流體概念以及性質(zhì)

1、關(guān)于流體概念及性質(zhì)第一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、流體的特征易流動(dòng)性； 力學(xué)上只能承受壓力，一般不能承受拉力，靜止時(shí)不能承受切力；流體也是物質(zhì)的一種基本形態(tài)，遵循自然界一切物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律。1.1流體的定義和特征第二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 微觀：流體是由大量做無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的分子所組成，分子間存有空隙，在空間是不連續(xù)的。 宏觀：一般工程中，所研究流體的空間尺度要比分子 距離大得多。問題的引出：第三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 定義：不考慮流體分子間的間隙，把流體視為由無 數(shù)連續(xù)分布的流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。 流體微團(tuán)

2、必須具備的兩個(gè)條件必須包含足夠多的分子；體積必須很小。一、流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)） 宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個(gè)幾何上 沒有維度的點(diǎn)；同時(shí)微觀上足夠大，里面包含著許許 多多分子，其行為已經(jīng)表現(xiàn)出大量分子的統(tǒng)計(jì)學(xué)性質(zhì)。1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月避免了流體分子運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，只需研究流體的宏 觀運(yùn)動(dòng)。2. 可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（連續(xù)函數(shù)）二、采用流體連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的優(yōu)點(diǎn)1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月一、流體的密度單位體積流體所具有的質(zhì)量。密度表征物體慣性的物理量。單

3、位：kg/m3 常見流體的密度： 水1000 kg/m3 空氣1.23 kg/m3 水銀136000 kg/m3均勻流體：1.3 流體的主要物理性質(zhì)非均勻流體：1.3.1 流體的密度與重度第六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 均質(zhì)流體重度： 非均質(zhì)流體重度： 重度與密度間的關(guān)系：1.3.1 流體的密度與重度二、重度第七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、流體的相對(duì)密度流體的密度與4oC時(shí)水的密度的比值。 式中，f 流體的密度（kg/m3） w4oC時(shí)水的密度（kg/m3）1.3.1 流體的密度與重度第八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月四、流體的比容單位質(zhì)量的流體所

4、占有的體積，流體密度的倒數(shù)。單位： m3/kg1.3.1 流體的密度與重度第九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月五、混合氣體的密度混合氣體的密度按各組分氣體所占體積百分?jǐn)?shù)計(jì)算。式中：1， 2， n 各組分氣體的密度 a1， a2， an各組分氣體所占的體積百分?jǐn)?shù)1.3.1 流體的密度與重度第十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性一、流體的壓縮性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)。1.壓縮系數(shù) 單位壓力增加所引起的體積相對(duì)變化量2.體積模量 第十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、流體的膨脹性流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)。1.體脹系

5、數(shù) 單位溫度增加所引起的體積相對(duì)變化量1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月工程上不可壓縮流體液體氣體溫度與壓強(qiáng)壓縮性、膨脹性影響小壓縮性、膨脹性影響大滿足理想氣體狀態(tài)方程1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 對(duì)液體而言，其壓縮性，一般情況下不考慮，因此工程實(shí)際常把液體看作不可壓縮的流體。 液體的膨脹性也很小，除溫度變化大的場(chǎng)合，一般工程問題也不考慮。 通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯，對(duì)實(shí)際氣體，不大于10MPa時(shí)，他們之間的關(guān)系遵守理想氣體狀態(tài)方程。1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十四張，

6、PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月理想氣體狀態(tài)方程R氣體常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kgK等溫過程：壓縮系數(shù)等壓過程：膨脹系數(shù)絕熱過程：壓縮系數(shù)低速（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，v68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體1. 可壓縮性 流體體積隨著壓力和溫度的改變而發(fā)生變化的性質(zhì)。2. 可壓縮流體和不可壓縮流體 可壓縮流體：考慮可壓縮性的流體 不可壓縮流體：不考慮可壓縮性的流體1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性第十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.3 流體的粘性一、流體

7、的粘性1. 粘性的定義 流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部各流體微團(tuán)之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）以阻抗流體變形的性質(zhì)。(1) 庫侖實(shí)驗(yàn)(1784)庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)流體存在內(nèi)摩擦。 第十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng)流體內(nèi)部各流體微團(tuán)之間會(huì)產(chǎn)生粘性力； 流體將粘附于它所接觸的固體表面。1.3.3 流體的粘性粘性是流體阻止發(fā)生剪切變形和角變形的一種特性。當(dāng)流體處于靜止或各部分之間相對(duì)速度為零時(shí)，流體 的粘性就表象不出來，其內(nèi)摩擦力也就等于零。第十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2.牛頓內(nèi)摩擦定律 (1) 牛頓平板實(shí)驗(yàn)

8、當(dāng)h和u不是很大時(shí)，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，1.3.3 流體的粘性第十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 牛頓內(nèi)摩擦定律實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于大多數(shù)流體，存在引入比例系數(shù)，得：1.3.3 流體的粘性第二十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月速度梯度的物理意義角變形速度（剪切變形速度）vdt(v+dv)dtdvdtdzd流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于dv/dy正比于正壓力，與速度無關(guān)第二十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月粘性切應(yīng)力與速度梯度成正比；(2)粘性切應(yīng)力與角變形速率成正比；(3)比例系數(shù)稱動(dòng)力粘度，簡稱粘度。牛頓內(nèi)摩擦定律表明：CDBAdbad

9、ydudt1.3.3 流體的粘性第二十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 流體粘性大小的度量,由流體流動(dòng)的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交換引起。(1) 動(dòng)力粘度(2) 運(yùn)動(dòng)粘度3.粘度（3）相對(duì)粘度-恩氏粘度1.3.3 流體的粘性第二十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(3) 粘度的影響因素溫度對(duì)流體粘度的影響很大溫度壓力對(duì)流體粘度的影響不大，一般忽略不計(jì)液體：分子內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度分子間距分子吸引力內(nèi)摩擦力粘度氣體：分子熱運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。溫度分子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換內(nèi)摩擦力粘度 1.3.3 流體的粘性第二十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月

10、水的動(dòng)力黏度與溫度的關(guān)系： 式中：為零度時(shí)的動(dòng)力黏度。Pa.s氣體的動(dòng)力黏度與溫度的關(guān)系（蘇士蘭關(guān)系式）只使用于壓強(qiáng)不太大的場(chǎng)合）1.3.3 流體的粘性式中：C為氣體常數(shù)第二十五張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月(4) 粘度的測(cè)量管流法落球法旋轉(zhuǎn)法工業(yè)粘度計(jì) 1.3.3 流體的粘性第二十六張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月二、粘性流體和理想流體1.粘性流體 具有粘性的流體（0）。2.理想流體 忽略粘性的流體（=0）。一種理想的流體模型。1.3.3 流體的粘性第二十七張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月dv/dz牛頓流體o牛頓流體服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣

11、體等）三、牛頓流體與非牛頓流體第二十八張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月 非牛頓流體 塑性流體、假塑性流體、脹塑性流體。研究非牛頓流體受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)稱為-流變學(xué)第二十九張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度為1m/s，潤滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：注意：面積、速度梯度的取法dDL第三十張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實(shí)驗(yàn)液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內(nèi)筒

12、高h(yuǎn)=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實(shí)驗(yàn)液體的粘度。解：注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一hnr1r2得第三十一張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.4表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象1.表面張力：由分子的內(nèi)聚力引起單位：N/m發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界。表面張力現(xiàn)象：露珠、肥皂泡、毛細(xì)現(xiàn)象等第三十二張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月2 .表面張力和接觸角概念PP0R液體氣體表面張力: -單位長度所受拉力接觸角概念: 當(dāng)液體與固體壁面接觸時(shí), 在液體,固體壁面作液體表面的切面, 此切面與固體壁在液體內(nèi)部所夾部分的角度 稱為接觸角, 當(dāng) 為銳

13、角時(shí), 液體潤濕固體, 當(dāng) 為鈍角時(shí), 液體不潤濕固體水與玻璃的 = 8090 水銀的 = 13801.3.4表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象第三十三張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.4表面張力和毛細(xì)現(xiàn)象3.毛細(xì)現(xiàn)象：液固接觸液固間附著力大于液體的內(nèi)聚力液固間附著力小于液體的內(nèi)聚力內(nèi)聚力: 液體分子間吸引力附著力: 液體與固體分子間吸引力第三十四張，PPT共三十八頁，創(chuàng)作于2022年6月毛細(xì)現(xiàn)象 h水在玻璃管中上升高度 h=29.8/d(mm)水銀在玻璃管中下降高度 h=10.5/d(mm)工程中常用的測(cè)壓管，毛細(xì)現(xiàn)象往往造成較大的誤差，一般情況下測(cè)壓管的管徑應(yīng)大于10mm。另外在研究液滴的破碎、氣泡的形成等問題時(shí)，也必須要考慮表面張力的