第一章 流体特性

1、.,第一章 绪论,一. 流体的力学特性,二. 流体质点与连续介质模型,三. 流体的重要物理属性,.,一、流体的力学特性,1、流体与固体有下列三个物质基本属性： （1）由大量分子组成；（2）分子不断作随机热运动；（3）分子与分子之间存在着分子力的作用。 2、流体与固体的微观的差异导致宏观表象： （1）固体有一定的体积和一定的形状；（2）液体有一定的体积而无一定的形状；（3）气体既无一定的体积也无一定的形状。 3、流体在力学性能上表现处如下两个特点： （1）流体不能承受拉力，因而流体内部永远不存在抵抗拉伸变形的拉应力； （2）流体在宏观平衡状态下不能承受剪应力，任何微小的剪应力都会导致流体连续变形

2、、平衡破坏、产生流动。,.,二、流体质点与连续介质的概念,流体质点：流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大 的任意一个物理实体。 1、流体质点的宏观尺寸非常小； 2、流体质点的微观尺寸足够大； 3、流体质点是具有物理量。 4、流体质点的形状可以任意划定。,.,连续介质模型,一. 连续介质模型的概念,二.引进连续介质模型的必要性,1. 研究大量分子所表现出来的宏观运动和作用的平均效果； 2. 描述连续介质宏观运动的物理量可表示成空间坐标和时间的连续函数 ; 3. 应用高等数学有关连续函数进行求解,将流体看成由无限多流体质点所组成的稠密而无间隙的连续介质。,.,1、流体的密度 流体密度：单位体积流

3、体所具有的质量，用符号来表示。 对于流体中各点密度相同的均质流体，其密度,三. 流体的物理属性,对于各点密度不同的非均质流体，其密度,.,2、流体的相对密度 流体的相对密度是指某种流体的密度与4时水的密度的比值，用符号d来表示。 式中， 流体的密度，kg/m3； 4时水的密度，kg/m3。,.,在标准大气压和20常用气体性质,.,流体的压缩性和膨胀性,流体的粘性,3、流体重要物理属性,流体的导热性,流体重要物理属性,.,流体的压缩性,流体的压缩性：在一定的温度下，流体体积随压强升高而缩小的性质。 （1）流体压缩性通常用体积压缩系数来表示。,值大，表示流体的可压缩性大；反之则表示可压缩性小 。,

4、（2） 流体的可压缩性也可用压缩系数的倒数即体积弹性模量K来描述。 K的值大，表示流体的可压缩性小；反之可压缩性大。,.,流体膨胀性,水的温度膨胀系数,流体的膨胀性：在一定的压强下，流体的体积随温度的升高 而增大的性质。,.,不可压缩流体与可压缩流体,不可压缩流体：在大多数情况下，忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。,可压缩流体：密度随温度和压强变化的流体称为。,注：气体在整个流动过程中，压强和温度变化不大，其密度变化很小，流速小于声速，可作为不可压缩流体处理。,.,粘性：在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形速率的能力的量度。,牛顿内摩擦定律：,切应力：,相邻两层流体作相对运动时产生的摩

5、擦力 （1）与两层流体的速度梯度成正比； （2）与两层流体的接触面积成正比； （3）与流体物性有关；,.,du/dy的含义： 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。,.,为流体动力粘度，Pas =/为流体运动粘度，m2/s,注意：液体和气体的粘度随温度变化规律不同。,.,讨论： 1、压强对粘度的影响。 对液体，压强不是很高时，压强对粘度影响很小；当压强增高到几十MPa时，应考虑压强对粘度的影响。 对于液体： 对于气体，粘度随压强升高而减小。 2、液体中含有空气，对粘度的影响。 3、混合气体的粘度系数计算,.,.,牛顿流体与非牛顿流体,实际流体（0）与理想流体（

6、=0）,.,粘度测量:,1.直接测量 转筒式、毛细管式、落球式,2.间接测量 利用仪器测定经过某一标准孔口流出一定量流体所需时间，再利用仪器所特有的经验公式间接地算出流体的粘度。,.,应用举例,假定缝隙 ，缝隙中液流的速 度分布规律 近似为直线关 系。 则速度梯度为 切应力为 摩擦面积为 流体对柱塞的摩擦力为 柱塞克服摩擦所需要的功率为,1. 同心环形缝隙中的直线运动,.,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 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。,解：,d,D,L,.,2、同心环形缝隙中的回转运动,假定缝

7、隙 ，缝隙中液流的速 度分布规律 近似为直线关 系。因为轴表面处的直线速度为 则速度梯度为 切应力为 摩擦面积为 流体作用在轴上的摩擦力为 流体作用在轴上的摩擦力矩为,.,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=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。,解：,h,n,r1,r2,得,.,3、圆盘缝隙中的回转运动,.,表面张力 一.液体的表面现象 液体的界面 液体与气体的差别气体分子间的距离通常较大，而液 体分子间的距离缩短了，分子力的作用显著增加，液体分 子由于互相吸引，表现出气体

8、分子所没有的内聚力和自由 表面。 液体区别于气体的主要特征之一：是它和空气接触处有一 个自由表面，和固体、器官组织接触处有一个附着层。 在液体内部由于分子的紊乱运动，液体在各个方向的物理 性质都是完全相同的，即各向同性。,.,在液体的表面，无论是在液体与空气之间的自由表面，或是在两种不能混合的液体之间的界面，或是在液体与固体之间的界面，各个方向的物理性质就不相同，即各向异性。 二. 表面张力 液体具有收缩其表面，使表面积达到最小的趋势。这说明液体表面存在着张力，这种张力称为表面张力。 表面张力产生的原因，可以用分子间相互作用的分子力来加以解释。 分子间的平衡距离r0的数量级约为10-10m。

9、当两个分子间的距离 r = r0 时，分子间的作用力为零。 而当分子间的距离大于10-9m时，引力很快趋于零。 如果以10-9m为半径作一球面，显然则只有在这个球面内的分子才对位于球心上的分子有作用力。,.,分子作用球分子引力作用范围是半径为10-9m的球形，球的半径称为分子作用半径。 液体的表面层液体表面厚度等于分子作用半径的一层。 在表面层内液体分子受力的情况跟液体内部的液体分子的受力情况有所不同。,.,可见,位于液体表面层内的液体分子都受到了一个指向液体内部的力的作用。在这些力的作用下，液体表面就处于一种特殊的紧张状态，在宏观上表现为一个被拉紧的弹性薄膜而具有表面张力。 为了定义表面张力

10、，我们可以设想在液面上有一条线段MN，它把液面划分成1和2两部份，如下图所示。,.,实验表明：f1、f2都与液面相切，并与分界线MN相垂直，大小相等，方向相反。而表面张力的大小F是和液面设想的分界线MN的长度L成正比的，因此有 F =L 液体的表面张力系数，其在数值上等于沿液体表面作用在分界线单位长度上的表面张力。 在国际单位制中，的单位是（Nm-1） 表面张力系数与液体的性质和温度有关，液体的值还与液体的纯净度有关。,.,.,二. 毛细现象 ）润湿现象当液体和固体接触时，液固界面之间会出现两种现象：润湿和不润湿现象。,同一种液体，对不同的固体来说，它可以是润湿的，也可以是不润湿的。润湿和不润

11、湿现象就是液体和固体接触处的表面现象。其差别是由液体分子与固体分子之间的相互作用而形成的。可以用其分子间相互作用力的大小来解释。,.,内聚力液体分子之间的吸引力； 附着力液体分子和固体分子之间的吸引力。 润湿和不润湿的差别就在于是内聚力小于或大于附着力。 如果内聚力小于附着力，固体就被润湿，即发生润湿现象。 如果内聚力大于附着力，固体上的液滴不会展开，即发生不润湿现象。 接触角当平衡时，在固体和液体的界面处，液体表面切面经液面内部与固体表面间的夹角。 其值介于80之间，具体由附着力和内聚力的大小来定。,.,.,附着力越大，越小，液体越能润湿固体。 时，液体完全润湿固体。 图-10（a）表示附着力大于内聚力，固体被润湿，小于90； 图5-10（b）表示内聚力大于附着力，液体不润湿固体，大于90； 180 时为完全不润湿。 2.毛细现象 毛细管内径小于1mm的管子。 毛细现象 将毛细管的一端插入液体中，若液体润湿管壁时，管内液面上升，液面呈现凹弯月面；若液体不润湿管壁时，管内液面则下降，