绪论+第一章流体及其主要物理性质

陇东学院能源工程学院2015年3月工程流体力学《工程流体力学》是石油工程专业的一门主要专业基础课程，是学生学习后继专业课程和从事本专业的科研、生产工作所必备的理论基础。课程基本情况选用教材1、《工程流体力学》，袁恩熙主编，石油工业出版社，2005年7月参考书目2、《工程流体力学》，马贵阳编著，石油工业出版社，2006年11月3、《工程流体力学》，禹华谦主编，西南交通大学出版社，1999年12月课程基本情况总分:100分闭卷考试：70%平时成绩：30%作业：每周四上午必须全部交上来邮箱：[e-mail]联系方式：考试方式：课程基本情况一、工程流体力学的研究对象下图所示为采油工程地面系统的示意图，其管路的布置、油管直径、站内流程、油泵容量以及输油量的计算等等都必须具备流体力学知识。中哈输油管道长960多公里，由于路程长，弯道多，还有闸门等影响因素，从输油开始端的总能量就会因为这些因素而不断消耗，最终使流体不能继续向前流动。那么泵站就给流体增加能量，使之能继续克服这些能量消耗，最终到达目的地。输油管线示意图输油气管线：中俄、中哈、西气东输等流体力学是研究流体静止(相对静止)和运动的力学规律及其在工程实际中应用的一门学科。流体力学研究的对象是流体．流体力学按其研究内容和侧重方法的不同，分为理论流体力学(通称流体力学)和应用流体力学(通称工程流体力学)。前者主要采用严密的数学推理方法，力求准确性和严密性。后者则侧重解决工程实际中出现的问题而不去追求数学上的严密性。二、流体力学发展历史流体力学是物理学最古老的分支之一。流体力学的发展与数学和普通力学的发展密切相关，它是人类长期与自然界进行斗争的结果，是人类集体创造的财富。1、阿基米德(Archimedes，公元前287一前212年)的功绩，他是液体平衡理论，特别是物体浮力理论的创立者。二、流体力学发展历史2、流体力学的主要发展是从牛顿(Newton，1642—1727年)时代开始的。1687年，牛顿在他的名著《原理》中讨论了流体的阻力、波浪运动等内容，已经有了与近代概念很接近的论述，它使流体力学开始变成力学中一个独立分支。3、流体动力学的名字是伯努利(DanielBernoulli，1700一1782年)于1738年在他的名著《流体动力学》一书中首先引用的。在该书中提出的伯努利方程直到现在仍是流体力学中一个主要定律。二、流体力学发展历史4、欧拉(LeonhardEuler，l707一l783年)于1755年在他的著作《流体运动的一般原理》中提出了理想流体概念，并建立了理想流体的基本方程和连续方程，同时提出了速度势的概念。5、拉格朗日(Lagrange，1736—1813年)总结了前人的工作，进一步发展了流体力学的解析方法。他对速度势的存在性做了较严格的证明，并于1781年首先引进了流函数的概念。。。。。等等流体力学渗流力学流体力学石油工程：油藏工程：采油工程：储运工程：钻井工程：三、流体力学在石油工业中的地位和作用学习工程流体力学，不仅为了掌握油气水运动的规律，更重要的是运用这些规律改进工程的设计与管理，开展技术革新和革命，使石油工业赶超世界先进水平。第一节流体的概念第二节流体的主要物理性质第三节作用在流体上的力第一章流体及其主要物理性质第一节流体的概念物体的形态——固态、液态、气态流体包括：液体和气体固体与流体的区别：1、固体具有抵抗压力、拉力、切力；2、流体仅能抵抗压力，不能承受拉力，静止的流体也不能提抗切力。液体与气体的区别：1、液体很难被压缩，且由于分子引力作用，在容器中只能占据一定的体积，上部形成自由分界面；2、气体分子距很大，分子力很小，容易被压缩，既没有一定形状，也没有一定体积。液体的连续介质假设物质由分子组成。分子具有一定的质量和体积，分子之间有间隙。因此，物体的质量是不均匀地分布的。但分子之间的间距非常小，例如，标准状况下每mm3的体积里,有1019个气体分子，从宏观角度可以忽略不计。工程实际的流动问题届于大尺度的流动问题，从宏观上研究流体的运动规律，就可以把流体的质量看成是空间连续分布的。因此在流体力学中引入了液体的连续介质假设，即认为液体是由无数液体质点组成的，它没有空隙地充满所占空间。液体中各种物理量的变化也是连续的。这样可以不考虑复杂的分子运动，且液体中的一切物理量（如速度、压强、密度等）都可视为空间坐标和时间的连续函数，这样我们在研究液体运动规律时，可应用连续函数的理论来分析液体运动。第二节流体的主要物理性质一、密度单位体积液体的质量称为液体的密度，用符号ρ表示。如果体积为V的液体，它的质量为M，则ρ=M/V（1-1）密度的国际制（SI）单位是千克/每立方米（kg/m3）；对于非均质流体，根据连续介质假设，则：0limVMdMVdV（1-2）二、重度单位体积液体的重量称为液体的重度，用符号γ表示。如果体积为v的液体，它的重量为G，那么γ=G/v（1-3）重度的单位是牛/米3（N/m3）。对于非均质流体，根据连续介质假设，则：（1-4）根据牛顿第二定律，可知M=G/ɡ，用v去除左右两边，得密度和重度的关系式为γ=ρg（1-5）式中ɡ为重力加速度，其值大小和纬度有关，一般可看作常数，一般情况ɡ采用9.8m/s2。limVGdGVdV液体的重度也随压强和温度而有所变化。不同温度下的水的重度见表0-1。注意：在一般情况下也可看作常数。水的重度常采用的数值为9800N/m3（工程单位制的重度为10OOkgf/m3）。表0-1不同温度下水的物理性质的数值表温度℃重度γ(kN/m3)密度ρ(kg/m3)粘滞系数μ(10-3N·s/m2)运动粘滞系数ν(10-6m2/s)体积弹性系数k(109N/m2)表面张力系数σ(N/m)0510152025304050607080901009.8059.8079.8049.7989.7899.7779.7649.7309.6899.6429.5899.5309.4669.399999.91000.0999.7999.1998.2997.0995.7992.2988.0983.2977.8971.8965.3958.41.7811.5181.3071.1391.0020.8900.7980.6530.5470.4660.4040.3540.3150.2821.7851.5191.3061.1391.0030.8930.8000.6580.5530.4740.4130.3640.3260.2942.022.062.102.152.182.222.252.282.292.282.252.202.142.070.07560.07490.07420.07350.07280.07200.07120.06960.06790.06620.06440.06260.06080.0589一些常见的液体及空气，在一个工程大气压作用下20℃时的重度（国际单位制用牛/立方米，工程制用公斤力/立方米表示）液体名称清水海水汞四氯化碳空气汽油酒精石油甘油煤油kN/m39.810.0～10.113315.60.01186.67.768.612.37.9kgf/m310001020～10301360016001.2066707908801250810分子之间的作用力液体的粘性、压缩性、表面性质等物理性质与分子之间的作用力密切相关.分子之间的作用力有两种：排斥力和吸引力。左图表示两个孤立分子之间的相互作用力F与分子之间的距离d的关系曲线。现规定排斥力为正的作用力，吸引力为负的作用力。当分子之间的距离d小于d0，F＞0，分子的排斥力大于吸引力；当d0＜d＜d1时，F＜0，分子的吸引力大于排斥力，分子的作用力主要由吸引力所控制；当d＞d1时．F≈0，分子的吸引力很小，排斥力更小，分子之间的相互约束力很小。对于一般的分子，d0＝3x10-9–4x10-9mm,d1=10-7－10-8mm.三、压缩性和膨胀性1、压缩性：液体一般不能承受拉力，但可以承受压力。液体受压后体积要缩小，这种随着所受压力的增大而体积减少的特性，称为液体的压缩性。液体压缩性的大小是以体积压缩系数β或体积弹性系数k来表示的。体积压缩系数是液体体积的相对缩小值与压强的增值之比，用β表示。若某液体在承受压强为p的情况下（图0-2），其体积为v，当压强增加dp后，体积缩小dv，则体积压缩系数为（1-6）式中负号是考虑到压强增大，体积缩小，所以dv与dp始终是异号。为了保持β为正数。加一负号。β值愈大，则液体压缩性亦愈大。β的单位常用厘米2/牛顿（cm2/N）表示。水在不同压强下的压缩系数参考教材表1-2可以计算，当压强为8M帕时，20摄氏度的水体积变化大约为50%,一般认为水是不可压缩的，但对个别情况，如讨论管路中水流的水击问题，就要考虑水的压缩性。体积压缩系数的倒数，称为体积弹性系数k，即（1-7）k值越大，表示液体愈不易压缩。k→∞表示绝对不可压缩。k常用单位为牛顿/米2（N/m2）。2、膨胀性：在压力不变的条件下，流体温度升高时，其体积增大的性质为膨胀性。液体膨胀性的大小是以体积膨胀系数βt来表示,代表温度每增加1℃时所发生的体积相对变化量，即tdVVdt（1-8）四、粘滞性与粘滞系数当液体处在运动状态时，除了垂直于表面的压力外，还有沿着接触面方向的切应力。当液体质点之间存在着相对运动时，则质点间会产生一种内摩擦力来抵抗其相对运动，就是说液体具有在运动状态下抵抗剪切变形的能力，这种性质称为液体的粘滞性。内摩擦力又称为粘滞力。由于两相邻液层的流速不同（也即存在着相对运动），在其接触面上会产生内摩擦力来阻止其相对运动。下面慢层液体对上面快层液体作用了一个与流速方向相反的单位面积上摩擦力τ1，而上面快层液体对于下面慢层液体作用了一个与流速方向一致的单位面积上摩擦力τ2。这两个单位面积上摩擦力大小相等，方向相反，都具有抗拒其相对运动的性质。也即是流得快的液层对流得慢的液层起拖动作用，慢层液层对快层液层起阻滞作用。物质的分子处于连续不断的运动中。当流速大的流体层内的分子跃迁到流速小的流体层时，这个分子就会把自身携带的动量释放一部分给流速小的流体层，使它有运动加快的趋势，这时就相当于受到一个拉力；反之，流速小的流体层内的分子运动到流速大的流体层时，分子就从流速大的流体层中获得一定数量的动量，这就相当于给流速大的流体层的流体施加一个阻力，即粘性切应力。实验证明，相邻液层接触面的单位面积上所产生的内摩擦力τ（称粘滞切应力）的大小与两液层之间的速度差du成正比，与两液层之间距离成反比，同时与液体性质有关，其表达式为（1-9）式中μ为随液体种类不同而导出的比例系数，称为动力粘滞系数；两液层间流速差与其距离的比值du/dy，又称为流速梯度。式（1-9）就是著名的“牛顿内摩擦定律”。μ单位是N.s／m2，或(Pa.s)。τ(N／m2)与液体的物理性质有关。可以证明，流速梯度du/dy实质上是代表液体质点的剪切变形速率。在液流中的A点，取厚度为dy的方形液体质点ABCD（图0-4），在流速差du及粘滞切应力τ的作用下，经过dt时段，其位置和形状变为A′B′C′D′，即发生剪切变dθ，因为dt为微分时段，dθ也为微量。这样式（1-9）又可写成（1-10）这就是说，流速梯度du/dy即描述了液层之间的相对运动，又是液体的剪切变形速率，故牛顿内摩擦定律所表明的物理实质是：液体的粘滞切应力与液体的剪切变形速率成证比。因为μ含有力的量纲，故称为动力粘滞系数。在水力学的分析和计算中，常综合考虑粘滞性和惯性（密度）来全面反映液体的物理性质，故采用动力粘滞系数μ与液体密度ρ的比值，用表示，即（1-11）ν的国际单位为米2/秒，习惯上把1厘米2/秒（cm2/s）称为1“斯托克斯”。1“斯托克斯”=0.0001m2/s，因为ν具有运动学的量纲，故称为运动粘滞系数。对于水，可按下列经验公式计算（1-12）式中，t为水温，以℃计ν以厘米2/秒（cm2/s）。在同一