上电院工程流体力学课件第1章 流体及其物理性质

《工程流体力学》

电子教案上海电力学院能源与环境工程学院工程热物理学科第一章 绪论

§1.1

流体的定义和特征§1.2

流体作为连续介质的假设§1.3

作用在流体上的力表面力质量力§1.4

流体的密度§1.5

流体的压缩性和膨胀性§1.6

流体的粘性§1.7

流体的表面性质第一章绪论§1.1流体的定义和特征自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态一、流体的定义流体与固体的区别

固体的变形与受力的大小成正比；任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。具有流动性的物体（即能够流动的物体）。流动性：在微小剪切力作用下汇发生连续变形的特性。流体包括液体和气体第一章绪论§1.1流体的定义和特征一、流体的定义液体与气体的区别液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积。二、流体的特征流动性第一章绪论§1.2流体的连续介质假设微观：流体是由大量做无规则热运动的分子所组成，分子间存有空隙，在空间是不连续的。宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多。问题的引出：第一章绪论§1.2流体的连续介质假设定义：不考虑流体分子间的间隙，把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。流体微团必须具备的两个条件必须包含足够多的分子；体积必须很小。一、流体的连续介质假设第一章绪论§1.2流体的连续介质假设避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。2.

可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。二、采用流体连续介质假设的优点第一章绪论§1.3作用在流体表面上的力两类作用在流体上的力：表面力和质量力一、表面力1.应力

单位面积上的表面力。分离体以外的流体通过流体分离体表面作用在流体上的力，其大小与作用面积成比第一章绪论§1.3作用在流体表面上的力一、表面力2.法向应力和切向应力

第一章绪论§1.3作用在流体表面上的力二、质量力作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。例如：重力、惯性力、磁力第一章绪论§1.4流体的密度一、流体的密度单位体积流体所具有的质量。密度表征物体惯性的物理量。单位：kg/m3

常见流体的密度：水——1000kg/m3

空气——1.23kg/m3

水银——136000kg/m3均匀流体：第一章绪论§1.4流体的密度二、流体的相对密度流体的密度与4oC时水的密度的比值。

式中，

f

——流体的密度（kg/m3）

w——4oC时水的密度（kg/m3）第一章绪论§1.4流体的密度三、流体的比容单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。单位：m3/kg第一章绪论§1.4流体的密度四、混合气体的密度混合气体的密度按各组分气体所占体积百分数计算。式中：

1，

2，…

n

——各组分气体的密度

a1，a2，…an——各组分气体所占的体积百分数第一章绪论§1.5流体的压缩性和膨胀性一、流体的压缩性流体体积随着压力的增大而缩小的性质。1.压缩系数

单位压力增加所引起的体积相对变化量2.体积模量

第一章绪论§1.5流体的压缩性和膨胀性二、流体的膨胀性流体体积随着温度的增大而增大的性质。1.体胀系数

单位温度增加所引起的体积相对变化量第一章绪论§1.5流体的压缩性和膨胀性三、可压缩性流体和不可压缩性流体1.可压缩性流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。2.可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体：考虑可压缩性的流体不可压缩流体：不考虑可压缩性的流体第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性1.粘性的定义流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1)库仑实验(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。

第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)1.粘性的定义(续)

(2)流体粘性所产生的两种效应流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体降粘附于它所接触的固体表面。第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律

(1)牛顿平板实验当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(续)

(2)牛顿内摩擦定律实验表明，对于大多数流体，存在引入比例系数μ，得：第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(续)

(2)牛顿内摩擦定律(续)⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)粘性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律表明：CDBAd

badydudt第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。(1)动力粘度(2)运动粘度3.粘度第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)3.粘度（续）

(3)粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑

第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)3.粘度（续）

(3)粘度的影响因素（续）压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大

液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。

温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓

气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。

温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑

第一章绪论§1.6流体的粘性一、流体的粘性(续)3.粘度（续）

(4)粘度的测量管流法落球法旋转法工业粘度计第一章绪论§1.6流体的粘性二、粘性流体和理想流体1.粘性流体

具有粘性的流体（μ≠0）。2.理想流体

忽略粘性的流体（μ=0）。一种理想的流体模型。第一章绪论§1.6流体的粘性三、牛顿流体和非牛顿流体1.牛顿流体

2.非牛顿流体

符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。第一章绪论§1.7液体的表面性质一、表面张力1.表面张力现象

水滴悬在水龙头出口而不滴落；

细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；

铁针浮在液面上而不下沉。

表面张力1）影响球

液体分子吸引力的作用范围大约在以3~4倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球”。

2）表面层厚度小于“影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。

3）表面张力

表面层中的液体分子都受到指向液体内部的拉力作用，单位长度上的这种拉力称为表面拉力。2.表面张力现象

第一章绪论§1.7液体的表面性质一、表面张力（续）(1)影响球液体分子吸引力的作用范围大约在以3~4倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球”。

2.表面张力

(2)表面层厚度小于“影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。

(3)表面张力σ（N/m)液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力,单位长度上的这种拉力称为表