流体的力学性质

第1章流体的力学性质（PhysicalPropertiesofFluid）目的：认识流体的基本力学性质，是流体运动规律的基础。内容：•流体的易变形性和粘性；•流体的可压缩性；•作用在流体上的力。1.1流体的易变形性和粘性一、流体的易变形性：固体在确定的切应力作用下，将产生确定的变形；而流体在切应力的作用下，将产生连续不断的变形。1.1流体的易变形性和粘性二、流体的粘性：粘性：处于连续变形过程中的流体（处于运动状态）具有抵抗剪切变形的能力，这种性质称为粘性。我们感兴趣的是流体在运动过程中所受到的力，以及这个力与流体变形之间的关系—粘性力。粘性力物体的力作用在流体上，粘性摩擦力使流体变形；流体对物体表现出粘性摩擦力yyubFAUNewton’s实验通过实验发现：（1）、两平板之间的流体运动速度分布：xyFUpAbyuUb（2）、平板给与流体单位面积上的剪应力：yyubFAU平行流的Newton’s实验：dbdUdtUdbdtdtxydpdt/xyddudtdydupdtdtdy牛顿内摩擦定律：xydupdy牛顿流体：满足牛顿内摩擦定律的流体m1m=1m1牛顿流体和非牛顿流体Odudyxyp三.粘性系数：表征流体粘性的大小，是物性参数。与流体的物理状态（温度、压力）有关。一般与压力的关系不大，主要与温度有关。pTT＝（,）＝（）气体和液体的粘性系数随温度的变化规律并不一样：当温度升高时，液体粘性系数下降气体粘性系数升高•引起气体粘性的主要因素是分子之间的动量交换，温度升高，交换增强，粘性升高；•引起液体粘性的主要因素是分子之间的（内聚力），温度升高，内聚力（分子之间的吸引力）减小，粘性下降气体和液体的粘性随温度的变化：5,201.8110(Pa.s)－空气度3,201.00510(Pa.s)－水度在流体力学问题中，粘性系数经常以的形式出现-动力粘性系数-运动粘性系数42,200.15110(m/s)－空气度52,200.110(m/s)－水度理想流体：理想流体：的流体（假定）粘性流体：的流体（真实流体）001.2流体的可压缩性一、流体的可压缩性：作用在流体上的力发生变化时，流体的体积将发生变化；作用在流体上的力增大，流体的体积将缩小。可压缩性的度量方法（1）：V1()1V1v111Vpvppp（1）、压缩性系数：单位压力引起的体积相对收缩。V越大，越易压缩0v可压缩性的度量方法（2）：VV1pE（2）、体积弹性模数：0v92V,E2.0510N/m水可压缩性的度量方法（3）：VpEa（3）、声速：0va1450m/s水气体的可压缩性：气体的可压缩性与液体不一样，其值与压缩过程有关。等温过程：等熵过程：dppdVEpdppdVEp不可压缩流体：V0VE的流体或者1.3液体的表面张力1.表面张力（surfacetension）：自由表面上分子的内聚力不平衡，产生分子的内压力，这个力有使其表面缩小的趋势，其结果是自由表面受到张紧的力，就是--表面张力。2.毛细现象（Capillarity）液面与固面的湿润性：湿润型接触，非湿润型触。90,润湿型，如：水－玻璃，=8度；90度,非润湿型，如：水银－玻璃，=138度1.5作用在流体上的力0(,,)limmxyzmFfkjifzyxfff(,,,)xyztdFf重力场中：kgfg单位质量质量力：质量力的合力：1.质量力（体积力）：作用在物质质点上的力。物体内任取一微元体积，其质量mAFPnpnVAVnnpnpf2.表面力：外界与流体通过界面作用的力，单位面积上的力-应力来表示。VnAdAPp表面力的合力:0limnAdAdAPPpAFPnAVnnpnpfnpnpxxyyzzAAcos(n,x)nA1yz2AAcos(n,y)nA1zx2AAcos(n,z)nA1xy2rrr•在流场中，法向为的微元面上的应力为，可用通过该点的三个坐标面上的应力来表示。nrnpr三个坐标面的面积为：CDxpzpypdxdydzxyoABznnpnn-xx-yy-zznnxxyyzznnxxnyynzznDVfpApApApADtfpApApApAfpApnApnApnArrrrrrrrrrrrrrrr•对于微元体，应用牛顿第二定律，得1xyz6nxxyyzzpnpnpnprrrrxxxxyxzyyxyyyzzzxzyzzpipjpkppipjpkppipjpkprrrrrrrrrrrrCDxpzpypdxdydzxyoABznnp,,()zxzyzzppp•如果令xyzPipjpkprrrrrrnpnPrr•则称P为应力张量xyzxxxyxzyxyyyzzxzyzzxxxyxzyxyyyzzxzyzzPipjpkpi(ipjpkp)j(ipjpkp)k(ipjpkp)ppppppppprrrrrrrrrrrrrrrrrr