工程流体力学第一章流体的物理性质.ppt

《工程流体力学第一章流体的物理性质.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程流体力学第一章流体的物理性质.ppt（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、,Engineering Fluid Mechanics,主讲教师 杨含离,工 程 流 体 力 学,第一章 流体的主要物理性质,1-1流体的特征及连续介质模型 1-2流体密度的相关概念 1-3流体的压缩性和膨胀性 1-4作用在流体上的力 1-5流体的粘性 1-6表面张力和毛细现象,第一章流体的主要物理性质,一、流体与固体的区别：,第一章流体的主要物理性质,1-1流体的特征及连续介质模型,从力学角度看，固体在确定的剪切力的作用下产生一定的变形；流体在剪切力作用下产生连续的的变形，即连续运动。,第一章流体的主要物理性质,流体的定义：流体是一种受到任何微小剪切应力作用时，都能连续变形的物质。这种连续

2、变形的运动，就是流动。,流体的流动性表现在：,1.在剪切力持续作用下，流体能产生无限大的变形；,2.在剪切力停止作用时，流体不作任何恢复变形；,4.任意搅拌的均质流体，不影响其宏观物理性质；,3.在流体内部压强可向任何方向传递；,5.粘性流体在固体壁面满足不滑移条件；,6.在一定条件下流体内部可形成超乎想象的复杂结构。,第一章流体的主要物理性质,二、液体与气体的区别,1.流动性：气体分子间距大，流动性大；液体分子间距小，流动性小；,2.压缩性：随着压强的增加，流体体积缩小可压缩性。气体分子间距大，可压缩性大；液体分 子间距小，可压缩性小。,三、连续介质模型,第一章流体的主要物理性质,连续介质假

3、设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象。,假设流体微团是由足够数量的分子组成，连续充满它所占据的空间，彼此间无任何间隙。,(1)可用连续性函数f(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时间变化规律；,(2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。,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。,第一章流体的主要物理性质,1-2流体密度的相关概念,对于流体中各点密度相同的均质流体，其密度（1-1）式中：流体的密度，kg/m3；m流体的质量，kg；V 流体的体积，m3。,一 流体的密度 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

4、质量的密集程度，流体的密度定义为：单位体积流体所具有的质量，用符号来表示。,第一章流体的主要物理性质,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，则该点的密度为,（1-2）,二、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。（1-3）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。,第一章流体的主要物理性质,表1-1 在标准大气压下常用液体的物理性质,第一章流体的主要物理性质,表1-2 在标准大气压和20常用气体性质,第一章流体的主

5、要物理性质,三、流体的比容,单位质量流体所占用的空间体积。1/kg/m3,1-3流体的压缩性和膨胀性,随着压强的增加，流体体积缩小；随着温度的增高，流体体积膨胀，这是所有流体的共同属性，即流体的压缩性和膨胀性。,一、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。,第一章流体的主要物理性质,表1-3 水的体胀系数（1/）,第一章流体的主要物理性质,2、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k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(1-5),式中 流体的体积

6、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。,第一章流体的主要物理性质,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。,表1-4 0水在不同压强下的 k值,第一章流体的主要物理性质,第一章流体的主要物理性质,例1-1 200 C体积为的2.5m3水，当温度升至800C时，其体积增 加多少？（200 C时1=998.23kg/m3 800CC时：2=971.83kg/m3）,则：,即：,第一章流体的主要物理性质,第一章流体的主要物理性质,1-4作用在流体上的力,单位质量力是作用在单位质量上的质

7、量力，通常用表示，其单位为m/s2，与加速度的单位相同。如果作用在体积为V，质量为m的流体上的质量力为Ff，其在x、y、z三个坐标轴上的分力分别为Ffx,Ffy,Ffz，则单位质量力在x、y、z轴上的分量x、y、z可写为：,第一章流体的主要物理性质,（1-7）,第一章流体的主要物理性质,二、表面力:,第一章流体的主要物理性质,1-5流体的粘性,粘性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不断地变形。但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了抵抗剪切变形能力的差别，这种能力就是流体的粘性。,现通过

8、一个实验来进一步说明流体的粘性。将两块平板相隔一定距离水平放置，其间充满某种液体，并使下板固定不动，上板以某一速度u0向右平行移动，如图所示。,一、流体的粘性,第一章流体的主要物理性质,图1-2 流体的粘性实验,第一章流体的主要物理性质,由于流体与平板间有附着力（录像），紧贴上板的一薄层流体将以速度u0跟随上板一起向右运动，而紧贴下板的一薄层流体将和下板一样静止不动。两板之间的各流体薄层在上板的带动下，都作平行于平板的运动，其运动速度由上向下逐层递减，由上板的u0减小到下板的零。在这种情况下，板间流体流动的速度是按直线变化的。显然，由于各流层速度不同，流层间就有相对运动，从而产生切向作用力，称

9、其为内摩擦力。作用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出现的，即大小相等而方向相反，分别作用在相对运动的流层上。速度较大的流体层作用在速度较小的流体层上的内摩擦力F，其方向与流体流动方向相同，带动下层流体向前运动，而速度较小的流体,第一章流体的主要物理性质,层作用在速度较大的流体层上的内摩擦力F，其方向与流体流动方向相反，阻碍上层流体运动。通常情况下，流体流动的速度并不按直线变化，而是按曲线变化，如图1-2虚线所示。,二、牛顿内摩擦定律 根据牛顿(Newton)实验研究的结果得知，运动的流体所产生的内摩擦力(切向力)F 的大小与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比，与接触面的面积A成正比

10、，并与流体的种类有关，而与接触面上压强P 无关。内摩擦力的数学表达式可写为,第一章流体的主要物理性质,写成等式为,式中 F 流体层接触面上的内摩擦力，N；A流体层间的接触面积，m2；du/dy垂直于流动方向上的速度梯度，1/s；动力粘度，Pas。,流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力，则（1-10）式中 切向应力，Pa。,第一章流体的主要物理性质,粘性的特性：,三、流体的分类,粘度一般不随压力变化；对于气体温度升高则粘度变大；对于液体温度升高则粘度变小。（如润滑油冬季粘稠，夏季粘度小）,只有当流体流层间有相对运动时，粘性才表现出来。,符合牛顿切应力公式者为牛顿流体，如水，空气；不符合牛顿切应

11、力公式者为非牛顿流体（录像），如油漆，高分子化合物液体。,粘性系数为零的流体称为理想流体，是一种假想的流体。,流体模型,按粘性分类,无粘性流体,粘性流体,牛顿流体,非牛顿流体,按可压缩性分类,可压缩流体,不可压缩流体,其他分类,完全气体,正压流体,斜压流体,均质流体,等熵流体,恒温流体,第一章流体的主要物理性质,第一章流体的主要物理性质,第一章流体的主要物理性质,在液层分界面上：,流速分布：,上层：,问题：下层 u=？,第一章流体的主要物理性质,第一章流体的主要物理性质,1-6表面张力和毛细现象,一、表面张力,当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张力，出现一些特殊现象，例如空气中

12、的雨滴呈球状，液体的自由表面好像一个被拉紧了的弹性薄膜等。,表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称为内聚力。在液体中，一个分子只有距离它约10-7cm 的半径范围内才能受到周围分子吸引力的作用。在这个范围内的液体分子对该分子的吸引力各方向相等，处于平衡状态。但在靠近静止液体的自由表面、深度小于约10-7cm 薄的表面层内，每个液体分子与周围分子之间的吸引力不能达到平衡，而合成一个垂直于自由表面的合力，这种力称为表面张力。观看录像：刀片 水珠轻舞,第一章流体的主要物理性质,二、毛细现象 把细管插入液体内，若液体(如水)分子间的吸引力(称为内聚力)小于液体分子与固体分子之间的吸引力

13、，也称为附着力，则液体能够润湿固体，液体将在管内上升到一定的高度，管内的液体表面呈凹面，如图1-4(a)所示，若液体(如水银)的内聚力大于液体与固体之间的附着力，则液体不能润湿固体，液体将在管内下降到一定高度，管内的液体表面呈凸面，如图1-4(b)所示。,这种液体在细管中能上升或下降的现象称为毛细现象。液体在细管中上升或下降的高度与表面张力有关。,表面张力的大小以作用在单位长度上的力表示，单位为N/m。,第一章流体的主要物理性质,图1-4 液体在毛细管内上升(a)湿润管壁的液体的液面上升,第一章流体的主要物理性质,图1-4 液体在毛细管内下降(b)不湿润管壁的液体的液面下降,内摩擦力产生的原因

14、 对于粘性内摩擦力产生的原因，这可以从分子微观运动的角度加以阐述，即分子间的引力与分子不规则运动的动量交换。,分子间的引力：当两相邻流层间有相对运动时，流体分子原来的平衡状态将被破坏，相邻分子间距增大，分子间的引力明显呈现出来，快速流层的分子将拖动慢速流层分子使其加速运动，另一方面，慢速流层分子将阻碍快速流层分子的运动。流体分子这种相互作用的结果，在宏观上就表现为内摩擦力，并称为粘性力。,分子不规则运动的动量交换：流体流动时，分子在不停地做不规则运动，在流层间做跳跃运动，这种跳跃运动无疑将流体分子间的动量交换。由于快层分子的速度高于慢层分子，当快层分子跳跃进入慢层时，会通过碰撞将其部分动量传递

15、给慢层分子，慢分子获得动量作加速运动；同样，当慢层分子进入快层时，将通过碰撞从快层分子获得动量，使快层分子减速运动。从而，由分子不规则运动引起的动量交换将在相邻流层间形成一种相互牵制的力，这在宏观上同样表现为粘性力。,第一章流体的主要物理性质,气体与液体的主要区别在于它们的 和。,1不同的液体其粘滞性_,同一种液体的粘滞性具有随温度_而降低的特性。A.相同 降低 B.相同 升高 C.不同 降低 D.不同 升高,2按连续介质的概念，流体质点（微团）是指：A.流体的分子 B.流体内的固体颗粒 C.几何点 D.几何尺寸极小，但又包含大量分子的微元体。,1试解释毛细现象。2试从分子微观运动的角度，说明

16、粘性内摩擦力的产生原因。,1流体是一种受到任何 作用时，都能 的物质。2流体的压缩性是指，膨胀性是指。3流体微团由足够数量的 组成，连续充满所占据的，彼此间无任何。4粘性内摩擦力是由于 和 两方面原因所造成。5流体内摩擦力的大小与流体的 和 成正比，且与 有关。,1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，几何点；D，几何尺寸极小，但又包含大量分子的微元体。2流体力学中，单位质量力是指作用在单位_ 液体上的质量力。A，面积 B，体积 C，质量 D，重量3与牛顿内摩擦定律有关的因素是:A，压强、速度和粘度 B，流体的粘度，切应力与速度梯度；C，切应力、温度、粘度与与速度；D，压强，粘度和角变形。,本 章 结 束,