曲面面外外法法线线方方向向的的平平衡方程为衡方程为第30页，此课件共31页哦感感谢谢大大家家观观看看第31页，此课件共31页哦