第一章_流体物理性质.ppt

主讲教师机械工程学院王开松 第一章流体的物理性质 孔子 水有九德 故君子临水必观 以其不息 且遍与诸生而不为也 夫水似乎德 其流也 则卑下倨邑必循其理 似义 浩浩乎无屈尽之期 此似道 流行赴百仞之溪而不惧 此似勇 至量必平之 此似法 盛而不求概 此似正 绰约微达 此似察 发源必东 此似志 以出以入 万物就以化洁 此似善化也 老子 上善若水 水善利万物而不争 处众人之所恶 故几于道 真正至上的善就像水 水能滋养而不争高下 以处于人们都不愿处的低处 因而接近于道 绪论 第1节基本概念第2节流体的主要物理性质第3节流体力学的研究方法 1 1基本概念 一 流体力学的概述 流体力学 主要研究流体与流体 流体与固体之间的相互作用力 即研究流体的机械运动规律 1 定义 2 分类 液压流体力学多相流体力学渗流力学流体力学黏性流体力学非牛顿流体力学计算流体力学空气动力学 二 流体力学的发展阶段 1 流体静力学以前时期公元前10世纪到1世纪中国木橹和尾舵约公元前700年管仲科学地总结了中国的治河与修渠经验约两世纪后阿基米德提出了浮力的定量理论流体的基础 阿基米德的浮力理论和帕斯卡静压理论 2 理想流体力学时期1500年意大利达 芬奇一维不可压缩流体的质量守恒方程1738年伯努利定常不可压流伯努利定理1748年俄国罗蒙诺索夫质量守恒定律1752年达伯朗流体连续方程1775年欧拉提出了流体运动的描述方法和无黏性流体运动的方程组 并开始研究理想无旋流体的平面和空间流动 为理论流体力学奠定了基础 1781年拉格朗日引进流函数概念 并提出了理想无旋流体运动时所应满足的动力学条件 拉格朗日定理 完善了理想流体力学的基本理论 3 流体动力学时期研究特征 18世纪末和19世纪中叶 理论与实验相结合 纳维与斯托克斯1823年和1845年N S方程黏性流体运动 哈根和泊肃叶1839年和1840年细小圆管中层流流动实验结果雷诺 弗洛德 瑞利相似理论 它是实验流体力学的基础 亥姆霍兹和汤姆逊漩涡理论普朗特边界层流理论 冯 卡门湍流理论中国周培原钱学森郭永怀 4 计算流体力学理论流体力学 计算流体力学和实验流体力学构成了流体力学的完整体系 二 流体力学的发展阶段 三 流体力学的基本概念 1 流体 定义 在静力平衡时 不能承受剪切力的物质 一旦受到任何微小剪切力 shearforce 的作用 都能够导致其连续变形 特点 有一定体积和自由面 分子间距较大 流体与固体的区别 固体的变形与受力的大小成正比 任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形 流体是液体 liquid 和气体 gas 的总称 定义 在静力平衡时 不能承受剪切力的物质 一旦受到任何微小剪切力 shearforce 的作用 都能够导致其连续变形 特点 有一定体积和自由面 分子间距较大 流体与固体的区别 固体的变形与受力的大小成正比 任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形 2流体的主要特征 易流动性 力学特征 易变形 Fluidity 静止状态的流体 staticfluid 不能承受剪切应力 流体只能承受压力 compressivestresspressure 不能承受拉力 tensilestress tension 液体随其所在容器的形状而变 气体总能充满它所到达的全部空间 三 流体力学的基本概念 2 流体质点和连续介质 流体质点 流体质点的体积 在宏观尺寸上充分小 数学描述 lim V 0 在微观尺寸上足够大 含有数以亿计的分子 说明 流体质点的体积远远大于流体分子之间的间距 可容纳足够多的流体分子 是流体分子集团 个别分子运动参数的变化不影响这群分子运动参数的平均统计值 流体质点是流体的最小构成单元 流体质点之间无任何间隙 流体质点没有固定形状 但有能量 连续介质 流体占据空间所有点或由连续发布质点的组合 说明 流体是由无穷多个 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 连续介质的概念来自数学 实验证明其是正确的 三 流体力学的基本概念 连续介质假设的意义 避免了流体分子运动的复杂性 只需研究流体的宏观运动 将流体中的运动参数作为空间的点和时间的连续函数 方便利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律 流体微团 流体中任意小的微元 定义 无内聚力的流体质点构成的连续介质 3 理想流体 四 流体力学的研究方法 1 实验法优点 能直接解决生产中的复杂问题 并能发现新现象和新问题 它的结果可以作为检验其他方法是否正确的依据 缺点 对不同情况 需作不同的实验 所得结果的普遍适用性差 2 理论分析法优点 明确给出各种物理量和运动参量之间的变化关系 有较好的普遍适用性 缺点 数学上的困难 能得出解析解的数量有限 3 数值计算法优点 许多分析法无法求解的问题可得出它的数值解 缺点 对复杂而又缺乏完善的数学模型 仍无能为力 1 2流体的主要物理特性 一 惯性 密度 均质流体密度或流体平均密度定义为单位体积的质量流体密度是空间某点单位体积的平均质量 通常密度为常数 常见的密度 在一个标准大气压下 4 时的水20 时的空气 均质流体 非均质流体 一般表达式 密度与压力和温度的关系式 重度 与密度定义类似 二 压缩性和膨胀性 体积弹性模数 压缩系数 膨胀性 热膨胀性 是指在压强不变的情况下 流体体积随温度升高而增大的特性 压缩性 在一定的温度下 流体的体积随压强升高而缩小的性质 二 压缩性和膨胀性 几点说明 严格地说 不存在完全不可压缩的流体 一般情况下的液体都可视为不可压缩流体 管路中压降较大时 应作为可压缩流体 发生水击 水下爆破 对于气体 当所受压强变化相对较小时 可视为不可压缩流体 锅炉尾部烟道 气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时 气体的密度变化也很小 可以近似地看成是常数 也可当作不可压缩流体处理 三 流体的黏性 2 定义 流体在流动过程中由于流体之间的内摩擦力而引起的阻碍流体运动的性质称为流体的黏性 内摩擦力的表示 用剪切应力 单位接触面积上的力 实验表明 剪切应力 的大小同速度梯度du dy成正比 即 式中 黏度或黏滞系数 viscosityorabsoluteviscosity N m2 牛顿内摩擦定律 黏度的单位是 N s m2或Pa s黏度 的物理意义 表征单位速度梯度作用下的切应力 反映了流体黏性的动力性质 所以 又被称为动力黏度 与动力黏度 对应的是运动黏度 kinematicviscosity 二者的关系是 运动黏度 物理意义 单位速度梯度作用下的切应力对单位体积的质量作用产生的阻力加速度 m2 s 原因 分子之间的内聚力对液体黏性起主要作用 当温度升高时 分子间距离变大 内聚力相应变小 因而黏度下降 液体黏度 随温度升高急剧下降 3 黏性与温度的关系 气体黏度 随温度的上升而增大 原因 相邻流层之间分子动量的交换对气体黏性起主要作用 当温度升高时 气体的热运动加强 动量交换增多 各层之间的制动作用加大 因而黏度增大 三 流体的黏性 牛顿流体 满足牛顿黏性定律的流体 如油液和水 非牛顿流体 不满足牛顿黏性定律的流体 如奶油 高分子聚合物和胶质体等 理想流体 当 时称为无黏性流体 与垂直于流动方向的速度梯度du dy成正比 与接触面的面积A成正比 与流体的种类有关 与接触面上压强P无关 三 流体的黏性 动力黏度的单位泊1泊 1克 秒 厘米 1达因 秒 厘米2运动黏度的单位斯1斯 10000厘米2 秒 1米2 秒 动力黏度 反映了流体的动力学特征而得名运动黏度 油液的表征方法 定义为相对黏度 恩式黏度 指200ml的某温度下的液体从恩氏黏度计 2 8mm小孔 流出的时间t1 与200ml的20 蒸馏水流出恩氏黏度计的时间的比值t2 即 三 流体的黏性 4 黏温特性和黏压特性 流体的黏性随温度 压力而变化 分别称为黏温特性和黏压特性 黏性一般随温度升高而变小 随压力增高而变大 有如下公式 液体 分子内聚力是产生粘度的主要因素 温度 分子间距 分子吸引力 内摩擦力 粘度 气体 分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素 温度 分子热运动 动量交换 内摩擦力 粘度 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 1Pa s 求作用在活塞上的粘性力 解 注意 面积 速度梯度的取法 d D L 四 表面張力 润湿和毛细現象 1 分子力 分子力 在液体內部的分子之間 彼此互相吸引力 分子力和分子所帶電荷的大小與分布 及分子之間的距离有关 当距离变大時 分子力迅速地減弱 在液体內部的分子所受的合力为零 但在液体表面层內的分子則受到向下的淨力 因此使液面向內收縮 2 表面張力的成因 當液体的表面积增大時 液体內部的分子会上升来填补 所以液体表面分子之間的距离保持不变 液体所受的表面張力 其作用方向垂直于边界 3 表面張力的示範實驗 4 液体的表面张力现象及微观本质 液体表面像张紧的弹性膜一样 具有收缩的趋势 1 蚊子能够站在水面上 2 钢针能够放在水面上 3 荷花上的水珠呈球形 4 肥皂膜的收缩 液体表面具有收缩趋势的力 这种存在于液体表面上的张力称为表面张力 说明 力的作用是均匀分布的 力的方向与液面相切 液面收缩至最小 表面张力的微观本质是表面层分子之间相互作用力的不对称性引起的 5 毛细现象 一 润湿和不润湿 附着层 在液体与固体接触面上厚度为液体分子有效作用半径的液体层 是由附着层分子力引起的 润湿 不润湿 内聚力 液体内部分子对附着层内液体分子的吸引力 附着力 固体分子对附着层内液体分子的吸引力 润湿和不润湿决定于液体和固体的性质 内聚力大于附着力 A 不润湿 内聚力小于附着力 A 润湿 液体对固体的润湿程度由接触角来表示 接触角 在液 固体接触时 固体表面经过液体内部与液体表面所夹的角 通常用q来表示 液体润湿固体 当时 当时 液体不润湿固体 当时 液体完全润湿固体 当时 液体完全不润湿固体 q 润湿 q 不润湿 2 毛细现象 将细的管插入液体中 如果液体润湿管壁 液面成凹液面 液体将在管内升高 如果液体不润湿管壁 液面成凸液面 液体将在管内下降 这种现象称为毛细现象 能够产生毛细现象的细管称为毛细管 A 毛细现象产生的原因 毛细现象是由于润湿或不润湿现象和液体表面张力共同作用引起的 如果液体对固体润湿 则接触角为锐角 h 如果液体对固体不润湿 则接触角为钝角 h 容器口径非常小 附加压强的存在将使管内液面升高 产生毛细现象 容器口径很小 附加压强的存在将使管内液面降低 产生毛细现象 附加压强为 即 B 毛细管中液面上升或下降的高度 如图 一截面半径为r的毛细圆管 液体润湿管壁 接触角为q 设管内液面为一半径为R的凹球面 由几何关系可知 R r 得 h 若液体不润湿管壁 则 可得 润湿管壁的液体在毛细管中上升的高度与液体的表面张力系数成正比 与毛细管的截面半径成反比 管内