第二章 流体的主要物理性质

流体力学FluidMechanics2参考书《工程流体力学》，高殿荣吴晓明编著,机械工业出版社，1999.8,第一版考核方法闭卷考试理论课时：30学时3第二章流体的主要物理性质§2.1流体的概念及连续介质假设§2.2流体的密度、重度、比体积及相对密度§2.3流体的热膨胀性和可压缩性§2.4流体的粘性4§2.1流体的概念及连续介质假设一﹑流体的概念流体:易于流动的物体。由液体和气体组成。流体的特征：流体易流动性:不能抵抗无论多么小的拉力和剪切力。但在剪切力的作用下，流体会发生连续的变形。固体与流体变形的区别？5固体与流体变形的区别刚体：质点间距离受外力时不变弹性体：质点间距离受外力时发生有限改变外力去掉后恢复原状塑性体：质点间距离受外力时发生有限改变外力去掉后不恢复原状流体：在任何微小剪切力作用下都能连续变形外力不变，变形继续外力消失，变形停止6流体分类流体液体：气体：分子间距离小，吸引力大。分子无规则振动，移动。存在自由液面。分子间距离大，吸引力小。分子自由运动，极易变形。充满整个空间。7在标准状态下，1mm3体积水:3.31019个分子空气:2.71016个分子流体质点：在研究流体的宏观运动中，最小的流体微元。从流体的宏观机械运动来看,研究流体的运动时可将流体看成连续的——这称为连续介质假设。以后讨论流体均认为流体是连续的,这对引入数学工具极为重要。失效情况:稀薄气体激波天衣无缝二﹑连续介质假设8★密度单位体积的流体质量(均质)水的密度(4C)1000kg/m3,液压油的密度(15C）890kg/m3★重度单位体积的流体所受的重力(均质)式中：g—重力加速度，一般计算取g=9.81m/s2§2.2流体的密度、重度、比体积及相对密度)(N/m3gVmg9★比体积（比容）密度的倒数非匀质流体：质量非均匀分布，各点密度不同，某点的密度、重度、比体积分别为：mV1dmdVmVdVdGVGdVdmVmVVVlimlimlim000★流体的相对密度d流体的重度与标准大气压下4℃纯水的重度的比值水流水流d无量纲的纯数10关于单位制:1N=1kgm/s2，1kgf=9.81NKgf——公斤力1N=105dynedyne——达因单位制长度L质量M时间T力FSI制mkgsN工程单位制mkgskgf物理单位制cmgsdyne11§2.3流体的热膨胀性和可压缩性1.热膨胀性热膨胀性：一定压强下，随温度升高，流体体积增大。体积膨胀系数表示单位温度变化所引起的体积变化率，液体的热膨胀性很小，一般可忽略不计。2.压缩性流体的压缩性：一定温度下，随压强升高，体积减小。体积压缩系数k表示单位压强变化所引起的体积变化率，由于压强增大，体积缩小，为保证为正值，右边加一负号。1VVT1VkVpK-112体积压缩率k的倒数，称为体积模量KK越大，越不易被压缩。单位：Pa。在工程上认为液体（压缩性很小）是不可压缩的，但在特殊情况下，如水击作用和高压传动系统中，就必须考虑液体的压缩性。纯液体的体积压缩率很小。工程上常用的矿物系液压油，油中混入气体时压缩性将显著增加。纯水：K=2.1×109Pa；纯矿物油：K=0.4×109~2.1×109混气1%的矿物油：K=0.7476×109Pa≈0.7×1091VpKkV13§2.4流体的粘性1.粘性的概念俗话说：“人往高处走，水往地处流”。流体的粘性：是指流体微团间发生相对滑移时产生切向阻力的性质。也就是说：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力。14现在观察一种现象:设有两块平行的平板，其间充满静止流体。下板固定不动，上板以匀速U平行下板运动时，两板间的流体呈现出：从附着在动板下面的流体层，具有与动板等速的U开始，愈往下速度愈小，直到附着在定板上的流体层的速度为零这样的线性速度分布规律可见，各流层之间都有相对运动，必定产生切向阻力。若要维持这种运动，必须在上板上施加以与摩擦阻力F大小相等方向相反的切向力F’。UFAh图1牛顿剪切实验Fyuu+duuττhdyyadbb’cc’UdF’15牛顿内摩擦定律：剪切应力：dydAFudydAFudydAFuhuu+duUxydyzμ：动力粘度（系数），与流体性质有关Pa·s16速度梯度其大小表示流速在其法线方向上变化率的大小，也表示流体微团角变形速度的大小。δyadbb’cc’δδuδtdydutytuttgtdtdlimlimlimttt000ytutg——角变形速度（剪切变形速度）dtddydudydu17流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关182.牛顿内摩擦定律式中：F—内摩擦力（N）；τ—剪切应力（N/m2）；du/dy—速度梯度(s－1)；A—接触面积（m2）；μ—动力粘度。“±”是为使F、τ永为正值而设定的。这里指出：（1）切应力τ是成对出现的，它的方向是这样确定的：当所研究的面是被快层带动时，这面上的τ与运动方向一致；如果是被慢层阻止时，这面上的τ则与运动方向相反。（2）静止或相对静止流体中不出现内摩擦力(或切应力）。duFAdy(2.1)FduAdy193.粘度①动力粘度μ表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小。单位：N﹒s/m2(Pa﹒s)SIdan﹒s/cm2(P)物理单位制1P=0.1Pa﹒s=102CP②运动粘度ν单位：m2/sSIcm2/s(St，斯)物理单位制它的物理含义不明确，在流体力学计算中，μ、ρ总是以μ/ρ形式出现的。dudy203.粘度③恩氏粘度恩氏粘度值是被测液体与水的粘度的比较值。是一种相对粘度，仅使用于液体。是无量纲数EE21ttE214.粘度的变化规律1.温度对粘度的影响温度对粘度的影响比较显著。气体的粘度随温度的增高而增大；液体的粘度则随温度的增高而减小。气体产生粘性的主要因素是分子不规则热运动的动量交换所造成。而液体产生粘性的主要因素，是分子间的内聚力所形成的粘性阻力。温度升高时分子距离增大,液体分子间的引力减小，故液体的粘性减小。温度升高时气体的热运动加剧，故气体的粘性增大。2.压强对粘度的影响普通的压强对流体的粘度几乎没有什么影响。但在高压作用下，气体和液体的粘度均随压强的升高而增大。225.理想流体的概念理想流体是一种假想的流体。当流体的粘性可忽略时，流体就称为理想流体。实际流体都是有粘性的。232425h2h2v26