第一章--流体及其主要物理性质..ppt

1、方丽萍,工程流体力学,人类的祖先在海洋里生活了40亿年,人类在空气里也生活了700万年,虽然生活在流体环境中，人们对一些流体 运动却缺乏认识，比如：,3倍声速战斗机,50wt排水量油轮,长江三峡,动力机械应用：水泵与水轮机、发电站,水能利用,风能利用,汽车流线型设计,血液在血管流动,研究对象：流体 研究任务：研究流体静止和运动的力学规律及其在工程技术中的应用。,（液体和气体）,工程流体力学,本课程的学习方法、要点, 学会应用工程流体力学分析和解决实际问 题的思路和方法，培养综合分析问题的能 力和创造性的思维能力；, 重视对基本概念和基本理论的学习，做到 对所研究的物理过程有深刻的理解；, 注意

2、学习方法，及时复习与小结。,工程流体力学, 加强工程实际训练，理论与实践相结合，培养 工程分析能力和灵活应用经验公式、计算图表 的能力；, 充分认识自学的重要性，培养独立地获取知识 的能力；,流体力学的研究方法,理论分析方法 实验方法 数值方法,建立模型,推导方程,求解方程,解释结果,相似理论,模型试验,测量,数据分析,数学模型,离散化,编程计算,检验结果,网格的划分,流体力学的发展简史,阿基米德（公元前287-前212年） 牛顿（1642-1727年） 伯努力（1700-1782年） 欧拉（1707-1783年） 拉格朗日（1736-1831年） 达朗倍尔（1717-1783年） 亥姆霍兹

3、纳维、斯托克斯（1781-1953年） 普朗特（1875-1953年）,第一章 流体及其主要物理性质,引 言,流体的物理性质决定了流体平衡和运动规律的内部原因。 流体上的作用力决定了流体平衡和运动规律的外部原因。 在没有讨论流体力学规律之前，应首先了解流体的概念、流体的主要物理性质以及作用在流体上的力。,第一章 流体及其主要物理性质,第一章 流体及其主要物理性质,1.1 流体的概念,第一章 流体及其主要物理性质,定义一：流体包括气体和液体，既不能保持一定的形状，而 且具有很大的流动性。 定义二：在静力平衡时，不能承受剪切力的物质就是流体。 定义三：流体是一种受任何微小剪切力都能连续变形的物质，

4、是气体和液体的通称。,一、流体的概念,要点：流体包括气体和液体，具有易流动性，且在静止状态下不能承受剪切力。,第一章 流体及其主要物理性质,压缩性为气体、液体的主要区别,二、流体的基本特征,易流动性为固体与流体的主要区别,第一章 流体及其主要物理性质,微观上讲，流体由分子组成，分子间是有间隙、不连续的。但流体力学的研究着眼于宏观流体的机械运动，而非微观分子运动。 连续介质假设由瑞士学者欧拉（Euler）在1753年提出，即：不考虑流体分子的存在，而是把真实流体看成由无数连续分布的流体微团（或流体质点）所组成的连续介质，流体质点紧密接触，彼此间无任何间隙。,三、连续介质假设,流体微团（流体质点）

5、作为研究问题的基本单位，满足： 宏观上无穷小：以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点。 微观上无穷大：包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。,第一章 流体及其主要物理性质,引入连续介质假设的意义： 流体看成连续介质的单元体，则流体的一切宏观物理量（如质量、流速、压力、能量等）都是时间和空间的连续函数。因此，可以引用连续函数等数学解析方法、特别是微积分方法，来研究流体平衡和运动状态下有关物理参数之间的数量关系，解决流体力学问题，这对于流体力学的理论研究具有重要意义。,连续介质假设对于大多数流体是适用的，但对于稀薄的气体而言，必须作为不连续流体考虑，此时连续介质假设不适用。

6、,第一章 流体及其主要物理性质,1.2 流体的主要物理性质,第一章 流体及其主要物理性质,定义：单位体积流体的质量 均质： 单位：千克/米3 （kg/m3）,一、密度 (Density) ,流体质量（kg）,流体体积（m3）,非均质：,第一章 流体及其主要物理性质,二、重度 (Specific weight) ,定义：单位体积流体的重量，又称为容重 均质： 单位： 牛顿/米3（N/m3）,流体重量（N）,流体体积（m3）,非均质,密度与重度的关系:,第一章 流体及其主要物理性质,相对密度比重（d） 液体的相对密度液体的质量与同体积4C蒸馏水质量之比 气体的相对密度气体的密度与同温同压下的空气密

7、度之比 、 分别为标准密度和标准重度。,第一章 流体及其主要物理性质,三、压缩性 (Compressibility),定义：在温度不变的条件下，流体在压力作用下体积缩小的性质 表征：体积压缩系数 （coefficient of volume compressibility）,体积相对变化量,物理意义：温度不变，压力增加一个单位时的体积相对变化量。 负号的含义：压力增加使得流体体积缩小，比值dP/dV 永远为负。为保持 永远为正，冠以负号。 单位： 米2 /牛顿（m2/N=1/Pa） 液体压缩时保持质量守恒，即 ，因此有：,第一章 流体及其主要物理性质,定义：温度不变条件下，压缩流体在压力撤除后

8、恢复原状的性质 表征：体积弹性系数（coefficient of volume flexibility ）（E），又称为体积弹性模量。,弹性 (Flexibility),物理意义：温度不变，体积相对增加一个单位时的压力变化量。 弹性模量越大、压缩性越小，流体越不易被压缩。 单位：牛顿/米2 （N/m2） 、帕斯卡（Pa）,第一章 流体及其主要物理性质,定义：在压力不变的条件下，温度升高时，流体体积增大的性质 表征：体积膨胀系数（ coefficient of volume expansibility ）（ ）,四、膨胀性 (Expansibility),物理意义：压力不变，温度增加一个单位时的

9、体积相对变化量。 单位： 1/C 或 1/K,第一章 流体及其主要物理性质,A 说明：,对于具体流动问题而言，是否考虑流体的压缩性、膨胀性不决定于流体是气体还是液体，而是由具体条件决定。 工程上一般把液体视为不可压缩流体（=常数），忽略它的压缩性、膨胀性。但特殊情况例外，如水击压力计算。,例：压力为5atm情况下，压力每增加1atm，水体体积相对减小万分之0.529。 压力为1atm情况下，温度1020oC时，温度每增加1oC，水体体积相对增加万分之1.5。 可见，水的压缩性和膨胀性都很小。,气体易压缩、易膨胀，通常作为可压缩流体处理。但对于低速流动的气体而言，在工程计算中可以忽略不计气体的压

10、缩性。 气体的密度随压力、温度的改变而发生明显变化，这与热力学过程密切相关。,A 说明：,例：由气体状态方程 ，R为气体常数(空气 R=287.06 J/(kgK)）。在等温条件下：,设压力由1atm增加到1.1atm，有： ， 。 可见，气体易于压缩。,五、粘性 (Viscosity),定义：粘性是流体的固有属性，是流体阻止自身发生剪切变形的一种特性。当流体运动时，流体内部各质点间或流层间会因相对运动而产生内摩擦力（剪切力）以抵抗其相对运动，流体的这种性质称为粘性。,第一章 流体及其主要物理性质,粘性产生的原因：流体分子之间的内聚力、流体分子与壁面的附着力以及动量交换。 粘性产生的条件：流层

11、之间的相对运动 粘性产生的实质：微观分子作用的宏观表现,第一章 流体及其主要物理性质,1、问题的提出： 如图，A、B为长宽都是足够大的平板，互相平行，设B板以u0运动，A板不动。由于粘性流体将粘附于它所接触的表面上（流体的边界无滑移假定）， 则：uB=u0， uA=0。,流体粘滞力的计算,第一章 流体及其主要物理性质,取出两层：快层（udu）、慢层（u），当相邻流层发生相对运动时：快层对慢层产生一个切力T，使慢层加速，方向与流向相同；慢层对快层有一个反作用力T ，使快层减速，方向与流向相反，这种阻止运动的力，称为阻力。,T与 T为大小相等，方向相反的一对力，分别作用在两个流体层的接触面上，这对

12、力是在流体内部产生的，称为内摩擦力。,第一章 流体及其主要物理性质,2、牛顿内摩擦定律1687年，牛顿科学原理 流体相对运动时，液层间内摩擦力T 的大小与液体性质有关，并与速度梯度 du/dy 和接触面积A成正比。,牛顿内摩擦定律,第一章 流体及其主要物理性质,单位面积上的内摩擦力用粘性切应力表示，即有：,第一章 流体及其主要物理性质,“”是为使T、永远为正值而设： 当 du/dy 0时，T、取“”号； 当 du/dy =0时，T、等于0； 当 du/dy 0时，T、取“”号。,凡是作用在流体上的力与它所引起的变形之间满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体；反之，称为非牛顿流体。 牛顿内摩擦公式

13、适用条件：牛顿流体做层流运动。 液体摩擦力与固体摩擦力不同，是存在于液层之间的作用力，而与液、固接触面压力无直接关系。所以称为内摩擦定律。,第一章 流体及其主要物理性质,在平行流体中取相距为dy的两液层间矩形微团ABCD，AB速度为u，CD速度为u+du。该液体微团运动到ABCD，因液层间存在流速差du，微团除平移运动外，还有剪切变形。剪切角变形d，角变形速率为d/dt（ d、dt为微量）。,3、流速梯度du/dy 的物理意义,因此：流速梯度实际上代表了液体微团的剪切变形角速度。,第一章 流体及其主要物理性质,动力粘度系数 （coefficient of dynamic viscosity）

14、： 定义： 物理意义：表示速度梯度为1时，单位面积上的摩擦力的 大小 国际单位：牛顿秒/米2，Pas 物理单位：1泊（1P）=0.1 Pas 1厘泊（1cP）=0.01P=0.001 Pas,4、流体的粘性系数或粘度,第一章 流体及其主要物理性质,运动粘度系数 v（coefficient of kinematic viscosity）： 定义： 国际单位：m2/s 物理单位：1斯（1St）=1cm2/s=10-4m2/s； 1厘斯（1cSt）=10-4cm2/s=10-6m2/s,A 说明：,温度对气体和液体粘性的影响很明显，而且截然不同。 气体的粘性随温度升高而增大，液体的粘性则随温度升高而

15、减小。 这是因为气体和液体的微观分子结构不同所造成的。,气体产生粘性的主要原因是分子不规则热运动的动量交换所形成的粘性阻力。当温度升高时，分子的不规则热运动增强，分子交换频繁，动量交换增多，因而粘性增大。 液体产生粘性的主要原因是分子间的引力所形成的粘性阻力。当温度升高时，分子间的距离增大，分子间内聚力下降，因而粘性减小。,压力的变化对气体和液体粘性的影响也不同。 压力变化对气体分子热运动影响不大，一般认为气体的粘度与压力无关。 而对于液体，当压力增加时，分子距缩小，粘性增大，尤其在高压情况下影响显著。,A 说明：,动力粘性系数中含有力的量纲；运动粘性系数则只有运动量纲，无力的量纲。因此，仅用

16、运动粘度不能描述和表征流体粘滞力（粘性）的大小。,第一章 流体及其主要物理性质,理想流体没有粘性的流体。 0；能量损失0 实际流体具有粘性的流体。 0；能量损失0 因此说：粘性是真实流体发生机械能量损失的根源。,引入理想流体的意义： 1、对于粘性不大的实际流体（如：气体）是适用的； 2、实际粘性流体问题的分析和解决都是依赖于理想流体的研究结果导出的； 3、在某些流体力学问题中，粘性不发挥作用，如：均匀流动、静止流体等。,第一章 流体及其主要物理性质,如图所示，水流在平板上运动，其靠近边壁附近的流速呈抛物线分布，B点为抛物点，水的运动粘性系数 。 试求：y=0，2，4cm处的切应力。 解：,v

17、w,例 题,抛物线的一般方程为：u=Ay2+By+C 边界条件：当 y= 0 m 时，u=0； 当 y=0.04m 时，u=1； 当 y=0.02m 时，du/dy=0.,当 y= 0 m 时， 0 = 5010-3Pa； 当 y=0.02m 时， 0.02= 2510-3Pa； 当 y=0.04m 时， 0.04= 0.,第一章 流体及其主要物理性质,如图，液面上有一面积A= 1200cm2的平板H，以v=0.5m/s的速度作水平移动，形成平板间液体层流运动，平板下液体分两层，它们的动力粘性系数与厚度分别为1=0.142Ns/m2，h1=1mm，2=0.235Ns/m2， h2=1.4mm。

18、试绘制液体的流速分布图和切应力分布图，并计算平板H上所受的内摩擦力F。 解：,v w,例 题,平板间为层流，服从牛顿内摩擦定律。设在液面分界面上，流速为u，切应力为。因h1、h2很小，可以近似认为流速按直线分布，则： 上层液体的切应力： 下层液体的切应力：,定义：使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力 表征：表面张力系数单位长度上的表面张力 表面张力产生的位置：液、气接触的自由表面 液、固接触的表面,六、表面张力,表面张力产生的原因：一般来说是由于内聚力的不同而导致 在气液自由表面上，由于液体分子的的内聚力显著的大，因此在液体表面的分子有向液体内部收缩的倾向，使得自由表面有一拉紧作用的力产生，即表面张力。 在液固交界面上，也会产生附着力。液体内聚力的大小决定其是否产生湿润管壁。如：水可以湿润管壁，水银则不能湿润管壁。,毛细管现象表面张力引起毛细管中液面 显著上升和下降的现象。,i 例：水在毛细管中的上升 情况: ：为液面与壁面的接触角 ：为液体重度 D：为毛细管内径 ：为表面张力,分析： 管壁圆周上总表面张力在垂直方向上的分力 为： ， 上升液柱重： ， 令: ， 则，毛细管内液柱上升高度为：,1.3 作用在流体上的力,一、质量力 （体积力）（非接触力） 定义：作用于流体的每一个质点