流体及其主要物理性质

第一章流体及其主要物理性质§1-1流体的概念§1-2流体的主要物理性质§1-3作用在流体上的力1、定义：指具有流动性且自身不能保持一定形状的物体，如气体和液体。一、流体的定义和特征流动•即流体受切应力时产生的变形§1-1流体的概念2、特征流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的作用下也将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止。没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体完全充满容器。流体具有可压缩性；液体可压缩性小，水受压从1个大气压增加至100个大气压时，体积仅减小0.5%；气体可压缩性大。流体具有明显的流动性；气体的流动性大于液体。3、物质的三态在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。流体和固体的区别:从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。液体和气体的区别：（1）气体易于压缩；而液体难于压缩；（2）液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。液体和气体的共同点：两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。有无固定的体积？能否形成自由表面？是否容易被压缩？流体气体无否易液体有能不易呈现流动性？流体固体•液体、气体与固体的区别微观上：流体分子距离的存在以及分子运动的随机性使得流体的各物理量在时间和空间上的分布都是不连续的。宏观上：当所讨论问题的特征尺寸远大于流体的分子平均自由程时，可将流体视为在时间和空间连续分布的函数。•问题的提出二、流体质点与流体的连续介质模型（连续介质假设）宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。•流体质点概念微观：流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1cm3液体中含有3.3×1022个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.1×10-8cm。1cm3气体中含有2.7×1019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.2×10-7cm。宏观：考虑宏观特性，在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。（1）流体质点：也称流体微团，是指尺度大小同一切流动空间相比微不足道又含有大量分子，具有一定质量的流体微元。（2）流体连续介质模型：连续介质：质点连续地充满所占空间的流体或固体。连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间的一种连续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型：u=u(t,x,y,z)。•问题的提出流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成是时间和空间连续分布的函数流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占满空间而没有间隙。•连续介质假设连续介质假设是近似的、宏观的假设，它为数学工具的应用提供了依据，在其它力学学科也有广泛应用，使用该假设的力学统称为“连续介质力学”。除了个别情形外，在水力学中使用连续介质假设是合理的。特例航天器在高空稀薄的空气中的运行血液在毛细血管中的流动连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学是自然图形的抽象一样。除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析。只研究连续介质的力学规律。问题：按连续介质的概念，流体质点是指:A、流体的分子；B、流体内的固体颗粒；C、几何的点；D、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。优点：排除了分子运动的复杂性。物理量作为时空连续函数，则可以利用连续函数这一数学工具来研究问题。由瑞士学者欧拉（Euler）1753年首先建立，这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。如果液体视为连续介质，则液体中一切物理量（如速度、压强和密度等）可视为空间（液体所占据空间）坐标和时间的连续函数。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。三、流体的分类（1）根据流体受压体积缩小的性质，流体可分为：可压缩流体（compressibleflow）：流体密度随压强变化不能忽略的流体。不可压缩流体（incompressibleflow）：流体密度随压强变化很小，流体的密度可视为常数的流体。(a)严格地说，不存在完全不可压缩的流体。(b)一般情况下的液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。(c)对于气体，当所受压强变化相对较小时，可视为不可压缩流体。(d)管路中压降较大时，应作为可压缩流体。可压缩流体和不可压缩流体压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可以压缩的，只不过可压缩的程度不同而已。液体的压缩性都很小，随着压强和温度的变化，液体的密度仅有微小的变化，在大多数情况下，可以忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。=0的流体称为不可压缩流体，而密度为常数的流体称为不可压均质流体。气体的压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变时，完全气体的体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高1℃体积就比0℃时的体积膨胀1/273。所以，通常把气体看成是可压缩流体，即它的密度不能作为常数，而是随压强和温度的变化而变化的。我们把密度随温度和压强变化的流体称为可压缩流体。tdd把液体看作是不可压缩流体，气体看作是可压缩流体，都不是绝对的。在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。例如，研究管道中水击和水下爆炸时，水的压强变化较大，而且变化过程非常迅速，这时水的密度变化就不可忽略，即要考虑水的压缩性，把水当作可压缩流体来处理。又如，在锅炉尾部烟道和通风管道中，气体在整个流动过程中，压强和温度的变化都很小，其密度变化很小，可作为不可压缩流体处理。再如，当气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。（2）根据流体是否具有粘性，可分为：实际流体：指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力，即存在摩擦力。理想流体：是指忽略粘性的流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。问题：理想流体的特征是:A、粘度是常数；B、不可压缩；C、无粘性；D、符合pV=RT。（3）牛顿流体、非牛顿流体牛顿流体（newtonianfluids）：是指任一点上的切应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。非牛顿流体：不符合上述条件的。§1-2流体的主要物理性质一、流体的密度1、密度一切物质都具有质量，流体也不例外。质量是物质的基本属性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大。流体的密度是流体的重要属性之一，它表征流体在空间某点质量的密集程度。流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量，用符号ρ来表示。对于流体中各点密度相同的均质流体，其密度式中：ρ—流体的密度，kg/m3；M—流体的质量，kg；V—流体的体积，m3。VM（1-1）对于各点密度不同的非均质流体，在流体的空间中某点取包含该点的微小体积，该体积内流体的质量为则该点的密度为流体的相对密度流体的相对密度是指某种流体的密度与4℃时水的密度的比值，用符号d来表示。式中：—流体的密度，kg/m3；—4℃时水的密度，kg/m3。表1-1和表1-2列出了一些常用液体、气体在标准大气压强下的物理性质。VMVMVddlim0Wfd（1-2）fWVm比容：密度的倒数1v（1-5）液体种类温度t（℃）密度（kg/m3）相对密度d动力黏度410（Pa·s）纯水209981.0010.1海水2010261.0310.620%盐水2011491.15—乙醇（酒精）207890.7911.6苯208950.906.5四氯化碳2015881.599.7氟利昂-122013351.34—甘油2012581.2614900汽油206780.682.9煤油208080.8119.2原油20850-9580.85-0.9372润滑油209180.92—氢-257720.0720.21氧-19512061.212.8水银201355513.5815.6表1-1在标准大气压下常用液体的物理性质液体种类温度t（℃）密度（kg/m3）相对密度d动力粘度410（Pa·s）纯水209981.0010.1海水2010261.0310.620%盐水2011491.15—乙醇（酒精）207890.7911.6苯208950.906.5四氯化碳2015881.599.7氟利昂-122013351.34—甘油2012581.2614900汽油206780.682.9煤油208080.8119.2原油20850-9580.85-0.9372润滑油209180.92—氢-257720.0720.21氧-19512061.212.8水银201355513.5815.6表1-1在标准大气压下常用液体的物理性质气体密度（kg/m3）动力粘度510（Pa·s）气体密度（kg/m3）动力粘度510（Pa·s）空气1.2051.80氮1.161.76二氧化碳1.841.48氧1.332.00一氧化碳1.161.82甲烷0.6681.34氦0.1661.97饱和水蒸汽0.7471.01氢0.08390.90表1-2在标准大气压和20℃常用气体性质气体密度（kg/m3）动力黏度510（Pa·s）气体常数R[J/(kg·K)]气体密度（kg/m3）动力黏度510（Pa·s）气体常数R[J/(kg·K)]空气1.2051.80287氮1.161.76297二氧化碳1.841.48188氧1.332.00260一氧化碳1.161.82297甲烷0.6681.34520氦0.1661.972077饱和水蒸汽0.7471.01462氢0.08390.904120表1-2在标准大气压和20℃常用气体性质2、重度（容重）均质液体：或：VGγgVMgVGγ＝则gγ水水d（1-3）（1-6）（1-7）二流体的压缩性和膨胀性1、流体的压缩性在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。流体压缩性的大小用体积压缩系数来表示。它表示当温度保持不变时，单位压强增量引起流体体积的相对缩小量，即式中—流体的体积压缩系数，m2/N；—流体压强的增加量，Pa；—原有流体的体积，m3；—流体体积的增加量，m3。VVppdd1ppdVVd（1-8）p由于压强增加时，流体的体积减小，即与的变化方向相反，故在上式中加个负号，以使体积压缩系数恒为正值。实验指出，液体的体积压缩系数很小，例如水，当压强在(1～490)×107Pa、温度在0～20℃的范围内时，水的体积压缩系数仅约为二万分之一，即每增加105Pa，水的体积相对缩小约为二万分之一。表1-4列出了0℃水在不同压强下的值。表1-40℃水在不同压强下的值pdVdp压强p（105Pa）4.99.819.639.278.4（×10-9m2/N）0.5390.5370.5310.5230.515pppp气体的压缩性要比液体的压缩性大得多，这是由于气体的密度随着温度和压强的改变将发生显著的变化。对于完全气体，其密度与温度和压强的关系可用热力学中的状态方程表示，即式中—气体的绝对压强，Pa；—气体的密度，kg/m3；—热力学温度，K；—气体常数，J/(kg·K)。常用气体的气体常数见表1-2。在工程上，不同压强和温度下气体的密度可按下式计算：RTppTR（1-9）式中为标准状态(0℃,101325Pa)下某种气体的密度。如空气的＝1.293kg/m3；烟气的＝1.34kg/m3。为在温度t℃、压强N/㎡下，某种气体的密度。1013252732730pt000p2、流体的膨胀性在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数来表示，它表