流体概念及性质ppt课件

1 1流体的定义和特征 自然界物质存在的主要形态 固态 液态和气态 一 流体的定义 流体的定义 在静力平衡时 不能承受拉力或剪力的物体就是流体 液体与气体的区别液体的流动性小于气体 液体具有一定的体积 并取容器的形状 气体充满任何容器 而无一定体积 二 流体的特征 易流动性 力学上只能承受压力 一般不能承受拉力 静止时不能承受切力 流体也是物质的一种基本形态 遵循自然界一切物质运动的普遍规律 1 1流体的定义和特征 1 2流体的连续介质假设 微观 流体是由大量做无规则热运动的分子所组成 分子间存有空隙 在空间是不连续的 宏观 一般工程中 所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多 问题的引出 定义 不考虑流体分子间的间隙 把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质 流体微团必须具备的两个条件必须包含足够多的分子 体积必须很小 一 流体的连续介质假设 流体微团 或流体质点 宏观上足够小 以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点 同时微观上足够大 里面包含着许许多多分子 其行为已经表现出大量分子的统计学性质 1 2流体的连续介质假设 避免了流体分子运动的复杂性 只需研究流体的宏观运动 2 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律 连续函数 二 采用流体连续介质假设的优点 1 2流体的连续介质假设 一 流体的密度 单位体积流体所具有的质量 密度表征物体惯性的物理量 单位 kg m3 常见流体的密度 水 1000kg m3空气 1 23kg m3水银 136000kg m3 均匀流体 1 3流体的主要物理性质 非均匀流体 1 3 1流体的密度与重度 均质流体重度 非均质流体重度 重度与密度间的关系 1 3 1流体的密度与重度 二 重度 三 流体的相对密度 流体的密度与4oC时水的密度的比值 式中 f 流体的密度 kg m3 w 4oC时水的密度 kg m3 1 3 1流体的密度与重度 四 流体的比容 单位质量的流体所占有的体积 流体密度的倒数 单位 m3 kg 1 3 1流体的密度与重度 五 混合气体的密度 混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算 式中 1 2 n 各组分气体的密度a1 a2 an 各组分气体所占的体积百分数 1 3 1流体的密度与重度 1 3 2流体的压缩性和膨胀性 一 流体的压缩性 流体体积随着压力的增大而缩小的性质 1 压缩系数单位压力增加所引起的体积相对变化量 2 体积模量 二 流体的膨胀性 流体体积随着温度的增大而增大的性质 1 体胀系数单位温度增加所引起的体积相对变化量 1 3 2流体的压缩性和膨胀性 工程上不可压缩流体 液体 气体 温度与压强 压缩性 膨胀性影响小 压缩性 膨胀性影响大 满足理想气体状态方程 1 3 2流体的压缩性和膨胀性 对液体而言 其压缩性 一般情况下不考虑 因此工程实际常把液体看作不可压缩的流体 液体的膨胀性也很小 除温度变化大的场合 一般工程问题也不考虑 通常情况下 气体的密度随压力和温度的变化很明显 对实际气体 不大于10MPa时 他们之间的关系遵守理想气体状态方程 1 3 2流体的压缩性和膨胀性 理想气体状态方程 R 气体常数空气R 8 31 0 029 287J kg K 等温过程 压缩系数 等压过程 膨胀系数 绝热过程 压缩系数 低速 标准状态 v 68m s 气流可按不可压缩流体处理 1 3 2流体的压缩性和膨胀性 三 可压缩性流体和不可压缩性流体 1 可压缩性流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质 2 可压缩流体和不可压缩流体 可压缩流体 考虑可压缩性的流体 不可压缩流体 不考虑可压缩性的流体 1 3 2流体的压缩性和膨胀性 1 3 3流体的粘性 一 流体的粘性 1 粘性的定义流体运动时 其内部各流体微团之间发生相对运动时 流体内部会产生摩擦力 即粘性力 以阻抗流体变形的性质 1 库仑实验 1784 库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦 2 流体粘性所产生的两种效应流体内部各流体微团之间会产生粘性力 流体将粘附于它所接触的固体表面 1 3 3流体的粘性 粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性 当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时 流体的粘性就表象不出来 其内摩擦力也就等于零 2 牛顿内摩擦定律 1 牛顿平板实验 当h和u不是很大时 两平板间沿y方向的流速呈线性分布 1 3 3流体的粘性 2 牛顿内摩擦定律 实验表明 对于大多数流体 存在 引入比例系数 得 1 3 3流体的粘性 速度梯度的物理意义 角变形速度 剪切变形速度 vdt v dv dt dvdt dz d 流体与固体在摩擦规律上完全不同 正比于dv dy 正比于正压力 与速度无关 粘性切应力与速度梯度成正比 2 粘性切应力与角变形速率成正比 3 比例系数称动力粘度 简称粘度 牛顿内摩擦定律表明 1 3 3流体的粘性 流体粘性大小的度量 由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起 1 动力粘度 2 运动粘度 3 粘度 3 相对粘度 恩氏粘度 1 3 3流体的粘性 3 粘度的影响因素 温度对流体粘度的影响很大 温度 压力对流体粘度的影响不大 一般忽略不计 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 1 3 3流体的粘性 水的动力黏度与温度的关系 式中 为零度时的动力黏度 Pa s 气体的动力黏度与温度的关系 苏士兰关系式 只使用于压强不太大的场合 1 3 3流体的粘性 式中 C为气体常数 4 粘度的测量 管流法落球法旋转法工业粘度计 1 3 3流体的粘性 二 粘性流体和理想流体 1 粘性流体 具有粘性的流体 0 2 理想流体 忽略粘性的流体 0 一种理想的流体模型 1 3 3流体的粘性 dv dz 牛顿流体 o 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 三 牛顿流体与非牛顿流体 非牛顿流体 塑性流体 假塑性流体 胀塑性流体 研究非牛顿流体受力和运动规律的科学称为 流变学 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 1 3 4表面张力和毛细现象 1 表面张力 由分子的内聚力引起单位 N m 发生在液气接触的周界 液固接触的周界 不同液体接触的周界 表面张力现象 露珠 肥皂泡 毛细现象等 2 表面张力和接触角概念 表面张力 单位长度所受拉力接触角概念 当液体与固体壁面接触时 在液体 固体壁面作液体表面的切面 此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度 称为接触角 当 为锐角时 液体润湿固体 当 为钝角时 液体不润湿固体 水与玻璃的 80 90水银的 1380 1 3 4表面张力和毛细现象 1 3 4表面张力和毛细现象 3 毛细现象 液固接触 液固间附着力大于液体的内聚力 液固间附着力小于液体的内聚力 内聚力 液体分子间吸引力附着力 液体与固体分子间吸引力 毛细现象 水在玻璃管中上升高度h 29 8 d mm 水银在玻璃管中下降高度h 10 5 d mm 工程中常用的测压管 毛细现象往往造成较大的误差 一般情况下测压管的管径应大于10mm 另外在研究液滴的破碎 气泡的形成等问题时 也必须要考虑表面张力的作用 流体力学的模型 连续介质流体微元 具有流体宏观特性的最小体积的流体团理想流体不考虑粘性的流体不可压缩性 c 作用在流体上的力 1 质量力 作用在所研究的流体质