第二章流體及其物理性質

第二章流體及其物理性質第一節(jié)流體的定義及特征第一節(jié)流體的定義及特征

定義：從力學特征講，流體是一種受任何微小剪切力作用都能連續(xù)變形的物質。

按照集態(tài)分為液體和氣體；

特征：易流動，不能保持一定形狀的特征。

微觀上，流體分子間吸引力比固體小；氣體分子距離大，液體分子距離??；氣體分子能夠自由移動，能夠充滿所能達到的全部空間。

液體分子沒有一定方向和周期的無規(guī)則振動；占有固定的體積，有自由液面存在。第二章流體及其物理性質第二節(jié)流體作為連續(xù)介質的假說第二節(jié)流體作為連續(xù)介質的假說

研究方法：

微觀：從研究分子和原子的運動出發(fā)，采用統(tǒng)計平均建立宏觀物理量應滿足的方程，并確定流體宏觀性質，取決于分子運動論的發(fā)展。

宏觀：先給流體建立一個宏觀“抽象化”模型，然后直接應用基本物理定律來建立宏觀物理量應滿足的方程，并確定流體的宏觀性質。為了符合數學分析的需要，引入流體質點模型:流體中宏觀尺寸非常?。]有空間尺寸的幾何點），微觀尺寸又足夠大（包含足夠多的分子數目）的任意物理實體。（以密度為例）流體質點表現大量分子的平均性質。(2)具有宏觀物理特性---溫度、壓強、密度。。。1mm3體積水:3.31019

個分子空氣:2.71016個分子

10-10mm3

體積

(相當于一?；覊m體積)空氣:2.7106個分子流體質點特點：(1)流體質點無線尺度，無熱運動，只在外力作用下作宏觀平移運動;連續(xù)介質模型：假設流體是由連續(xù)分布的流體質點組成的介質。(1)可用連續(xù)性函數u(x,y,z,t)描述流體質點物理量的空間分布和時間變化；(2)由物理學基本定律建立流體運動微分或積分方程，并用連續(xù)函數理論求解方程。

*除了稀薄氣體與激波（厚度小于10-4cm）的絕大多數工程問題，均可用連續(xù)介質模型作理論分析。（判斷式l《d〈L）第二章流體及其物理性質第三節(jié)作用在流體上的力表面力質量力表面力外界對所研究流體表面的作用力，作用在外表面。單位面積的表面力法向力切向力法向應力切向應力應力單位為PaxyzC表面張力流體與異相物質接觸的自由表面上，促使液體表面收縮的力叫做表面張力；方向和液面相切；表面張力是分子力的一種表現；第七節(jié)詳細介紹肥皂泡質量力（體積力）定義：作用在流體全部質點上的力，與質量成正比。慣性力，加速度為a，單位質量力重力zxy重力場作用下的質量力（如圖）曲線運動的切向慣性力和離心慣性力。第四節(jié)流體的密度一、流體的密度

表征在空間某點質量的密集程度。單位：kg/m3對于均勻流體定義建立在連續(xù)性假設的基礎上是流體質點的體積表2-1，2-2第四節(jié)流體的密度二、流體的相對密度流體的密度４℃水的密度三、流體的比體積單位m３／kg第四節(jié)流體的密度四、混合氣體的密度為混合氣體各組分氣體的密度為混合氣體各組分氣體所占的體積百分數例題2-1第五節(jié)流體的壓縮性和膨脹性壓強增高，體積縮小溫度升高，體積膨脹流體壓縮性流體膨脹性壓縮系數κ：單位壓強所引起的體積變化率，單位為m２／Ｎ流體相應體積變化率壓強增量Κ大，易壓縮Κ小，難壓縮第五節(jié)流體的壓縮性和膨脹性體積模量Ｋ，工程上用單位為ＰaＫ大，壓縮性小，Ｋ小，壓縮性大體脹系數αｖ：單位溫升所引起的體積變化率，單位為１／Ｋ，１／℃溫度的增量體積變化率同時考慮溫度和壓強對氣體體積的影響，采用完全氣體狀態(tài)方程。表2-3，水的體積摸量K=2.0GPa，壓縮性小。表2-4水的膨脹系數例題2-2可壓縮流體和不可壓縮流體第五節(jié)流體的壓縮性和膨脹性流體的壓縮性是流體的基本屬性。任何流體都是可壓縮的，只是可壓縮的程度不同。氣體的壓縮性比液體大。工程中要視具體情況而定。（流速高，壓強變化大，如水擊，水下爆炸，空氣流速小于聲速時）

第六節(jié)流體的黏性流體的黏性：流體微團間發(fā)生相對滑移時產生切向阻力的性質。牛頓在《自然哲學的數學原理》(1687)中指出。黏性形成流體的內摩擦，使流體黏附于它所接觸的固體表面。（內摩擦實驗）

流體粘性形成原因:(1)兩層液體之間的粘性力主要由分子吸引力力形成(2)兩層氣體之間的粘性力主要由分子動量交換形成第六節(jié)流體的黏性YXv0dyFvxhF’黏性流體內摩擦實驗示意圖摩擦阻力動力黏度，單位Pa.s與流體種類、溫度和壓強有關的一個比例系數。單位Pa.sv/h垂直于流速方向上單位長度的速度增量切向應力：運動黏度fgehvxvx+δvxxδyyδФδvx

δtδye’h’f’g’速度分布不按照直線變化牛頓內摩擦定律（黏性定律）：作用在流層上的切向應力與速度梯度成正比，比例系數為動力黏度溫度對流體黏度的影響：第六節(jié)流體的黏性液體黏度隨溫度升高而減小原因：分子間距增加，分子間吸引力減小。氣體黏度隨溫度升高而增加原因：分子混亂運動加劇，加速了動量交換。壓強對流體黏性幾乎沒有影響(p12黏度經驗式)例題例題汽缸的內徑D=152.6mm，活塞的直徑d=152.4mm，長l=304.8mm，已知潤滑油的運動黏度，密度，活塞的運動速度為6m/s，試求克服摩擦所消耗的功率。傾角25度

的斜面涂有厚度0.5mm的潤滑油.一塊重量未知,底面積0.02平方米

的木板沿此斜面以0.2m/s等速度下滑，如圖所示。如果在板上面加一個重量5N的重物，則下滑速度為0.6m/s。試求潤滑油的動力粘性系數

。第六節(jié)流體的黏性流體黏度的測量管流方法，測量管道上的壓降落球方法，測量小球沉降速度旋轉方法，測量旋轉力矩卸流法，測量液體卸流時間恩各勒黏度計測量結果為恩氏度２００cm3待測液體流出時間２００cm3，２０℃蒸餾水流出時間第六節(jié)流體的黏性牛頓流體和非牛頓流體符合牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓流體不符合牛頓內摩擦定律的流體稱為非牛頓流體η為表觀黏度，n為指數，k為常數黏性流體和理想流體不具有黏性的流體成為理想流體第七節(jié)液體的表面性質表面張力：表面分子受到指向液體內部的拉力，使液體表面自發(fā)收縮成表面積最小趨勢。表面能：任何液體分子在進入表面層時候，都必須反抗這種力的作用，都必須輸入機械功，這些機械功將以自由表面能的形式被存儲起來。單位長度表面層中液體分子受指向液體內部的拉力稱為表面張力，用σ表示，單位N/m。暮江吟（白居易）一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅?？蓱z九月出三夜，露似珍珠月似弓。普林斯頓大學科學圖象獲獎作品第七節(jié)液體的表面性質液體分子間的吸引力稱為內聚力液體分子和固體分子間的吸引力稱為附著力內聚力小于附著力：液體濕潤固體壁面內聚力大于附著力：液體不濕潤固體壁面如：水銀在玻璃球上和水在玻璃球上性質不同圖２－１１接觸角為90度作為分界，小于90度，潤濕，大