2-1流体黏度-静力学2014讲解

页码:1SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础目录返回第二章液压流体力学基础•TheFundamentalsofFluidMechanicsonHydraulicTransmission页码:2SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础序言•流体力学是力学的重要学科分支之一，它既是一门基础学科，也是一门应用学科。•流体力学所阐述的规律具有普遍性——基础学科特性；•流体力学原理和分析方法广泛应用于实际——应用学科特点。•液压传动技术就是流体力学实际应用的一个典型实例。•图为广西灵渠，公元前214年凿成通航。世界最古老运河之一。页码:3SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础流体力学发展历史第一时期(B.C.9000—B.C.2000)——末次冰期结束，气候转暖，雨水多。人类从狩猎经济→农牧经济。开沟引渠，木桶汲水灌溉。•第二时期(B.C.2000—A.C.1600)促进农业发展。整治河道，兴修水利，开凿运河，发展灌溉。•——古希腊现筒式水车和虹吸管(B.C.300)、水磨(B.C.200，中国也出现)。•——阿基米德提出浮力定量理论(B.C.200)•——达.芬奇提出定常流动连续性原理(A.C.1400)•——帕斯卡提出流体静力学基本关系式(A.C.1600)页码:4SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础流体力学发展历史•第三时期(17世纪—20世纪初)——流体力学形成与发展初期•——I.牛顿提出黏性流体剪应力公式；•——H.皮托发明测量流体压力的皮托管；•——D.伯努利提出定常不可压缩流体的伯努利方程；•——L.欧拉提出描述流体运动的欧拉方程；•——L.拉格朗日引进流函数，提出流体动力学条件；•——傅里叶与菲克提出扩散定律，奠定流体传热传质学基础；•——纳维与斯托克斯建立黏性流体运动方程组；•——O.雷诺进行一系列实验，发现层流与湍流现象，提出雷诺准数；•——图示科学家(从上至下)分别为牛顿，伯努利，•欧拉，拉格朗日和雷诺。页码:5SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础流体力学发展历史•第四时期(20世纪)——流体力学研究促进航空航天事业发展期•——M.库塔(1902)与E.儒可夫斯基(1906)提出运动物体升力定理；•——T.冯卡门(1912)从理论上分析尾流(涡流)稳定性问题；•——L.普朗特(1904)建立边界层理论；•——E.儒可夫斯基(1910)建立儒可夫斯基理想机翼模型；•——L.普朗特(1913)建立三维机翼理论(普朗特—兰彻斯特升力线理论)；•——J.阿克瑞特(1925)提出超音速翼型线性化理论；•——A.布泽曼(1920)设计并建立超音速风洞；•——L.普朗特(1930)提出普朗特相似性准则；•——钱学森(1939)与冯卡门(1941)提出精确准则；•——Z.科帕尔(1947)使用计算机获得超音速气流数值解。页码:6SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础流体力学应用右上：核电站冷却塔左上：实验风洞(中国)法国莫达讷实验风洞阻力最小的鲨鱼皮泳衣页码:7SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2.1液体的主要力学性质PropertiesofLiquid•2.1.1固体、液体及气体的差异(DistinctionbetweenaSolid,LiquidandGas)•固体、液体和气体是工程材料的常见三种状态体。•固体组织的分子密度远大于液体和气体，固体分子引力非常大。液体和气体分子引力太小。•液体和气体分子凝聚力很小，不能把相邻分子积聚。受很小压力作用时，液体和气体就会流动。•气体分子密度远低于液体，很容易压缩。页码:8SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2.1.2液体的密度(DensityofLiquids)•单位体积均质液体的质量，称为密度•(2-1)•ρ—液体质量密度，kg/m3；•m—液体质量，kg；•V—液体的体积，m3。•在工程条件下，压力和温度变化对液体密度影响小，•ρ=constant。•一般矿物质液压油的密度为ρ=850～960(kg/m3)。Vm页码:9SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2.1.3液体的可压缩性(CompressibilityofLiquids)•液体受压力作用时体积减小的现象，称为液体的压缩性。用压缩系数“β”表示。•压缩系数(2-2)•式(2-2)中dV—液体在压力增量作用下的体积增量，m3；•V—无压力增量时的液体体积，m3；•dp—压力增量，Pa。•体积弹性模数(volumemodulusofelasticity)，用”K”表示)(/2NmdpVdV)(PadVdpVK页码:10SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2.1.4液体的黏性(ViscosityofaLiquid)•1.黏性的物理意义及牛顿内摩擦定律•液体黏性模型•内摩擦力(2-3)•式中μ—油液黏性系数(动力黏度)，Pa·s；•A—液层接触面积，m2；•du/dy—速度梯度，1/s。•剪切应力τ——单位面积上的内摩擦力•(2-4)•(2-5))(NdyduAF)(PadyduAF)(/sPadydu页码:11SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础牛顿液体与非牛顿液体•1687年，牛顿年进行一维剪切流动实验。提出牛顿黏性定律。1845年，斯托克斯年在牛顿实验基础上，进行假设，导出纳维—斯托克斯方程。•后来人们研究知道，牛顿黏性实验定律(及纳斯方程)，对剪应力τ与剪切应变率γ满足线性关系时适用。对不不满足线性关系的流体并不适用。•人们将剪应力τ与剪切应变率γ之间满足线性关系的流体称为牛顿流体，而把不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。•上图：水，中图：酒精•下图：火山岩浆，番茄酱，蛋清页码:12SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础非牛顿流体理论和现象的提出•二次世界大战束,化学、纤维、塑料、石油等工业迅速发展，数学、化学学科理论不断提高，为非牛顿流体力学的提出提供理论基础。•1950年，J.G.奥尔德罗伊德提出建立非牛顿流体本构方程的基本原理，把线性粘弹性理论推广到非线性范围。•之后，W.诺尔、J.L.埃里克森、R.S.里夫林、C.特鲁斯德尔等对非线性粘弹性理论的发展作出贡献。1976年K.沃尔特斯等人创办国际性专门刊物《非牛顿流体力学杂志》(JournalofNon-NewtonianFluidMechanics)。•二十世纪70年代后期，非牛顿流体力学发展成为一个独立的学科。页岩油(中国生产)混凝土泥浆血浆页码:13SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础油液黏度计算举例例2-1如图所示，面积为64cm2，质量为0.8kg的平板，在于水平倾斜12、厚度为0.5mm的油液层上以0.5m/s的等速度自由下滑，试求此油液层的黏度。解：由式dyduAF整理得，dyduAF已知：速度梯度)/1(100.1105.05.033sdydu，平板面积A=64×10-4(m2)。求平板匀速下滑的动力分量F，由理论力学，作匀速平板平衡受力图。得平板摩擦力f，且f=F=Gg×sinɑ，平板平衡时，内外摩擦也平衡，所以有)(025.7100.1106412sin8.98.0sin34sPadyduAGgdyduAF页码:14SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础黏性的力学概念•液体对剪切变形的阻抗作用。•例润滑油或液压油的黏度高，如32号液压油，40℃运动黏度ν=32mm2/s。•汽油黏度低，流动阻力小。93号汽油10℃运动黏度ν=0.8mm2/s。•静止液体速度梯度du/dy=0，则τ=0。所以，静止液体不呈现黏性。ττττ油液油液ττττ页码:15SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2．黏性的表示方法•1)动力黏度(DynamicViscosity)亦称绝对黏度(absoluteviscosity)•物理意义：“液体在单位速度梯度下流动时，相邻液层间单位面积上的内摩擦力”。动力黏度μ量纲是(Pa·s)。•2)运动黏度(2-6)•3)相对黏度。•中、德、俄等国采用恩氏黏度°E，•美国采用赛氏黏度SSU，•英国采用雷氏黏度R，•法国采用巴氏黏度°B)(/sPadydusm/2页码:16SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础•恩氏黏度的测量方法•将200ml温度为T的被测液体装入Φ2.8mm小孔的恩氏黏度计中，测出该油液靠自重流尽所需时间t1。•与200ml温度为20℃蒸馏水由同一小孔流尽所需的时间t2(通常t2=51s)比较，其比值定义为被测液体在T(℃)下的恩氏黏度：•恩氏黏度公式：•一般以20℃、40℃及100℃作为测定液体恩氏黏度的标准温度，由此而得到的恩氏黏度表示为°E20、°E40、和°E100。21ttE页码:17SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础•油液对温度变化十分敏感，温度升高时，黏度降低，反之，低温时黏度上升，运动阻力迅速增大。•油液黏性随温度变化的性质称为“黏温特性”，通常用黏度指数表示，一般液压油的黏度指数要求在90以上。3．温度和压力对黏性的影响页码:18SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2.2流体静力学(FluidStatics)•静止液体定义——当全部液体质点相对于所选坐标系没有运动时，称该液体为静止液体。•静止液体特征——液体各质点之间没有相对运动。•静止液体不呈现“粘性”。•1.流体平衡是流体运动的特殊形式，研究流体平衡规律的学科——流体静力学。•B.C300，阿基米德发现浮力定律。但真正揭示流体平衡规律的是欧拉(1775)的描述流体质点平衡状态的“平衡微分方程”。•流体静力学有着广泛应用。页码:19SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压流体力学基础2.2.1.液体静压力及其特性•(1)静止液体质点上的作用力•力场、势力场和保守力场的概念•静止液体质点受力分析：•静止液体质点作用力:•(a)质量力bodyforce，•(b)表面力surfaceforce•流体应力场•静止液体质点表面力只存在法向压力。页码:20SchoolofMaterialsScienceandengineering,WHUT液压传动与控制第2章液压