第一章 流体的基本物理性质

1、流体力学,流体力学，王松岭主编，中国电力出版社参考书：工程流体力学，孙丽君主编，中国电力出版社,课程概况,一、学时,总学时：24学时,二、教材,三、教师与辅导,主讲教师：李春曦，电话：辅导时间和地点：周四4:30-5:30，热能教研室,1.平时成绩，主要包括：不定期课堂测验（20%）；2.结课考试，占总成绩80%，采用闭卷形式。,四、考核方法,流体力学发展简史,古代时期,农业灌溉:航运,流体力学发展简史,古代时期大禹治水,流体力学发展简史,古代时期秦-都江堰,流体力学发展简史,古代时期古希腊阿基米德原理,流体力学发展简史,中世纪时期15世纪，意大利达芬奇水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题

2、；17世纪，牛顿牛顿粘性定律。法国皮托皮托管；达朗贝尔阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉欧拉方程伯努利伯努利方程。1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，,流体力学发展简史,近现代时期普朗特1904边界层理论20世纪初飞机的出现促进了空气动力学的发展20世纪40年代，为研究原子弹炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。从

3、50年代起，电子计算机不断完善，使数值计算方法成为可能，出现了计算流体力学这一新的分支学科从20世纪60年代起，流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等.,流体力学与本专业的联系,第一章流体的基本物理性质,主要内容流体的概念流体的密度流体的压缩性和膨胀性流体的粘性液体的表面张力与毛细现象,一、流体的定义和特征,1-1流体的概念,流体:在任何微小剪切力作用下都会产生连续变形的物质。通俗地说，流体即流动的物质。,流体力学：研究流体的运动和平衡规律以及流体与固体之间相互作用的一门科学。,流体的基本特征：流动性,气体：分子间距离大

4、，分子间作用力小，分子可自由运动，因而不能保持一定的形状和体积，充满整个空间。液体：分子间距离小，分子间作用力大，不能保持一定的形状，能保持一定的体积。,1、流体质点（流体微团）：指微观充分大（其中包含大量分子），宏观充分小的分子团。并且分子团的尺寸远远小于被研究流体所占据的空间，即认为此分子团内的物理量是均匀不变的，因而可近似地把这个分子团看作是几何上的一个点，即流体质点。.第3章液体与固体的区别.mov,流体力学研究流体的宏观机械运动,2、连续介质假设：将流体看作是由无数体积无穷小、连续分布的流体微团或流体质点所组成。这些微团的体积和宏观特征尺寸比起来，小到趋于零；但远大于分子运动平均自由

5、程。流体微团的统计平均特性能够反映流体的宏观特性。,二、连续介质假设,连续介质假设的意义：将微观问题化为宏观问题，描述流体的物理量可看作是空间与时间的连续函数，利用数学分析中连续函数等工具来研究流体的运动和平衡规律。流体力学中第一个带有根本性的假定。,连续介质假设适用条件：研究问题中的特征尺寸远大于流体微团尺寸。在标准状态下(0，一个标准大气压)1mm3空气就含2.71016个分子1mm3水含3.41019个分子流体微团的统计平均特性满足连续介质假设的要求,对于稀薄气体中飞行的火箭、高真空技术等，连续介质假设不再适用。分子平均自由程可能与火箭的尺寸具有相同的数量级。,定义：单位体积的流体所具有

6、的质量。,1-2流体的密度,一、流体的密度,均质流体,非均质流体,表达式,密度与温度和压强有关,液体密度随温度略有变化，受压强影响不大。,完全气体状态方程,p绝对压强，Pa(N/m2);密度,kg/m3;T绝对温度,KR气体常数,J/(kgK),气体密度受压强和温度影响的变化较大。,二、流体的比容和相对密度,比容：单位质量流体的体积，即流体密度的倒数,相对密度：流体密度与4水的密度的比值，为无量纲量,w为标准大气压下4水的密度,三、混合气体的密度,i，i为混合气体中各种气体的密度和体积百分数。,1-3流体的压缩性与膨胀性,一、流体的压缩性,压缩性：流体的体积随压强的增大而缩小的特性。,在温度不

7、变的条件下，单位压强的升高所引起的流体体积的相对变化量。,体积弹性模量E：流体的体积压缩系数的倒数,E大难压缩；E小易压缩；,体积压缩系数,流体被压缩时，其质量不变，即m=V=常数，微分可得,等温过程,二、流体的膨胀性,膨胀性：流体的体积随温度的升高而增大的特性。,在压强不变的条件下，单位温度的升高所引起的流体体积的相对变化量。,(1/K)或(1/),家用电热水器上的安全阀,三、不可压缩流体,液体：要使水的体积改变1%，需要在原有压力的基础上再加上204个大气压。而在一般工程中，压力不可能达到这么高，所以，可以将水近似的作为不可压流体来对待。但在高压锅炉以及水击现象中，必须要考虑水的压缩性。气

8、体：通常把气体作为可压缩流体来处理，但在流速不高的情况下，也可作为不可压流体来处理。例如，空气在标准大气压下，u=68m/s时，不考虑压缩性带来的相对误差为1%，一般情况下，这样的近似误差在工程上是允许的。,流体都是可压缩的，但对液体或低速运动而温度差又不大的气体而言，可近似视为不可压缩流体。不可压缩流体：密度为常数。,1-4流体的粘性,牛顿经过大量实验研究，在1686年提出了确定流体内摩擦力的公式即牛顿内摩擦定律。,固定不动,一、牛顿内摩擦定律,流动具有下列特点,(1)与上板接触的流体粘附在上板上，并以速度u随上板运动；与下板接触的流体粘附在下板上，速度为零，两板间的流体速度呈线性分布，即u

9、是y的一次函数：,(2)与成正比，即,其中，为比例系数，通常称作动力粘度，是个物性参数(抵抗剪切变形的属性)，与流体的种类、温度有关。,的单位,单位面积上的摩擦阻力成为摩擦应力或切应力,一般情况下，某一截面（例如：管内流动的某一截面）的流体速度分布并非线性函数，而是曲线分布，则,(N/m2),牛顿内摩擦定律：即单位面积的摩擦力与垂直于运动方向上的速度梯度成正比。,讨论,1、理想流体：粘性系数很小(=0)，=02、流体处于绝对静止或相对静止状态，=0或者流体的粘性作用没有显现出来,牛顿内摩擦定律,速度梯度可用角变形速度来表示,粘度与流体的种类及温度和压强有关。压强的影响：普通的压强对流体的粘度影

10、响很小，可忽略不计；在高压下，气体和液体的粘度均随压强升高而增大。温度的影响：气体粘性：(分子热运动)。温度升高，粘性增加；液体粘性：(分子间吸引力)。温度升高，粘性下降。,流体力学中还经常应用运动粘度，其定义为,二、动力粘度与运动粘度,(m2/s),三、牛顿流体和非牛顿流体,凡作用在流体上的切应力和与它所引起的速度梯度之间存在线性正比关系的流体，称为牛顿流体。否则，称为非牛顿流体。爬杆现象.牛顿流体与非牛顿流体.jpg实例.非牛顿流体.jpg皇冠现象.皇冠1.png,胀型流体：粘度随速度梯度的增加而变大；拟塑性流体：粘度随速度梯度的增加而减小。,引入理想流体概念可以大大简化问题。,粘性流体：

11、一切流体都是粘性流体（实际流体）。理想流体：假想的完全没有粘性的流体（=0）。,在许多场合粘性和其他影响（重力，压力等）相比相对较小，粘性影响可以忽略。,四、粘性流体和理想流体,1）静止流体，粘性表现不出来，所以对流体力学而言，静止流体既可作为理想流体，也可作为粘性流体。2）均速运动由于=0，则0，这时可把实际流体作为理想流体来处理，问题分析大为简化。3）粘性不起主要作用的场合，即粘性力远小于其它力时，先不计粘性的影响，进行分析计算，然后，再根据实验，引进粘性修正系数进行修正。,液体粘度实验（圆柱间隙粘性流体）,已知：r1=1.93cm，=0.07cm，h=7cmn=10r/min，M0.00

12、45Nm,求：粘性系数,解：圆柱表面切应力，底部切应力不计,圆柱扭矩,已知：y1=0.06m,U=1.08m/s,=0.05Pas,解：先求速度分布u=u(y),求：=?,1-5液体的表面张力与毛细现象,一、表面张力,表面张力：液体表面相邻两部分之间的相互吸引力。,现设想，液面上有一长为l的直线。右侧液面对左侧液面的作用力为，左侧液面对左侧液面的作用力为。两者大小相等，方向相反，组成一对作用力与反作用力，的方向平行于液面，与L正交，这种力就称为表面张力。显然L，取单位长度，则：,称为表面张力（又称为表面张力系数）,N/m,二、毛细现象,不浸润现象内聚力附着力,则液体就抱成团,与固体不浸润，即不湿润固体，这种现象就叫不浸润现象（例如，玻璃板上滴一滴水银）。浸润现象内聚力附着力，则液体就能湿润固体表面，这种现象称为浸润现象（例如，干净的玻璃板上滴一滴水滴，水滴便很快向四周扩展）。,内聚力：液体分子间相互吸引、相互制约的吸引力；附着力：液体与固体壁面间