流體的主要力學(xué)性質(zhì)

北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》一、 班名：二、 授課內(nèi)容：引言三、 時間：60分鐘四、 重點流體的密度與重度、流體的壓縮性與膨脹性、流體的粘滯性。五、 難點流體的粘滯性及牛頓內(nèi)摩擦定律。六、 課程性質(zhì)：綜合課七、 教學(xué)目的通過講解流體的主要物理性質(zhì)，使學(xué)院對流體有更為具體和量化的認識，為后續(xù)學(xué)習(xí)的展開奠定基礎(chǔ)。八、 教學(xué)目標理解流體密度、壓縮性和膨脹性、粘滯性；應(yīng)用粘滯性來分析實際問題。九、 所需教具黑板、粉筆、板擦、計算機和投影儀。十、 教學(xué)過程首先組織教學(xué)，把學(xué)員的精神都集中到課堂上來。（一）回顧上一講內(nèi)容（啟發(fā)式教學(xué)，用時5分鐘）1、 什么是流體？流體是易于流動的物質(zhì)；它包括氣體、液體及分散狀的固體微粒的集合體。如我們?nèi)粘Ｉ钪械乃?、空氣、燃氣等都是流體。2、 什么是流體力學(xué)？流體力學(xué)研究流體平衡和運動規(guī)律以及流體與固體壁面間作用力的一門科學(xué)。3、 流體力學(xué)的任務(wù)（1）流體力學(xué)主要研究大量流體分子的宏觀運動特性。（2）流體力學(xué)學(xué)科的分類流體力學(xué)根據(jù)研究的重點與方法不同分為：理論流體力學(xué)和工程流體力學(xué);流體力學(xué)根據(jù)流體性質(zhì)不同分為：水力學(xué)、空氣動力學(xué)以及兩相流體力學(xué)。本課程的主要研究內(nèi)容和對象本課程主要以流體在容器和管道內(nèi)的特性為研究內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容首先向大家說明一個基本問題。流體不同于固體的基本特征是流體的流動性。一般而言，流體的流動性與其分子間距d成正比。1、密度、比容及重度(直觀式教學(xué)，用時10分鐘)密度密度是一般物質(zhì)的基本屬性，對于均勻流體而言，單位體積的質(zhì)量稱為密度?！?m/V3P――流體的密度，kg/m;m流體的質(zhì)量，kg;V該質(zhì)量流體的體積，m3。比容也叫做比體積；表示單位質(zhì)量的流體所占的體積；簡單來說就是密度的倒數(shù)。丁i -2-v=—=—mp在燃氣行業(yè)中，比容是應(yīng)用較多的定義之一。因為燃氣在輸送過程中其體積和密度是隨著壓力級制的不同而發(fā)生變化的，但其總質(zhì)量是不會改變的，因為質(zhì)量是守恒的。重度流體和固體一樣也受到地球的引力而產(chǎn)生重力。對于均勻質(zhì)流體，作用于單位體積流體上的重力稱為重度。mgY=y=Pg需要向大家強調(diào)一點：流體的密度與重度是隨著外界壓力與溫度的變化而變化的。但有時由于溫度和壓力變化所引起的流體密度變化不大時， 可以認為流體的密度和重度是恒定的。例如，在平時的生活中，我們一般都認為水的密度為1000kg/m3。但是實際上水的密度是隨著溫度升高而降低的。不知各位有沒有觀察過用“熱得快”在暖瓶中燒水。即使你在灌水時灌得不滿，在加熱過程中也會慢慢有水從壺口溢出。因為在加熱過程中水的體積在不斷膨脹，當膨脹使得液面高過壺口時便有水溢出。我們來分析一下。如上圖所示，在“熱得快”加熱水的過程中水從初始的液位（黑色線）升至紅色線位置。在此過程中，暖瓶中的水體積從V1增大到V2,而在此過程中水的質(zhì)量沒有發(fā)生變化，那么由密度的定義式可知：2、 流體的熱脹性（直觀式教學(xué)，用時2分鐘）在分析上述例子過程中我們提到水在加熱過程中體積從Vi增大到V2,而密度由P1減小到P2,我們將流體受熱時體積膨脹而密度減小的性質(zhì)稱為流體的熱脹性。3、 流體的壓縮性（直觀式教學(xué)，用時3分鐘）流體的壓縮性是指流體受壓，體積減小而密度增大的性質(zhì)。對于我們常見的液體和氣體而言，液體的熱脹性和壓縮性均較氣體的小。對于液體而言，在實際工程中往往認為其熱脹性和壓縮性非常小，均可忽略不計。但也有特殊情況，如在采暖系統(tǒng)中往往需要考慮水的熱脹性。對于氣體而言，其熱脹性和壓縮性隨著溫度和壓強的變化往往很大，故不能忽略不計。4、 流體的粘滯性及牛頓內(nèi)摩擦定律（引導(dǎo)式教學(xué)，用時25分鐘）流體的粘滯性是本節(jié)課的重點，也是我們這門課程極為重要的一個基礎(chǔ)內(nèi)容。流體的粘滯性是指流體自身阻止其產(chǎn)生相對運動的性質(zhì)。一般我們?nèi)粘Ｉ钪袑⑵浞Q為粘性。在工作中大家經(jīng)常判斷機油的好壞的標準之一就是它的粘性。比如機油用了一段時間后，我們會發(fā)現(xiàn)它有點像水了，不粘了。還有，我們將水

和油倒到同一桌面上，水的流動性肯定比油的好。這些都是流體的粘滯性在起作用。后一個例子也說明一個問題：流體的粘滯性在其發(fā)生運動時才能體現(xiàn)出來。（1）牛頓內(nèi)摩擦定律平板實驗假設(shè)：兩塊平板間距很小，上平板運動速度不高，而且沒有流體流入和流出。在這些假設(shè)條件下，平板間的速度分布是線性的。-4-對于大多數(shù)流體，實驗結(jié)果表明：平板拉力 F與平板面積A、平板速度u 成正比，與平板間距S成反比，即AuFoe—6引入比例系數(shù)，并進行微元化，duF=^A—或FduT=T=M-—Ady式中，F(xiàn)——總內(nèi)摩擦力，N;t 單位面積上的內(nèi)摩擦力，即切應(yīng)力， N/m2;du/dy 速度梯度，表示速度在垂直于流速的方向 y的變化率；卩一一動力粘度，Pa-soU=k/P式中，U——運動粘度，m2/s。（2）管內(nèi)流動速度分布下面我們再來分析一下我們工作和生活中常見的流體在管內(nèi)流動。如圖所示，有流體在管內(nèi)流動。經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)：流體在管內(nèi)流動時并不是齊頭并進的。在靠近管壁的地方，流體流速較低甚至在壁面上其速度為零；在管軸線附近流速較高，在管軸線上達到最大。也就是說流體在管內(nèi)流動時它的流速分布是不均勻的。一般我們假設(shè)流體的流動分層的，如下圖所示。在層和層之間流體的流速是不同的，速度快的流層對流速慢的流層有拖動作用；反過來，流速慢的流層對速度快的流程有阻力作用。即流層之間產(chǎn)生了內(nèi)摩擦，也就是粘滯阻力，并由此引起了能量損失。練習(xí)題：在標準大氣壓下，溫度為20攝氏度的空氣，在直徑為2.5cm的圓管內(nèi)流動，在距管內(nèi)壁上1mm處的空氣流速為3mm/s。計算：（1）管內(nèi)壁上空氣流速；（2）作用于單位長度管內(nèi)壁上的粘滯力。查粘度表的注意事項：（1） 看清表頭，壓強，物質(zhì)（空氣、水等）。（2） 分清卩（謬）動力粘度和v（紐）運動粘度。（3） 數(shù)量級，如20攝氏度為0.0183X10-3Pa?s。（4） 25攝氏度的空氣的粘度為多少？采用內(nèi)差法。從牛頓內(nèi)摩擦定律的推導(dǎo)過程中，可以看出對于流體流過的表面上流速為0。單位統(tǒng)一換算為國際制單位。最好采用科學(xué)計數(shù)法5、粘度與溫度的關(guān)系（直觀式教學(xué)，用時10分鐘）由上圖中，我們可以看到：隨著溫度的升高液體的粘度不斷減小，而氣體的粘度則不斷增大。由于粘度是分子間吸引力和分子間不規(guī)則的熱運動產(chǎn)生動量交換的綜合結(jié)果。隨著溫度的升高，分子間吸引力降低，動量增大。對于液體，分子間距小，分子間的吸引力是決定性因素，因此液體的粘滯性隨著溫度升高而減?。粚τ跉怏w，分子間距較大，分子間的熱運動產(chǎn)生的動量交換起決定作用， 因而氣體的粘滯性隨著溫度的升高而增大。需要強調(diào)：流體的粘滯性是由流體本身的物理性質(zhì)所決定的， 是產(chǎn)生粘滯阻力的內(nèi)因；流體流動或質(zhì)點間的相對運動是使得粘滯性得以體現(xiàn)的外因。此外，流體所接觸的固體邊界的表面粗糙度也將是直接影響流體流動阻力的大小， 是構(gòu)成影響流動阻力或能量損失的重要外因之一。6、流體的其他性質(zhì)（直觀式教學(xué)，用時5分鐘）表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力引起的現(xiàn)象在我們的工作和生活中也非常普遍。比如燈芯、測壓計。燈芯一端浸沒在燈油中，另一端為燃點。燈油是如何從低處上升到燃點，從而使得油燈不斷燃燒？酒精（或者水）為介質(zhì)測壓計中，液面總是在與壁面接觸的地方高，而中間是下凹的。（三）本節(jié)小結(jié)（直觀式教學(xué)，用時5分鐘）1、密度、比容及重度m北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》V1u —mmg2、流體的熱脹性流體受熱時體積膨脹而密度減小的性質(zhì)稱為流體的熱脹性。3、 流體的壓縮性流體的壓縮性是指流體受壓，體積減小而密度增大的性質(zhì)。4、 流體的粘滯性及牛頓內(nèi)摩擦定律流體的粘滯性是指流體自身阻止其產(chǎn)生相對運動的性質(zhì)。duF=□A—dyFdut=—=y—Ady5、流體的粘度與溫度間關(guān)系艷度\用體氣體6流體的其他性質(zhì)表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。十一、板書設(shè)計詳見本講PPT。十二、作業(yè)1、靜止的流體有粘滯性嗎？為什么？答：流體的粘滯性是指流體自身阻止其產(chǎn)生相對運動的性質(zhì)， 它是由流體本〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》身的物理性質(zhì)所決定的，是產(chǎn)生粘滯阻力的內(nèi)因。靜止的流體因為沒有流動而使得流體粘滯性沒有體現(xiàn)出來，但其粘滯性是存在的。北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案北京市燃氣集團燃氣學(xué)院教案〈〈流體力學(xué)》〈〈流體力學(xué)》一、 班名：二、 授課內(nèi)容：引言三、 時間：60分鐘四、 重點流體的力學(xué)模型——連續(xù)性介質(zhì)、無粘性流體、不可壓縮流體。五、 難點作用在流體上的力一一表面力、質(zhì)量力。六、 課程性質(zhì)：綜合課七、 教學(xué)目的通過講解使學(xué)員對表面力和質(zhì)量力有一定的了解，理解流體的力學(xué)模型及其意義。八、 教學(xué)目標九、所需教具黑板、粉筆、板擦、計算機和投影儀十、教學(xué)過程首先組織教學(xué)，把學(xué)員的精神都集中到課堂上來。（一）回顧上一講內(nèi)容（啟發(fā)式教學(xué)，用時5分鐘）1、密度、比容及重度ma―——pV12、流體的熱脹性流體受熱時體積膨脹而密度減小的性質(zhì)稱為流體的熱脹性。3、流體的壓縮性流體的壓縮性是指流體受壓，體積減小而密度增大的性質(zhì)。

4、流體的粘滯性及牛頓內(nèi)摩擦定律流體的粘滯性是指流體自身阻止其產(chǎn)生相對運動的性質(zhì)。du

F=uA—

dyFdu

t=—=y—Ady5、流體的粘度與溫度間關(guān)系6流體的其他性質(zhì)-10--10-（二）本節(jié)內(nèi)容1、 作用在流體上的力根據(jù)力的作用方式的不同，可以分為質(zhì)量力和表面力。質(zhì)量力作用于流體內(nèi)部上，并與流體質(zhì)量成正比。分為重力和慣性力。對于靜止流體而言，只有重力存在。表面力作用于流體表面上，并與作用面的面積成正比。以壓力P和切應(yīng)力T形式存在。對于靜止流體，只有壓力P存在。因此，對于靜止流體質(zhì)量力和表面力僅以重力和壓力形式存在。2、 流體的力學(xué)模型為了更為簡便地研究作用于流體上的力，對流體做了以下三點假設(shè)：（1）連續(xù)性介質(zhì)?；瘜W(xué)知識告訴我們：物體都是由無數(shù)微小粒子（原子、分子等）組成的，并且粒子之間是存在間隙的。流體自然也不例外。

由于流體力學(xué)研究