天津理工大学流体力学流体基本性质

1、过程装备与控制工程过程装备与控制工程1-2 1-2 流体质点和连续介质流体质点和连续介质一、流体一、流体液体：有体积无形状液体：有体积无形状气体：无体积无形状气体：无体积无形状宏观宏观表象表象不能承受拉力不能承受拉力不能承受剪切力（平衡状态下）不能承受剪切力（平衡状态下）力学力学性能性能一般定义一般定义：液体和气体的统称，它们没有一定的形状，：液体和气体的统称，它们没有一定的形状，容易流动。（现代汉语词典）容易流动。（现代汉语词典） 力学定义力学定义：流体在平衡状态下，不能抵抗任何剪切力。：流体在平衡状态下，不能抵抗任何剪切力。 过程装备与控制工程过程装备与控制工程二、流体质点二、流体质点微观

2、尺寸微观尺寸足够大足够大宏观尺寸宏观尺寸非常小非常小有一定的有一定的宏观物理宏观物理量量形状由人形状由人为划定为划定过程装备与控制工程过程装备与控制工程三、连续介质三、连续介质 根据流体连续介质模型，表征流体性质和运动特根据流体连续介质模型，表征流体性质和运动特性的物理量和力学量都是时间和空间的连续函数。性的物理量和力学量都是时间和空间的连续函数。1)1)可用连续性函数可用连续性函数B (x, y, z, t) 描述流体质点物理描述流体质点物理量的空间分布和时间变化；量的空间分布和时间变化； 2)2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连

3、续函数理论求解方程。并用连续函数理论求解方程。 过程装备与控制工程过程装备与控制工程1-3 1-3 密度、比体积和相对密度密度、比体积和相对密度比体积：比体积：1v3mkg单位：相对密度：相对密度：md过程装备与控制工程过程装备与控制工程1-4 1-4 压缩性和膨胀性压缩性和膨胀性1. 1. 气体状态方程气体状态方程pVnRT主要研究气体的压缩性和膨胀性主要研究气体的压缩性和膨胀性gpVmR TgRRM令：令：则：则：gpvR T过程装备与控制工程过程装备与控制工程2. 2. 膨胀系数膨胀系数1pdVV dT-1单位：k物理意义：压强不变，每增加单位温度所产生物理意义：压强不变，每增加单位温度

4、所产生的体积相对变化率。的体积相对变化率。气体：气体：1pT盖盖-吕萨克定律吕萨克定律过程装备与控制工程过程装备与控制工程3. 3. 压缩率压缩率1TdVV dp -1单位：Pa物理意义：温度不变，每增加单位压强所产生物理意义：温度不变，每增加单位压强所产生的体积相对变化率。的体积相对变化率。气体：气体：1Tp过程装备与控制工程过程装备与控制工程4. 4. 体积模量体积模量1TK单位：Pa物理意义：温度不变，每产生单位体积相对变物理意义：温度不变，每产生单位体积相对变化率所需的压强变化量。化率所需的压强变化量。过程装备与控制工程过程装备与控制工程不可压缩流体不可压缩流体当流体的压缩性对所研究的

5、流动影响不大，可忽当流体的压缩性对所研究的流动影响不大，可忽略不计时，这种流体称为不可压缩流体，反之称略不计时，这种流体称为不可压缩流体，反之称为可压缩流体。为可压缩流体。过程装备与控制工程过程装备与控制工程1-5 1-5 流体的粘性流体的粘性实验实验问题：问题： F F的大小？的大小？1.1.流体内部的速度分布？流体内部的速度分布？过程装备与控制工程过程装备与控制工程一、牛顿内摩擦定律一、牛顿内摩擦定律自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理流体内摩擦的概念最早由流体内摩擦的概念最早由牛顿（牛顿（I.Newton,1687I.Newton,1687）提出。提出。 0vFA过程装备与控制工程过程装

6、备与控制工程 牛顿内摩擦假设在过了近一百年后，牛顿内摩擦假设在过了近一百年后，由库仑（）用实验得到证实。由库仑（）用实验得到证实。 普通板普通板涂腊板涂腊板细砂板细砂板过程装备与控制工程过程装备与控制工程三种圆板的衰减时间均相等。三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论库仑得出结论: : 衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦 ，而是液体内部的摩擦。而是液体内部的摩擦。 过程装备与控制工程过程装备与控制工程壁面不滑移假设壁面不滑移假设由于流体的易变形由于流体的易变形性，流体与固壁可性，流体与固壁可实现分子量级的粘实现分子量级的粘附作用。通过分子附作用。通

7、过分子内聚力使粘附在固内聚力使粘附在固壁上的流体质点与壁上的流体质点与固壁一起运动或静固壁一起运动或静止。止。 壁面不滑移条件壁面不滑移条件过程装备与控制工程过程装备与控制工程说明说明 此式不仅适用于液体，也适用于气体。此式不仅适用于液体，也适用于气体。 此式表明，流体内有相对运动时，流体内就会此式表明，流体内有相对运动时，流体内就会产生内摩擦力来抗拒此相对运动。产生内摩擦力来抗拒此相对运动。 切应力切应力的大小与流体的粘性以及沿运动垂直的大小与流体的粘性以及沿运动垂直方向上的速度梯度方向上的速度梯度dv/dydv/dy成正比。成正比。过程装备与控制工程过程装备与控制工程0vFA0vdvdy牛

8、顿流体牛顿流体过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程流体力学所研究的仅限于牛顿流体。流体力学所研究的仅限于牛顿流体。过程装备与控制工程过程装备与控制工程二、流体的粘度二、流体的粘度/dv dy动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度s 单位：Pa/s2单位：m过程装备与控制工程过程装备与控制工程三、粘度的变化规律三、粘度的变化规律液体粘度的本质：液体粘度的本质：分子引力。分子引力。引力越大，粘度引力越大，粘度越大；引力越小，粘度越小。越大；引力越小，粘度越小。温度温度升高或升高或压力压力减小时减小时: : 液体分子间平均距离增液体分子间平均距离增大，内聚力减小，使粘度

9、相应减小。大，内聚力减小，使粘度相应减小。 温度降低或压力增大时温度降低或压力增大时: : 液体分子间平均距离减液体分子间平均距离减小，内聚力增大，使粘度相应增加。小，内聚力增大，使粘度相应增加。 过程装备与控制工程过程装备与控制工程13vl气体粘度的本质：气体粘度的本质：分子热运动分子热运动: :平均自由程。自由程是指一个分子与其它分子平均自由程。自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。相继两次碰撞之间，经过的直线路程。l气体粘度的变化规律与液体气体粘度的变化规律与液体相反相反。过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程四、理想流体四、理想

10、流体 实际流体都具有粘性。当粘性力对流动影响很实际流体都具有粘性。当粘性力对流动影响很小时，假设流体没有粘度，这种无粘度的假想的流小时，假设流体没有粘度，这种无粘度的假想的流体模型称为理想流体。引入理想流体模型后，大大体模型称为理想流体。引入理想流体模型后，大大简化了流体力学问题的分析和计算。简化了流体力学问题的分析和计算。过程装备与控制工程过程装备与控制工程问题：问题：过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程1-6 1-6 表面张力表面张力一、表面张力的形成一、表面张力的形成BCArrr过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程过程装备与控制工程液

11、体和固体接触液体和固体接触 当内聚力附着力当内聚力附着力液体分子有被拉回去趋势，液体分子有被拉回去趋势，接触面尽可能小接触面尽可能小液体不能侵润（水银和玻璃接触液体不能侵润（水银和玻璃接触，水和石蜡接触），水和石蜡接触）液体分子液体分子一方面受固体分子引力一方面受固体分子引力附着力附着力一方面受液体分子引力一方面受液体分子引力内聚力内聚力 二、毛细现象二、毛细现象过程装备与控制工程过程装备与控制工程 当内聚力附着力当内聚力附着力液体能侵润（水和玻璃接触）液体能侵润（水和玻璃接触） 在有细小缝隙、能侵润情况下，液体沿缝隙上升；在有细小缝隙、能侵润情况下，液体沿缝隙上升；在不能侵润情况下，液体沿缝隙下降在不能侵润情况下，液体沿缝隙下降毛细现象毛细现象。过程装备与控制工程过程装备与控制工程水与玻璃的可侵润水与荷叶的不可侵润过程装备与控制工程过程装备与控制工程三、汽化压强（蒸汽压）三、汽化压强（蒸汽压）沸腾沸腾：温度升高，：温度升高，分