工程流体力学ch1---流体及其物理性质

1,前言,工程流体力学是能源与环境工程专业学生的主要专业基础课之一。后续的专业课程，有很多是这门课程的综合和实际的应用。学好这门课程，对能源、环境、机械、土木工程专业学生，尤为重要。工程流体力学主要介绍流体的性质及其运动规律。学习这些知识，可以认识流体的平衡特性，流体的流动规律，流体的流动形态，流体流动的阻力特性等。,2,流体力学在工业技术中有着广泛的应用，热能工程、环境工程、机械工程、水利工程、造船工业、航空航天、土木建筑、冶金化工中都离不开流体力学。在热能工程中的许多实际问题，实际上就是流体力学问题。如锅炉中的汽水循环，汽轮机的工作原理，水泵、风机的工作原理等都要用到流体力学的基本原理，因此学好流体力学就为将来从事热能工程的技术工作打下坚实的基础。,3,4,第一章流体及其物理性质,1.1流体的定义和特征1.2流体力学发展简史1.3流体的连续介质模型1.4国际单位制1.5流体的密度1.6流体的压缩性和膨胀性1.7流体的黏性1.8流体的表面张力,5,1.1流体的定义和特征,一、流体的定义流体是一种受任何微小剪切力作用都能连续变形的物质，只要这种力继续作用，流体就将继续变形，直到外力停止作用为止。固体受到剪切力作用时，仅产生一定程度的变形，作用力保持不变，固体变形就不再继续。易流动性是流体的一大特征。,6,二、液体和气体液体和气体是常见的流体。当液体和气体接触时，两者之间形成交界面，称为液体的自由表面。气体的密度大大小于液体。气体分子间的距离与分子直径相比很大，故分子间的吸引力很小。故它极易变形和流动，而且总是充满它所能达到的全部空间。液体分子间的距离较小，分子间的吸引力较大，故它不能象气体分子那样自由运动，只能在周围分子作用下作无规则的振动和在分子间的移动。所以，液体的流动性不如气体。,7,1.2流体力学发展简史,流体力学的研究可以追溯到很远。远古时代，箭弩的发明反映了原始人对箭头的流线型降低摩阻及尾翅的稳定性问题的探索。在我国，墨家经典墨子中就有关于浮力规律的探讨，其他如：北魏贾思勰的齐名要术、淮南子、以及后来的太平寰宇记、考工记等都有关于流体力学问题的记载。曹冲称象、怀丙捞铁牛等都是利用流体力学知识的脍炙人口的故事。而把流体力学真正当作一门学问来研究则是在西方。,8,希腊数学家阿基米德（公元前287-212年）导出了浮力定律，正确给出静止的粘性流体问题的精确解。文艺复兴时期，意大利著名画家、科学家达芬奇（1452-1519）正确推导了一维不可压流动的质量守恒方程。在他的笔记中还有关于波动、水跃、自由射流等流体力学问题的精确描述。1687年牛顿（1642-1727）发表的自然哲学的数学原理对几乎所有普通流体的粘性性状作了如下的简单描述：“流体的两部分（若其他情形一样）由于缺乏润滑性而引起的阻力，同流体两部分彼此分开的速度成正比”。今天，这种符合线性粘度规率的流体被称为“牛顿流体”。,9,10,1.3流体的连续介质模型,一、流体质点一块体积为无穷小的微量流体，但包含为数众多的流体分子，可反映大量分子运动的统计平均值。二、连续介质假设将流体视为由无数连续分布的流体质点组成的连续介质。,11,1.4国际单位制,InternationalSystemofUnits(SI),12,1.5流体的密度,一、流体的密度均匀流体的密度常用流体的密度（表1-5、1-6）,13,二、流体的相对密度三、流体的比体积四、混合气体的密度,14,1.6流体的压缩性和膨胀性,一、流体的压缩性流体受到的压强增大，则体积缩小，称为流体的压缩性。可用体积压缩系数或体积模量表示：,液体体积压缩系数很小，例如水（表1-7）,15,气体的体积压缩系数推导二、流体的膨胀性在一定的压强下，随着温度上升，流体的体积膨胀，称为流体的膨胀性。可用温度膨胀系数表示：,水的膨胀系数较小（表1-8）,气体的温度膨胀系数推导,16,三、可压缩流体与不可压缩流体任何实际流体都是可以压缩的。不可压缩流体是指密度为常数的流体。液体可作为不可压缩流体。例如：当水压增加一个大气压，体积仅缩小万分之零点五但是，在水击现象、水下爆炸等问题中，还要将水当作可压缩流体来处理。气体可作为可压缩流体。当气体流场中各点的密度差较小、流动马赫数较小时，气体也可视为不可压缩流体。,17,1.7流体的黏性,一、流体黏性的例子,当流体层间发生相对滑移时产生切向阻力的特性，就是流体的黏性。,18,二、牛顿内摩擦定律,19,三、动力黏度,运动黏度,动力黏度的影响因素1、压强的影响2、温度的影响水和空气的黏度（表1-9）常见气体、液体的黏度（表1-11、1-12）,20,四、牛顿流体和非牛顿流体,21,五、黏性流体和理想流体1、实际流体都是有黏性的。2、理想流体是指黏度为零的流体。3、