流體的基本物理性質(zhì)

流體的基本物理性質(zhì)第一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日《流體力學(xué)》，王松嶺主編，中國(guó)電力出版社參考書：《工程流體力學(xué)》，孫麗君主編，中國(guó)電力出版社課程概況一、學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)：24學(xué)時(shí)二、教材三、教師與輔導(dǎo)主講教師：李春曦，電話：輔導(dǎo)時(shí)間和地點(diǎn)：周四4:30-5:30，熱能教研室第二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1.平時(shí)成績(jī)，主要包括：不定期課堂測(cè)驗(yàn)（20%）；2.結(jié)課考試，占總成績(jī)80%，采用閉卷形式。四、考核方法第三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史古代時(shí)期農(nóng)業(yè)灌溉:航運(yùn)第四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史古代時(shí)期大禹治水第五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史古代時(shí)期秦-都江堰第六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史古代時(shí)期

古希臘阿基米德原理第七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史中世紀(jì)時(shí)期15世紀(jì)，意大利達(dá)·芬奇水波、管流、水力機(jī)械、鳥的飛翔原理等問題；17世紀(jì)，牛頓

牛頓粘性定律。

法國(guó)皮托

皮托管；達(dá)朗貝爾

阻力同物體運(yùn)動(dòng)速度之間的平方關(guān)系；瑞士的歐拉歐拉方程

伯努利伯努利方程。1822年，納維建立了粘性流體的基本運(yùn)動(dòng)方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基礎(chǔ)導(dǎo)出了這個(gè)方程，就是沿用至今的納維-斯托克斯方程(簡(jiǎn)稱N-S方程)，第八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史近現(xiàn)代時(shí)期普朗特1904邊界層理論

20世紀(jì)初飛機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展20世紀(jì)40年代，為研究原子彈炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波理論。此后，流體力學(xué)又發(fā)展了許多分支，如高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、超音速空氣動(dòng)力學(xué)、稀薄空氣動(dòng)力學(xué)、電磁流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)、兩相(氣液或氣固)流等等。從50年代起，電子計(jì)算機(jī)不斷完善，使數(shù)值計(jì)算方法成為可能，出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)這一新的分支學(xué)科從20世紀(jì)60年代起，流體力學(xué)開始了流體力學(xué)和其他學(xué)科的互相交叉滲透，形成新的交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科，如物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)等.第九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體力學(xué)與本專業(yè)的聯(lián)系

第十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日第一章流體的基本物理性質(zhì)主要內(nèi)容流體的概念流體的密度流體的壓縮性和膨脹性流體的粘性液體的表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象第十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日一、流體的定義和特征§1-1

流體的概念流體:在任何微小剪切力作用下都會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變形的物質(zhì)。通俗地說(shuō)，流體即流動(dòng)的物質(zhì)。

流體力學(xué)：研究流體的運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律以及流體與固體之間相互作用的一門科學(xué)。流體的基本特征：流動(dòng)性氣體：分子間距離大，分子間作用力小，分子可自由運(yùn)動(dòng)，因而不能保持一定的形狀和體積，充滿整個(gè)空間。液體：分子間距離小，分子間作用力大，不能保持一定的形狀，能保持一定的體積。第十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1、流體質(zhì)點(diǎn)（流體微團(tuán)）：指微觀充分大（其中包含大量分子），宏觀充分小的分子團(tuán)。并且分子團(tuán)的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于被研究流體所占據(jù)的空間，即認(rèn)為此分子團(tuán)內(nèi)的物理量是均勻不變的，因而可近似地把這個(gè)分子團(tuán)看作是幾何上的一個(gè)點(diǎn)，即流體質(zhì)點(diǎn)。

..\第3章\液體與固體的區(qū)別.mov流體力學(xué)研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)2、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：將流體看作是由無(wú)數(shù)體積無(wú)窮小、連續(xù)分布的流體微團(tuán)或流體質(zhì)點(diǎn)所組成。這些微團(tuán)的體積和宏觀特征尺寸比起來(lái)，小到趨于零；但遠(yuǎn)大于分子運(yùn)動(dòng)平均自由程。流體微團(tuán)的統(tǒng)計(jì)平均特性能夠反映流體的宏觀特性。二、連續(xù)介質(zhì)假設(shè)第二十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的意義：將微觀問題化為宏觀問題，描述流體的物理量可看作是空間與時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，利用數(shù)學(xué)分析中連續(xù)函數(shù)等工具來(lái)研究流體的運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律。

流體力學(xué)中第一個(gè)帶有根本性的假定。連續(xù)介質(zhì)假設(shè)適用條件：研究問題中的特征尺寸遠(yuǎn)大于流體微團(tuán)尺寸。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)1mm3空氣就含2.7×1016個(gè)分子

1mm3水含3.4×1019個(gè)分子流體微團(tuán)的統(tǒng)計(jì)平均特性滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的要求對(duì)于稀薄氣體中飛行的火箭、高真空技術(shù)等，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不再適用。分子平均自由程可能與火箭的尺寸具有相同的數(shù)量級(jí)。第二十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日定義：?jiǎn)挝惑w積的流體所具有的質(zhì)量?！?-2流體的密度

一、流體的密度均質(zhì)流體

非均質(zhì)流體

m,VmV表達(dá)式第二十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日密度與溫度和壓強(qiáng)有關(guān)液體密度隨溫度略有變化，受壓強(qiáng)影響不大。1000100098096094040608020toC水的密度隨溫度的變化完全氣體狀態(tài)方程p絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa(N/m2);ρ

密度,kg/m3;T絕對(duì)溫度,KR氣體常數(shù),J/(kgK)氣體密度受壓強(qiáng)和溫度影響的變化較大。第二十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日二、流體的比容和相對(duì)密度

比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體的體積，即流體密度的倒數(shù)相對(duì)密度：流體密度與4℃水的密度的比值，為無(wú)量綱量w為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下4℃水的密度

三、混合氣體的密度i，i為混合氣體中各種氣體的密度和體積百分?jǐn)?shù)。第二十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日§1-3流體的壓縮性與膨脹性

一、流體的壓縮性

壓縮性：流體的體積隨壓強(qiáng)的增大而縮小的特性。在溫度不變的條件下，單位壓強(qiáng)的升高所引起的流體體積的相對(duì)變化量。體積彈性模量E：流體的體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)E

大難壓縮；E小易壓縮；體積壓縮系數(shù)第二十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流體被壓縮時(shí)，其質(zhì)量不變，即m=ρV=常數(shù)，微分可得

等溫過程第二十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日二、流體的膨脹性膨脹性：流體的體積隨溫度的升高而增大的特性。在壓強(qiáng)不變的條件下，單位溫度的升高所引起的流體體積的相對(duì)變化量。

(1/K)或

(1/℃)家用電熱水器上的安全閥第二十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日三、不可壓縮流體液體：要使水的體積改變1%，需要在原有壓力的基礎(chǔ)上再加上204個(gè)大氣壓。而在一般工程中，壓力不可能達(dá)到這么高，所以，可以將水近似的作為不可壓流體來(lái)對(duì)待。但在高壓鍋爐以及水擊現(xiàn)象中，必須要考慮水的壓縮性。

氣體：通常把氣體作為可壓縮流體來(lái)處理，但在流速不高的情況下，也可作為不可壓流體來(lái)處理。例如，空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，u=68m/s時(shí)，不考慮壓縮性帶來(lái)的相對(duì)誤差為1%，一般情況下，這樣的近似誤差在工程上是允許的。流體都是可壓縮的，但對(duì)液體或低速運(yùn)動(dòng)而溫度差又不大的氣體而言，可近似視為不可壓縮流體。不可壓縮流體：密度為常數(shù)。第二十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日§1-4流體的粘性

牛頓經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究，在1686年提出了確定流體內(nèi)摩擦力的公式即牛頓內(nèi)摩擦定律。

勻速運(yùn)動(dòng)F’固定不動(dòng)一、牛頓內(nèi)摩擦定律第二十九頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日流動(dòng)具有下列特點(diǎn)

(1)與上板接觸的流體粘附在上板上，并以速度u隨上板運(yùn)動(dòng)；與下板接觸的流體粘附在下板上，速度為零，兩板間的流體速度呈線性分布，即u是y的一次函數(shù)：

(2)

與成正比，即

其中，μ為比例系數(shù)，通常稱作動(dòng)力粘度，是個(gè)物性參數(shù)(抵抗剪切變形的屬性)，與流體的種類、溫度有關(guān)。μ的單位

第三十頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日單位面積上的摩擦阻力成為摩擦應(yīng)力或切應(yīng)力一般情況下，某一截面（例如：管內(nèi)流動(dòng)的某一截面）的流體速度分布并非線性函數(shù)，而是曲線分布，則

Y(N/m2)牛頓內(nèi)摩擦定律：即單位面積的摩擦力與垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的速度梯度成正比。第三十一頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日討論1、理想流體：粘性系數(shù)很小(=0)

，

=02、流體處于絕對(duì)靜止或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，，

=0

或者流體的粘性作用沒有顯現(xiàn)出來(lái)牛頓內(nèi)摩擦定律速度梯度可用角變形速度來(lái)表示

dduxdtdyxyd第三十二頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日粘度與流體的種類及溫度和壓強(qiáng)有關(guān)。壓強(qiáng)的影響：普通的壓強(qiáng)對(duì)流體的粘度影響很小，可忽略不計(jì)；在高壓下，氣體和液體的粘度均隨壓強(qiáng)升高而增大。溫度的影響：氣體粘性：(分子熱運(yùn)動(dòng))。溫度升高，粘性增加；液體粘性：(分子間吸引力)。溫度升高，粘性下降。流體力學(xué)中還經(jīng)常應(yīng)用運(yùn)動(dòng)粘度，其定義為

二、動(dòng)力粘度與運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)第三十三頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日三、牛頓流體和非牛頓流體凡作用在流體上的切應(yīng)力和與它所引起的速度梯度之間存在線性正比關(guān)系的流體，稱為牛頓流體。否則，稱為非牛頓流體。爬桿現(xiàn)象..\牛頓流體與非牛頓流體.jpg實(shí)例..\非牛頓流體.jpg皇冠現(xiàn)象..\皇冠1.png理想流體脹型流體（油漆）牛頓流體擬塑性流體（粘土漿）理想塑性流體（牙膏）0屈服應(yīng)力

脹型流體：粘度隨速度梯度的增加而變大；擬塑性流體：粘度隨速度梯度的增加而減小。第三十四頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日引入理想流體概念可以大大簡(jiǎn)化問題。粘性流體：一切流體都是粘性流體（實(shí)際流體）。理想流體：假想的完全沒有粘性的流體（

=0）。在許多場(chǎng)合粘性和其他影響（重力，壓力等）相比相對(duì)較小，粘性影響可以忽略。四、粘性流體和理想流體第三十五頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日1）靜止流體，粘性表現(xiàn)不出來(lái)，所以對(duì)流體力學(xué)而言，靜止流體既可作為理想流體，也可作為粘性流體。2）均速運(yùn)動(dòng)由于=0，則τ＝0，這時(shí)可把實(shí)際流體作為理想流體來(lái)處理，問題分析大為簡(jiǎn)化。3）粘性不起主要作用的場(chǎng)合，即粘性力遠(yuǎn)小于其它力時(shí)，先不計(jì)粘性的影響，進(jìn)行分析計(jì)算，然后，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)，引進(jìn)粘性修正系數(shù)進(jìn)行修正。第三十六頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日液體粘度實(shí)驗(yàn)（圓柱間隙粘性流體）已知：r1=1.93cm，=0.07cm，h=7cmn=10r/min，M＝0.0045Nm求：粘性系數(shù)解：圓柱表面切應(yīng)力，底部切應(yīng)力不計(jì)圓柱扭矩例1

第三十七頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日已知：y1=0.06m,U=1.08m/s,

=0.05Pas解：先求速度分布u=u(y)求：

=?Uy1Y拋物線分布例2

第三十八頁(yè)，共四十二頁(yè)，2022年，8月28日§1-5液體的表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象一、表面張力表面張力：液體表面相鄰兩部分之間的相互吸引力。ＴＴ′L現(xiàn)設(shè)想，液面上有一長(zhǎng)為l的直線。右側(cè)液面對(duì)左側(cè)液面的作用力為Ｔ，左側(cè)液面對(duì)左側(cè)液面的作用力為Ｔ′。兩者大小相等，方向相反，組成