流体的基本性质.ppt

1 第一章流体的性质 工程流体力学 2 第一节流体的连续介质假说 故 微观上足够大 宏观上足够小的微体积 流体微团 含有足够多的分子 可作为流体质点 即忽略分子间距 认为流体是连续介质 流体的连续介质假说 3 第二节流体的主要性质 流体的流动性 流体的抗拉能力极弱 抗切能力也很微小 静止时不能承受切力 只要受到切力的作用 不管切力怎样微小 流体都要发生不断变形 各质点间发生相对运动 利用流体的流动性 表现出多种用途 如管道输送 供热 供冷工作介质等 也有几种与流动有关的区别于固体的物理性质 流动性 4 一惯性 密度及重度 1惯性惯性 物体维持原有运动状态的能力的性质 惯性力 2密度密度 单位体积内流体的质量 均质流体 单位 kg m3非均质流体 某点的密度 5 3重度 容重重度 容重 单位体积所具有的重量 即作用在单位体积流体上的重力 均质流体 单位 N m3非均质流体 某点的密度 密度与容重的关系 4比容比容 流体密度的倒数 即单位质量流体所占的体积 符号 v单位 m3 kg 6 二液体的压缩性和热胀性引起流体密度变化的原因 1压缩性 流体在压力作用下 会发生体积压缩变形 同时其内部将产生一种企图恢复原状的内力 在除去内力后能恢复原状 1 定义 在一定温度下 压力变化引起的密度变化率 2 表征 压缩系数符号 单位 m2 N物理意义 压力增量引起的流体体积 或密度 的变化率 dp与d 符号相同 与dV相反 温度 压力 7 3 弹性模量压缩系数的倒数符号 Ev单位 N m2物理意义 单位流体体积减小量所需要的压力 理解 压缩相同的程度所需要的压力不易压缩 压缩相同的程度所需要的压力易压缩 8 2热胀性 在受热情况下 体积膨胀 密度减小 温度下降则恢复原状 1 定义 一定压力下 流体的体积随温度升高而增大的性质 2 表征 热胀系数符号 单位 1 K物理意义 压力保持不变时 温度升高1K引起的流体体积或密度的相对增加量 dT与d 符号相反 与dV相同 液体热胀性的实际意义 自然对流 热水上升 冷水下降 9 3密度的变化 密度受压力和温度的影响 两者同时变化是密度如何变 1 2 10 液体的压缩性和热胀性较小 气体较大 三气体的压缩性和热胀性 理想气体状态方程 或 p 气体绝对压力 R 气体常数 对于空气 R 287J kg K T 气体的热力学温度 K 气体的密度 kg m3v 气体的比容 m3 kg 11 四可压缩流体与不可压缩流体 1压力和温度的变化都会引起流体密度的变化 即任何流体都是可压缩流体 只是程度不同 流体的压缩性是流体的基本属性 2区别 液体的压缩性很小 工程上通常可忽略压缩性的影响 气体的压缩性很大 压力和温度的变化都能显著改变气体体积 故通常把气体看成可压缩流体 而液体是不可压缩流体 3两者的区分不是绝对的 在某些场合应将液体作为可压缩流体处理 而将气体作为不可压缩流体处理 如 产生水击现象时 水为可压缩流体 流速很小时 气体为不可压缩 因密度变化很小 采用的判断方法 流体密度的变化率 3 5 时 可视为不可压缩流体 12 五粘性 1流体的粘性 流体流动时 流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力 以抵抗其相对运动的性质 各种流体都具有粘性 但大小不同 由于流体的粘性 在流体的流层之间产生阻碍其流动的作用力 称为内摩擦力或粘性力 无摩擦 粘性力成对出现 大小相等 方向相反 以阻碍流体的相对运动 搅动水流 低于0 流动的水不结冰 原因 13 粘性产生的原因 1分子相互作用力 2流层间分子的动量交换 无摩擦 14 2牛顿内摩擦定律 用于定义粘性力 上平板受到向右的拉力为F 受到流体的粘性力大小为F 方向向左 A y x 0 F uo 上平板在力F的作用下以速度u0运动 如平板浮于水面上 不考虑平板厚度 下平板静止 影响粘性力F的因素 1 粘性力的大小与接触面积 A 成正比 2 与上平板的速度uo成正比 与两平板的间距 成反比 3 与流体的种类有关 15 的引入 单位须一致 A与分别相同的流体 通常获 得相同的速度所需要的F不同 这不同的原因就是流体种类不同 即不同 因此是一个表征流体物理性质的参数 称动力粘度 又称绝对粘度 的单位化简得 或 或 16 切应力 单位面积上的内摩擦力单位 Pa 运动粘度 单位 m2 s 17 角变形率 在平板流动中 取一边长为dy的矩形微团abcd 受到剪切应力的作用 经时间dt后变为a b c d 下边速度为 u 上边的速度为 u du 下边移动的距离 udt 上边移动的距离 u du dt直角acd变为锐角a c d 减小的角度为d 18 a b d c a b d c u du u dy d udt u du dt 对于微元时间dt 时间很短 因此d 很小 则 称为直角减小的速率 称角变形率 因其是在切应力的作用下发生的 故又称剪切变形速度 结论 牛顿内摩擦定律实际上反应了流体在运动中出现的切应力与角变形速度成正比 多维又如何 19 粘性的特点 粘性不是常数 随压力和温度而变 需查表获得 表1 1 表1 2 公式 1 17 通常如水 空气等随压力变化小 随温度变化大 重要的分析 液体的粘性随温度升高而减小 因为分子间距小 吸引力是主要作用 温度升高 分子间吸引力减小 粘性降低 气体的粘性随温度升高而增大 因为此时分子的不规则运动 动量交换 是影响气体粘性的主要因素 温度升高 分子运动加剧 动量交换频繁 产生了摩擦力 使粘性增加 20 例长度为l 1 0m 直径d 200mm的圆柱体 置于内径D 206mm的圆管中 以1 0m s的速度相对移动 已知间隙中油液的密度为920kg m3 运动粘滞系数为5 6 10 4m2 s 求所需要的拉力F 解 圆柱体与圆管之间的间隙为 因间隙很小 故可认为间隙内油液的速度分布为线性变化 因而速度梯度为 21 圆柱体与油液的接触面积为 油液的动力粘性系数 由牛顿内摩擦定律得所需拉力为 22 4流体粘性的测量 直接测量或非常困难 因此常采用见解测量的方法 主要采用的方法有 1 落球法 已知直径和重量的小球 沿盛有待实验液体的玻璃管中心垂直降落 有沉降速度来计算粘度 2 管流方法 让被测液体以一定流量流过已知管径的管道 再在管道一定长度上用测压计测出这段管道上的压力降 根据压力降计算粘度 压力降越大 粘性越大 23 3 旋转方法 不同直径的同心圆的环形间隙中充以流体 一筒固定 另一筒旋转 测出旋转的力矩 可计算出流体粘度 所需力矩越大 粘性越大 4 泄流法 测定流体流出固定容器的时间 时间越长 粘性越大 这种方法是工业上常用的方法 24 5流体的分类 1 粘性流体和理想流体 自然界中各种流体都具有粘性 称为粘性流体或实际流体 粘性的存在使流动问题复杂化 理想流体 一种假想的无粘性的流体 这种假想可使流动问题求解简化 2 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体 内摩擦应力与速度梯度满足牛顿内摩擦定律的流体 如水 空气等 特殊情况 非牛顿流体 内摩擦应力与速度梯度不满足牛顿内摩擦定律的流体 如橡胶液 泥浆 油漆等 25 第四节表面张力 1定义 在液体的自由表面上能够承受极其微小的张力 这种张力称为表面张力 表面张力使液体具有尽量缩小其表面的趋势 存在的场合 液体与气体接触的周界面 液体与固体 一种液体与另一种液体相接触的周界面 如汞和水 一表面张力 注意 气体不存在表面张力 因为气体不存在自由界面 液体平面上不存在附加压力 因此也不存在表面张力 只有在曲面上才产生附加压力 26 2表面张力产生的原因自由表面的液体分子受到周围液体和气体分子的作用力是平衡的 气体分子对它的作用力远小于另一侧液体分子的作用力 这些合力将它们拉向液体内部 3表面张力系数 单位长度上所受到的张力 符号 单位 N m表面张力是一种拉力 27 1定义 把直径很小的两端开口的细管插入液体中 表面张力的作用使管内液体高度不一致的现象 毛细管