流体的主要物理性质.ppt

流体力学,Fluid Mechanics,2,参考书 工程流体力学，高殿荣 吴晓明 编著, 机械工业出版社，1999.8, 第一版 考核方法 闭卷考试 理论课时：30学时,3,第二章 流体的主要物理性质,2.1 流体的概念及连续介质假设 2.2 流体的密度、重度、比体积及相对密度 2.3 流体的热膨胀性和可压缩性 2.4 流体的粘性,4,2.1 流体的概念及连续介质假设,一流体的概念 流体 : 易于流动的物体。由液体和气体组成。 流体的特征： 流体易流动性: 不能抵抗无论多么小的拉力和剪切力。但在剪切力的作用下，流体会发生连续的变形。,固体与流体变形的区别？,5,固体与流体变形的区别,刚体：质点间距离受外力时不变 弹性体：质点间距离受外力时发生有限改变 外力去掉后恢复原状 塑性体：质点间距离受外力时发生有限改变 外力去掉后不恢复原状 流体：在任何微小剪切力作用下都能连续变形 外力不变，变形继续 外力消失，变形停止,6,流体分类,流体,液体：,气体：,分子间距离小，吸引力大。分子无规则振动，移动。存在自由液面。,分子间距离大，吸引力小。分子自由运动，极易变形。充满整个空间。,7,在标准状态下，1mm3 体积 水: 3.31019 个分子 空气: 2.7 1016 个分子 流体质点：在研究流体的宏观运动中，最小的流体微元。 从流体的宏观机械运动来看,研究流体的运动时可将流体看成连续的这称为连续介质假设。 以后讨论流体均认为流体是连续的,这对引入数学工具极为重要。 失效情况: 稀薄气体 激波,天衣无缝,二连续介质假设,8, 密度 单位体积的流体质量(均质) 水的密度(4C)1000kg/m3,液压油的密度(15C）890kg/m3 重度 单位体积的流体所受的重力(均质) 式中：g 重力加速度，一般计算取 g=9.81m/s2,2.2 流体的密度、重度、比体积及相对密度,9, 比体积（比容） 密度的倒数 非匀质流体： 质量非均匀分布，各点密度不同， 某点的密度、重度、比体积分别为：, 流体的相对密度 d 流体的重度与标准大气压下4纯水的重度的比值,无量纲的纯数,10,关于单位制: 1N =1kgm/s2 ， 1kgf =9.81N Kgf 公斤力 1N =105dyne dyne达因,11,2.3 流体的热膨胀性和可压缩性,1. 热膨胀性 热膨胀性：一定压强下，随温度升高，流体体积增大。 体积膨胀系数 表示单位温度变化所引起的体积变化率， 液体的热膨胀性很小，一般可忽略不计。 2. 压缩性 流体的压缩性：一定温度下，随压强升高，体积减小。 体积压缩系数k 表示单位压强变化所引起的体积变化率， 由于压强增大，体积缩小，为保证为正值，右边加一负号。,K-1,12,体积压缩率 k 的倒数，称为体积模量 K K 越大，越不易被压缩。单位：Pa 。 在工程上认为液体（压缩性很小）是不可压缩的，但在特殊情况下，如水击作用和高压传动系统中，就必须考虑液体的压缩性。 纯液体的体积压缩率很小。工程上常用的矿物系液压油，油中混入气体时压缩性将显著增加。 纯水：K = 2.1109 Pa； 纯矿物油：K = 0.4109 2.1109 混气1%的矿物油：K = 0.7476109 Pa 0.7109,13,2.4 流体的粘性,1. 粘性的概念 俗话说：“人往高处走，水往地处流”。 流体的粘性： 是指流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质。 也就是说： 在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对 运动的内摩擦力。,14,现在观察一种现象: 设有两块平行的平板，其间充满静止流体。下板固定不动，上板以匀速U 平行下板运动时，两板间的流体呈现出：从附着在动板下面的流体层，具有与动板等速的U开始，愈往下速度愈小，直到附着在定板上的流体层的速度为零这样的线性速度分布规律 可见，各流层之间都有相对运动，必定产生切向阻力。若要维持这种运动，必须在上板上施加以与摩擦阻力F大小相等方向相反的切向力F。,牛顿剪切实验,15,牛顿内摩擦定律：,剪切应力：,h,u,u+du,U,x,y,dy,z,：动力粘度（系数），与流体性质有关 Pas,16,速度梯度 其大小表示流速在其法线方向上变化率的大小，也表示流体微团角变形速度的大小。,角变形速度（剪切变形速度）,17,流体与固体在摩擦规律上完全不同,正比于du/dy,正比于正压力，与速度无关,18,2. 牛顿内摩擦定律 式中： F 内摩擦力（N）； 剪切应力（N/m2）； du/dy 速度梯度(s1)； A 接触面积（m2）； 动力粘度。 “”是为使F、永为正值而设定的。 这里指出： （1）切应力 是成对出现的，它的方向是这样确定的：当所研究的面是被快层带动时，这面上的 与运动方向一致；如果是被慢层阻止时，这面上的 则与运动方向相反。 （2）静止或相对静止流体中不出现内摩擦力(或切应力）。,19,3. 粘度 动力粘度 表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小。 单位：Ns/m2 (Pas) SI dans/cm2 (P) 物理单位制 1P=0.1 Pas=102CP 运动粘度 单位： m2/s SI cm2/s (St，斯) 物理单位制 它的物理含义不明确，在流体力学计算中，、总是以/形式出现的。,20,3. 粘度 恩氏粘度 恩氏粘度值是被测液体与水的粘度的比较值。 是一种相对粘度，仅使用于液体。 是无量纲数,21,4. 粘度的变化规律 1. 温度对粘度的影响 温度对粘度的影响比较显著。气体的粘度随温度的增高而增大；液体的粘度则随温度的增高而减小。 气体产生粘性的主要因素是分子不规则热运动的动量交换所造成。而液体产生粘性的主要因素，是分子间的内聚力所形成的粘性阻力。 温度升高时分子距离增大,液体分子间的引力减小，故液体的粘性减小。 温度升高时气体的热运动加剧，故气体的粘性增大。 2. 压强