第1章 流体及其属性 华南理工大学

1、第第 1 1 章章 流体及其属性流体及其属性 1.1 流体连续介质 1.2 密度与粘性 1.3 压缩性和膨胀性 1.4 其他属性流体在空间某点的参数，在任何瞬间都取决于在此瞬间占据该空间点的流体质点的宏观参数，即质点所包含的流体分子的统计行为。在连续性假设之下， 除在个别的点、线、面外，表征流体状态的宏观物理量如速度、压强、密度、温度等参数在空间和时间上都是连续分布的，都可以作为空间和时间的连续函数。流体质点： 包含有足够多流体分子的微团，在宏观上流体微团的尺 度和流动所涉及的物体的特征长度相比充分的小，小到在数学上可以作为一个点来处理。而在微观上，微团的尺度和分子的平均自由行程相比又要足够大

2、。失效情况: 稀薄气体 激波(厚度与气体分子平均自由程同量级)1.2 流体的密度和粘性流体的密度和粘性流体的密度 单位体积里流体的质量。均质流体3mkgVM非均质流体VMlim0V 运动或静止的流体都受到力的作用。地球上的流体受到的作用力可分为表面力和质量力两类，它们分别又称为接触力和体积力。 表面力表面力 包括粘性力、非粘性压力、湍流力、表面张力、附着力等。表面力的大小正比于作用面积。 质量力质量力 其大小正比于流体的质量。地球上流体受到的质量力包括重力、牵连惯性力和科氏惯性力。 地球上的流体还可能受到其他质量力的作用，但其数值通常很小而可忽略不计。 流体的流动和受力流体的流动和受力 粘度粘

3、度 不同的流体在相同切力作用下会产生不同的变形速率，即抵抗剪切变形的能力不同，这种能力的大小可作为所产生的摩擦阻力的量度，这种量度就是粘度。 粘性粘性是反映流体不同部分作相对运动时将在流体内部产生摩擦阻力(阻滞运动的力)这样一种属性。 内摩擦力来源内摩擦力来源于分子间作用力和动量交换，以及流体微团间动量交换。一般地将粘性分为层流粘性和湍流粘性；它们分别是相邻流体分子间和相邻流体微团间相互作用的结果。 粘度和粘性在一些情况下是可以互换的两个概念，前者反映量值，后者反映属性。粘度越大流体就越难流动，粘度越小则越易于流动。流体的粘性流体的粘性流体的粘性流体的粘性xyU)(yuF图 牛顿内摩擦实验h流

4、体运动时，流体内部具有抵抗变形、阻滞流体流动的特性。4 . 2 . 13 . 2 . 1hUSFhUSF粘性系数或动力粘性系数牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律牛顿在自然哲学的数学原理中假设：“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比”。yudd2msN 运动粘性系数sm2粘性系数取决于流体的性质、温度与压强。一般随温度变化较大：温度增加，水的粘性系数变小，气体变大。牛顿流体非牛顿流体理想流体 粘性流体例1.2.1 一块可动平板与另一块不动平板之间为某种液体，两块板相互平行，它们之间的距离 。若可动平板以 的水平速度向右移动，为维持这个速度，需要单位面积上的作用力为 ，求这二平板间液体的粘

5、性系数。解 由牛顿内摩擦定律认为两板间液体速度呈线性分布，故所以mm5 . 0hsm25. 0v2mN2yudds1105105 . 025. 0dd23hvyu232msN1041052hv牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律例1.2.2 解：油层与轴承接触面上的速度为零，与轴接触面上的速度等于轴面上的线速度：m/s77.36036.020060dn设油层在缝隙内的速度分布为直线分布，即 则轴表面上总的切向力 为：N10535. 1102136. 077. 372. 0). (44dLAT克服摩擦所消耗的功率为：kW9 .57Nm/s1079. 577. 310535. 144TN流体的压缩性在一定

6、的温度下，单位压强增量引起的体积变化率定义为流体的压缩性系数，其值越大，流体越容易压缩，反之，不容易压缩。压缩系数Nmdddd2pVVpVVk体积弹性系数VpVkEdd1流体的压缩性可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体气体和液体都是可压缩的，通常将气体视为可压缩流体， 液体视为不可压缩流体。水击或水下爆炸：水也要视为可压缩流体；当气体流速比较低时也可以视为不可压缩流体。流体的膨胀性在压强一定时，单位温度增量引起的体积变化率定义为流体的膨胀性系数。膨胀系数C1 ,K1ddddTVVTVVaT又，流体的密度与温度和压强有关TapkTTppTTppTpTddd1d1dddd,rrhh(a

7、)(b)图 表面张力其他属性其他属性表面张力表面张力: -单位长度所受拉力 表面张力随温度变化，温度升高，表面张力减小。 引起的附加法向压强由式（1.3.6）计算 接触角概念接触角概念: 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洁净玻璃的 = 0 水银与洁净玻璃的 = 140其他属性其他属性毛细现象 hgdhghdd)cos(441)cos(2内聚力内聚力: 液体分子间吸引力附着力附着力: 液体与固体分子间吸引力其他属性其他属性汽化压强汽化压强 图1-1

8、1为纯净物质的三态界限示意图，图中任意一点对应着一个确定的物态，由一组参数( p, T )描述。分界线OA、AB和AC划分出固、液、气三态的范围，当p和T同时或分别变化并越过分界线时，物态发生转化。其他属性其他属性图图 纯净物质三态界限示意图纯净物质三态界限示意图 工程中会遇到液态向气态转化过程，图表示液态转化为气态的两个最基本途径，即 1）压强p不变、温度由T增加到T ，即从液态点i沿水平方向越过分界线AB到达气态点j，此现象称为沸腾； 2）温度T不变、压强由p降低到p，即从液态点i沿垂直方向越过分界线AB到达气态点k，此现象称为汽化。 沸腾和汽化的物理本质都是：一部分液体分子克服了表面张力的束缚而成为气体。 分界线AB上的温度Tv和压强pv分别称为沸点和汽化压强。沸点随压强的增减而升降。 其他属性其他属性 按连续介质的概念，流体质点是指: A、流体的分子； B、流体内的固体颗粒； C、几何的点； D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。思考题 (D) 流体的粘性与流体的-无关 (a). 分子内聚力 (b).分子动量交换 (c). 温度 (d). 速度梯度思考题 (d)温度升高时表面张力