流体主要物性.ppt

在研究流体静止和运动之前 首先要了解流体的内在属性 即流体的物理性质 包括密度 压缩性 膨胀性 粘性等 其中 粘性是流体物理性质中最重要的特性 第一章流体主要物理性质 第一节流体的概念 凡是没有固定的形状易于流动的物质就叫流体 即液体和气体 流体与固体的差别表现为 固体 既能承受压力 也能承受拉力与抵抗拉伸变形 流体 只能承受压力 一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形 在极小切应力下就会出现连续的变形流动 液体和气体的区别 气体易于压缩 而液体难于压缩 液体有一定的体积 存在一个自由液面 气体能充满任意形状的容器 无一定的体积 不存在自由液面 液体和气体的共同点 两者均具有易流动性 即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动 故二者统称为流体 常见的密度 在一个标准大气压下 4 时的水20 时的空气 第二节流体的基本物理性质 1 密度 3 相对密度 2 重度 4 热膨胀性和可压缩性 1 压缩性 在一定温度下 流体体积随压强升高而减少的性质 它的物理意义是单位压强变化所引起的体积的相对变化率 Pa 1 体积模量 体积压缩率的倒数 E越大 流体越不易被压缩 2 热膨胀性 流体体积随温度升高而增大的性质 它的物理意义是单位温度变化所引起的体积的相对变化率 液体的热膨胀性很小 一般可以忽略不计 气体的热膨胀系数为1 273 不可忽略 注意 a 严格地说 不存在完全不可压缩的流体 b 一般情况下的液体都可视为不可压缩流体 发生水击时除外 c 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 d 管路中压降较大时 应作为可压缩流体 5 流体的粘滞性 1 粘性 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 微观机制 分子间吸引力 分子不规则运动的动量交换 2 牛顿内摩擦定律 切应力 数学含义 垂直于流动方向的流速梯度 物理含义 运动流体的剪切变形速率 角变形速度 剪切变形速度 速度梯度的物理意义 vdt u du dt dudt dy d 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 dy 动力粘度 运动粘度系数 注意 液体和气体的粘度随温度变化规律不同 3 粘度 动力粘度和运动粘度 温度 掌握两种粘度的单位计量方式 P6 4 粘度的测量方法 法1 用粘度计直接测量得出 绝对粘度 毛细管粘度计 旋转粘度计法2 用恩氏粘度计测出相对粘度 恩氏粘度 然后用经验公式转换为运动粘度 恩氏粘度计测定 无单位 当其 2时 用上式将恩氏粘度直接转换为运动粘度 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 例 旋转圆筒粘度计 外筒固定 内筒转速n 10r min 内外筒间充入实验液体 内筒r1 1 93cm 外筒r2 2cm 内筒高h 7cm 转轴上扭距M 0 0045N m 求该实验液体的粘度 解 注意 1 面积A的取法 2 单位统一 h n r1 r2 得 解 注意 1 面积A的取法 2 单位统一 得 1 表面张力当液体与其它流体或固体接触时 在分界面上都产生表面张力 出现一些特殊现象 例如空气中的雨滴呈球状 液体的自由表面好像一个被拉紧了的弹性薄膜等 表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力 也称为内聚力 在液体中 一个分子只有距离它约10 7cm的半径范围内才能受到周围分子吸引力的作用 在这个范围内的液体分子对该分子的吸引力各方向相等 处于平衡状态 但在靠近静止液体的自由表面 深度小于约10 7cm薄的表面层内 每个液体分子与周围分子之间的吸引力不能达到平衡 而合成一个垂直于自由表面的合力 6 表面张力和毛细管现象 2020 3 16 15 可编辑 定义 使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力 表面张力系数 单位长度上的表面张力 表面张力的产生部位 液 气接触自由表面 液固接触的周界 不同液体接触的周界表面张力产生的原因 由于内聚力的不同而导致 分子受力不平衡 2 毛细管现象 在毛细管中 表面张力可以引起液面上升或下降 此现象称之为毛细管现象 液固间附着力大于液体的内聚力H2O 液固间附着力小于液体的内聚力 Hg 表面张力在垂直方向的分力与所升高液柱的重量相等时 液柱平衡不再升高 即有 液柱高度h 例题1 5 P9 图1 6液体在毛细管内上升 a 湿润管壁的液体的液面上升 图1 6液体在毛细管内下降 b 不湿润管壁的液体的液面下降 第三节作用在流体上的力 流体无论处于运动或平衡状态 都受到各种力的作用 按力的物理性质不同来划分 可分为重力 惯性力 弹性力和粘滞力 按力的作用方式不同 可分为 质量力和表面力两种 一 质量力 作用在流体每一质点上 其大小与流体质量成正比 G mg直线惯性力 离心惯性力 这三种力都与液体质量m成正比 且都作用在质点中心上 因而称为质量力 二 表面力 近程力 接触力 表面力指作用于流体的表面上 并与受作用的流体表面积成正比 表面力包括外力和内力 垂直于作用面的力 称为法向力 压力 P 平行于流体作用面的 称为切向力 内摩擦力 T连续流体中 表面力是在流体表面连续分布的力 因此使用单位面积上的表面力来表述 称为应力 第四节流体的各种模型 本节主要介绍几个概念 1 连续介质 宏观 数学分析 2 理想流体 不考虑粘度 可压缩性 膨胀性等物理性质的流体 3 不可压缩流体 4 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体 服从牛顿内摩擦定律的流体 水 大部分轻油 气体等 假塑性流体 的增长率随dv dz的增大而降低 高分子溶液 纸浆 血液等 塑性流体 克服初始应力 0后 才与速度梯度成正比 牙膏 新拌水泥砂浆 中等浓度的悬浮液等 膨胀型流体 的增长率随dv dz的增大而增加 淀粉糊 挟沙水流 本章小结 流体的分类 本章重点 连续介质假设 牛顿内摩