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1、流体的性质及其流动1本讲稿第一页，共二十八页 本篇的重点在于从传输的角度，研究流体的运动规律。主要掌握流体流动的连续方程、伯努力方程和动量传输方程在冶金和材料热加工过程中的应用。要学习流体的动量传输的问题，首先就要了解流体的基本性质及其流动特点和有关的定义。2本讲稿第二页，共二十八页第一章 流体的性质及其流动Chapter 1 Properties of Fluidsand Fluid Flow3本讲稿第三页，共二十八页1.1 流体的概念及性质 Concepts and Properties of Fluids 1.流体的定义(Definition of Fluids)工程上将只能抵抗压力而在
2、一定的切应力作用下会产生连续不断变形（即流动）的物质统称为流体。流体包括：气体和液体4本讲稿第四页，共二十八页连续介质模型 由于任何流体在原子/分子的微观尺度上看，流体物质的性质是间断的。而我们所研究的流体的动量传输，以及流体的热量和质量问题，如密度、压力、速度、温度和成分则是宏观尺度的物理量是由大量分子/原子的行为和作用的平均效果。因而可以认为我们所研究的动量传输介质流体的所有物理性质和物理量处处稠密且是连续的，这样就可以用连续函数的解析方法（微积分学）研究流体的静力学和动力学。5本讲稿第五页，共二十八页 工程上遇到的流体不只局限于气体和液体，许多固液、气液混合物，如泥浆、凝固状态的金属液也
3、具有流动性，满足流体的定义。关于对这些特殊流体的复杂流动及动量传输规律的研究属于流变学的范畴。6本讲稿第六页，共二十八页 定量描述流体的流动行为及动量传输，需要了解和定义流体有关的物理性质和参数。(1)密度：单位体积的流体所具有的质量 式中：流体的密度 kg/m3；流体的质量 kg；流体的体积 m3；2.流体的主要物理性质 Physical Properties of Fluids 7本讲稿第七页，共二十八页 比体积：(单位质量流体所具有的体积)一般情况下，流体的密度是可变的（受T,P,CL影响）在某些情况下，密度的变化会对流动状态产生很大的影响，如：温度梯度和浓度梯度影响下的自然对流。8本讲
4、稿第八页，共二十八页 (2)流体的压缩性：在压力P的作用下，流体体积特性能改变。流体的压缩特性的大小，可由体积压缩系数K表示。式中：原有的体积m3；体积的改变量m3；（压力变化引起的）压力的变化量pa；体积压缩系数pa-1；9本讲稿第九页，共二十八页 (3)流体的热膨胀性：由温度变化引起的流体体积变化的特性，其定义为：式中：温度的变化量C；流体的热膨胀系数C-1；液体的 和 很小，如水的 和 都在10-410-5的数量级10本讲稿第十页，共二十八页 （4）气体的压缩特性和热膨胀特性 气体的压缩特性和热膨胀特性都比液体大得多，根据理想气体状态方程：PV=RT PRT式中：T绝对温度 P绝对压力
5、R气体常数（287Nm/(kgK)）V比体积 气体密度11本讲稿第十一页，共二十八页 气体的体积膨胀特性和热膨胀特性可分别由等温过程、等压过程和绝热过程的密度变化表达式表示：(1)等温过程 (2)等压过程(3)绝热过程 其中，(对于空气k=1.4)绝热指数12本讲稿第十二页，共二十八页 雷诺(Reynold)于1882年进行了管内的流体流动实验（如图）。由于在流体流动的过程中条件不同，可能具有两种性质完全不同的流动状态，即：n 层流(laminar flow)n 紊流(turbulent flow)1.2 流体的流动形态 Types of Fluid Flow13本讲稿第十三页，共二十八页 决
6、定管道里流体流动状态的是一个称之为雷诺数(Reynolds Number)的无量纲数群，用Re表示：式中：管道内流体的平均流速m/s；流体的密度kg/m3；圆管内径m；流体的动力粘度系数pa.s；流体的运动粘性系数m2/s；14本讲稿第十四页，共二十八页实验表明：Re越大，流动状态越趋向于紊流发展。流体由层流开始向紊流转变的临界Re数为：Re临=21002300 Re15本讲稿第十五页，共二十八页层流与紊流的速度分布Distribution of Laminar and Turbulent Velocities in A Tube16本讲稿第十六页，共二十八页 英国科学家牛顿(Newton)1
7、686年指出：当流体的流层之间出现相对位移时，不同流动速度的流层之间会产切向粘性应力（摩擦力)。1.3 牛顿流体粘性定律及粘性系数 Newtons Law of Viscosity and Viscosities17本讲稿第十七页，共二十八页一、牛顿粘性定律 Newtons Law of Viscosity 牛顿提出了描述粘性流体不均匀流动时粘性阻力F与速度变化率之间的关系，即牛顿流体粘性定律的假说，可由下式表示：式中:F 粘性力 N；A 平板与流体的接触面积 m2；Y 两平板间的距离 m；Vx 上平板的移动速度 ms18本讲稿第十八页，共二十八页 显然，比值Vx/Y为x方向的流动速度在y方向
8、上的变化率，即速度梯度，可表示为 dvx/dy，将上式改变形式，并引入系数，可得到如下微分形式的牛顿流体粘性定律表达式：式中：表示在y方向上具有的速度梯度，流动方向为x方向的流体 在单位面积上产生的粘性力，也称为粘性切应力N/m2pa;比例常数，称作动力粘性系数(dynamic viscosity)pa.s Ns/m2 正负号的选择要保证计算得到的yx为正值。牛顿流体粘性定律19本讲稿第十九页，共二十八页 粘度系数表征流体抵抗连续变形的能力。由 可知，在数值上表示单位速度梯度下流体产生的粘性切应力，是流体的一个物理参数，决定于流体的物理状态和性质，称为动力粘度系数，在动量传输分析与计算中，常取
9、运动粘度系数(kinematic viscosity)：=/单位为m2/s，和通常是温度的函数，压力对它们也有一定的影响，在计算中常将动力粘度系数和运动粘度系数取为常数。粘度系数的物理意义20本讲稿第二十页，共二十八页牛顿流体粘性定律的形式改写为：，这样，为流动流体的动量密度梯度。可以理解为动量扩散系数(momentum diffusivity)。由此，牛顿粘性定律还有另一层物理意义。即在动量密度梯度下粘性引起流体的粘性动量通量。由于 梯度方向是y方向，所以动量通量方向为y方向，即流体的动量由上部的高动量向下部低动量传输（动量的粘性扩散）。21本讲稿第二十一页，共二十八页牛顿粘性定律有两层物理
10、意义:n由于流体粘性，在速度梯度 下产生的粘性切应力，方向为x方向；n在动量密度梯度 作用下，产生y方向的动量传输，传输方向与梯度增加方向相反。量纲：22本讲稿第二十二页，共二十八页二、粘性系数的影响因素 Factors Influencing Viscosities 23本讲稿第二十三页，共二十八页 24本讲稿第二十四页，共二十八页25本讲稿第二十五页，共二十八页1.4 流体的分类 Types of Fluidsn理想流体(ideal fluid)：假定没有粘性或忽略粘性的不可压缩的流体n牛顿流体(Newtonian fluids)：遵循牛顿粘性定律的流体。其特点是 与 呈线性关系；26本讲稿第二十六页，共二十八页n非牛顿流体(non-Newtonian fluids)：凡不遵循牛顿粘性定律的粘性流体。27本讲稿第二十七页，共二十八页28本讲稿第二十八页，共二十八页