流體概念及性質(zhì).ppt

1、1.1流體的定義和特征,自然界物質(zhì)存在的主要形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài),一、流體的定義,流體的定義：在靜力平衡時，不能承受拉力或剪力的物體就是流體。,液體與氣體的區(qū)別 液體的流動性小于氣體； 液體具有一定的體積，并取容器的形狀； 氣體充滿任何容器，而無一定體積。,二、流體的特征,易流動性； 力學(xué)上只能承受壓力，一般不能承受拉力，靜止時不能承受切力； 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)運動的普遍規(guī)律。,1.1流體的定義和特征,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)則熱運動的分子所組成，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

2、得多。,問題的引出：,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)分布的流體微團組成的連續(xù)介質(zhì)。,流體微團必須具備的兩個條件 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（或流體質(zhì)點） 宏觀上足夠小，以致于可以將其看成一個幾何上 沒有維度的點；同時微觀上足夠大，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)計學(xué)性質(zhì)。,1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),避免了流體分子運動的復(fù)雜性，只需研究流體的宏 觀運動。,2. 可以利用數(shù)學(xué)工具來研究流體的平衡與運動規(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,1.2 流體的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),一、流體的密度,單位體積流體

3、所具有的質(zhì)量。,密度表征物體慣性的物理量。,單位：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,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,三、流體的相對密度,流體的密度與4oC時水的密度的比值。,式中，f 流體的密度（kg/m3） w4oC時水的密度（kg/m3）,1.3.1 流體的密度與重度,四、流體的比容,單位質(zhì)量的流體所占有的體積，流體密度的倒數(shù)。,單位： m3/kg,1.3.1 流體的密

4、度與重度,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,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變化量,2.體積模量,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.體脹系數(shù) 單位溫度增加所引起的體積相對變化量,1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性,工程上 不可壓縮流體,液體,氣體,溫度與壓強,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)

5、方程,1.3.2 流體的壓縮性和膨脹性,對液體而言，其壓縮性，一般情況下不考慮，因此工程實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，對實際氣體，不大于10MPa時，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,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,三、可壓縮性流體和不可壓縮性流體,1

6、. 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,1.3.3 流體的粘性,一、流體的粘性,1. 粘性的定義 流體運動時，其內(nèi)部各流體微團之間發(fā)生相對運動時，流體內(nèi)部會產(chǎn)生摩擦力（即粘性力）以阻抗流體變形的性質(zhì)。,(1) 庫侖實驗(1784),庫侖用液體內(nèi)懸吊圓盤擺動實驗證實流體存在內(nèi)摩擦。,(2) 流體粘性所產(chǎn)生的兩種效應(yīng) 流體內(nèi)部各流體微團之間會產(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

7、形的一種特性。 當(dāng)流體處于靜止或各部分之間相對速度為零時，流體 的粘性就表象不出來，其內(nèi)摩擦力也就等于零。,2.牛頓內(nèi)摩擦定律,(1) 牛頓平板實驗,當(dāng)h和u不是很大時，兩平板間沿y方向的流速呈線性分布，,1.3.3 流體的粘性,(2) 牛頓內(nèi)摩擦定律,實驗表明，對于大多數(shù)流體，存在,引入比例系數(shù)，得：,1.3.3 流體的粘性,速度梯度的物理意義,角變形速度（剪切變形速度）,vdt,(v+dv)dt,dvdt,dz,d,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),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)稱動力粘度，簡稱粘

8、度。,牛頓內(nèi)摩擦定律表明：,1.3.3 流體的粘性,流體粘性大小的度量,由流體流動的內(nèi)聚力和分子的動量交換引起。,(1) 動力粘度,(2) 運動粘度,3.粘度,（3）相對粘度-恩氏粘度,1.3.3 流體的粘性,(3) 粘度的影響因素,溫度對流體粘度的影響很大,溫度,壓力對流體粘度的影響不大，一般忽略不計,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：分子熱運動引起的動量交換是產(chǎn)生粘度的主要因素。 溫度分子熱運動動量交換內(nèi)摩擦力粘度,1.3.3 流體的粘性,水的動力黏度與溫度的關(guān)系：,式中：,為零度時的動力黏度。Pa.s,氣體的動力黏度與溫度的關(guān)系（蘇士蘭關(guān)系

9、式）,只使用于壓強不太大的場合）,1.3.3 流體的粘性,式中：,C為氣體常數(shù),(4) 粘度的測量,管流法 落球法 旋轉(zhuǎn)法 工業(yè)粘度計,1.3.3 流體的粘性,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,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、氣體等）,三、牛頓流體與非牛頓流體,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動規(guī)律的科學(xué)稱為-流變學(xué),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，

10、活塞往復(fù)運動的速度為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,d,D,L,例：旋轉(zhuǎn)圓筒粘度計，外筒固定，內(nèi)筒轉(zhuǎn)速n=10r/min。內(nèi)外筒間充入實驗液體。內(nèi)筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，內(nèi)筒高h=7cm，轉(zhuǎn)軸上扭距M=0.0045Nm。求該實驗液體的粘度。,解：,注意：1.面積A的取法； 2.單位統(tǒng)一,h,n,r1,r2,得,1.3.4表面張力和毛細現(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、毛細現(xiàn)象等,2 .表面張力和接觸角概念,表

11、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, 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) 為銳角時, 液體潤濕固體, 當(dāng) 為鈍角時, 液體不潤濕固體,水與玻璃的 = 8090 水銀的 = 1380,1.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象,1.3.4表面張力和毛細現(xiàn)象,3.毛細現(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,毛細現(xiàn)象,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),工程中常用的測壓管，毛細現(xiàn)象往往造成較大的誤差，一般情況下測壓管的管徑應(yīng)大于10mm。另外在研究液滴的破碎、氣泡的形成等問題時，也必須要考慮表面張力的作用。,流體力學(xué)的模型,連續(xù)介質(zhì) 流體微元具有流體宏觀特性的最小體積的流體團 理想