第一章 流体的性质

第一章流体的性质本章学习要点：1、流体的连续介质模型，流体质点；2、流体的可压缩性；3、流体的粘性；4、作用在流体上的力：质量力、表面力。学习要求：1、掌握流体质点定义，掌握流体质点与其他学科定义的质点之间的相同点与不同点，理解流体力学中引入流体质点概念的意义，掌握基于流体质点的流体参数定义方法；2、理解流体的压缩性与膨胀性参数的定义，要做到既会文字说明，又能用数学公式表达；3、了解粘性力的存在及粘性力消耗机械能的各种现象，掌握牛顿内摩擦定律表达式，理解粘性系数的物理意义，掌握粘性层粘性力产生的原因及影响粘性系数大小的主要因素，掌握应用牛顿内摩擦定律计算粘性和力矩的方法。4、了解流体受力分类，理解质量力矢量表示方法，理解表面力及由表面力引起的毛细现象。固态

物质的状态有三种液态气态流体

第一节流体的定义和特征固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抵抗拉伸变形。流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。液体和气体因受到很小的剪切力就会变形，而且容易流动，所以统称为流体。

a）固体和流体的区别：

从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。从物理学的角度解释是因为构成物质的内部微观结构、分子热运动和分子间的作用力不同所造成的，体积相同常规条件下流体中所含的分子数比固体少得多，分子间隙就大得多，所以易流动。b）液体和气体的区别：1、气体易于压缩，而液体难于压缩；2、液体占有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。c）液体和气体的共同点：两者均易流动，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者通称为流体。微观：分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有个左右的分子，相邻分子间的距离约为cm。1cm3气体中约有个左右的分子，相邻分子间的距离约为cm。宏观：考虑宏观，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。流体力学是研究流体的宏观运动规律的，不考虑微观结构。第二节流体的连续介质假设一、连续介质定义：把流体看作是连续的介质。二、连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型。三、优点1）排除了分子运动的复杂性；2）物理量作为时空连续函数，则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题。第三节作用在流体上的力表面力质量力一、分类1、按物理性质的不同分类：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、表面张力等；

2、按作用方式分：质量力和表面力二、表面力1、表面力：是相邻流体或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接触力。它的大小与作用面面积成正比。按作用方向可分为：

压力：垂直于作用面切力：平行于作用面2、应力：单位面积上的表面力，单位：N/m2或Pa

压强：

切应力：还有一种特殊类型的表面力，在液体与异相物质接触的自由表面上形成的，叫表面张力。三、质量力1、质量力：是指作用于所取分离体内每一个流体质点上的力，它的大小与质量成正比。单位：N2、单位质量力：单位质量流体所受到的质量力。单位：与加速度单位一致最常见的质量力有：重力、惯性力思考题（选择题）比较重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的单位质量力fh2o与fHg的大小?A、fh2o＜fHg

B、fh2o＞fHg

C、fh2o＝fHg

D、不能确定思考题试问自由落体和加速度为a方向为x方向运动的液体所受力的单位质量力大小（)分别为多少?自由落体：加速运动：一、流体质点流体质点（fluidparticle)又称“流体微团”。含有足够的分子，可作为连续介质基本单元的最小流体微团（即）第四节流体的密度例：按连续介质的概念，流体质点是指：A、几何尺寸流动空间相比是极小量，又含有大量分子的微元体；B、流体内的固体颗粒；C、几何的点；D、流体的分子。二、连续介质中一点处的密度把这个微小体积内的平均密度定义为连续介质中一点的密度。

连续介质中一点的速度就是指在某一瞬间正与该点重合的流体微团的质心运动的速度，它不同于微团内分子运动的速度。

注：1）密度为一标量，速度则是一向量。2）均质流体内部各点处的密度相等，水的密度常用值：三、相对密度－－流体的密度（）－－4℃时水的密度（）四、流体的比容1、流体的压缩性：当作用在流体上的压力增加时，流体的体积将减小，流体的这种现象叫流体的压缩性，用“”表示。

＿＿体积压缩系数第五节流体的压缩性和膨胀性2、体积模量（BulkModulusofElasticity）压缩系数的倒数为体积模量，用K表示

和K随温度和压强而变化，但变化甚微。说明：1）K越大，越不易被压缩，当时，表示该流体绝对不可压缩。2）流体的种类不同，其和K值不同；3）同一种流体的和K随温度、压强的变化而变化；4）在一定温度和中等压强下，水的体积模量变化不大。3、流体的膨胀性：当温度变化时，流体的体积也随之变化，温度升高，体积膨胀，这种特性称为流体的膨胀性，用“”表示。

当温度低于50℃时,水的体胀系数随压强增加而增大;当温度高于50℃时,水的体胀系数随压强增加而减小。4、气体的压缩性

＿＿完全气体状态方程得到求得：例：1、为什么水通常可视为不可压缩流体？因为水在压强变化不大时，水的体积变化很小，可忽略不计，所以通常把水视为不可压缩流体。2、自来水水龙头突然开启或关闭时，水是否为不可压缩流体？为什么？此时为可压缩流体。因为此时引起水龙头附近的压强变化，且变化幅度较大。一、粘性：在运动的状态下，流体阻止其发生剪切变形和角变形的一种特性，叫粘性。根据流体是否具有粘性，可分实际流体和理想流体：1）实际流体：指具有粘性的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力，即存在摩擦力。2）理想流体：是指无粘性的一种假想流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。

第六节流体的粘性录像1录像2流体运动时的粘性力与哪些因素有关？应该怎样来确定呢？拉上板的力F与上板的速度成正比，与两板间距离成反比，与上板面积（接触面积）成正比。二、牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律：液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即：说明：1）流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。－－区别于固体的重要特性，固体的切应力与角变形的大小成正比2)流体的切应力与动力粘度μ成正比。3）对于平衡流体的du/dy=0，或理想流体μ＝0，所以不产生切应力，τ=0.实验表明，对于大多数流体满足：