流体的主要物理力学性质.ppt

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1、过程装备与控制工程教研室,1,工程流体力学,过程装备与控制工程教研室李洪亮,过程装备与控制工程教研室,2,你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？你想知道同一容器上同高同径孔口和管嘴泄流谁的流速大、谁的流量大吗？,过程装备与控制工程教研室,3,工程流体力学是热能与动力工程等专业的一门重要的专业基础课，它为学好专业课和今后从事专业技术工作以及科学研究工作打下必要的流体力学基础。,过程装备与控制工程教研室,4,课程安排计划学时：64周学时：4课程性质：必修考试（考查）方式：考试,过程装备与控制工程教研室,5,使用教材：孔珑

2、主编流体力学，高等教育出版社参考教材：黄卫星主编工程流体力学，化学工业出版社陈卓如主编工程流体力学，高等教育出版社张也影主编流体力学，高等教育出版社吴望一主编流体力学，北京大学出版社,过程装备与控制工程教研室,6,本课程的内容第1章 绪论第2章 流体静力学第3章 流体运动学和动力学基础第4章 相似原理和量纲分析第5章 管流损失和水力计算第6章 气体的一维定常流动第7章 理想流体多维流动基础第8章 粘性流体多维流动基础,过程装备与控制工程教研室,7,高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？最早的高尔夫球现在的高尔夫球,过程装备与控制工程教研室,8,高尔夫球表面为什么有很多小凹坑？高尔夫球表面之所以设计有

3、许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力，增加球的升力。通常说来，尾流范围越小，球体后方的压力就越大，空气对球的阻力就越小。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力，另外一半则是来自小凹坑。,过程装备与控制工程教研室,9,汽车阻力来自前部还是后部？汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数CD很大，约为0.8。,过程装备与控制工程教研室,10,汽车阻力来自前部还是后部？实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。,过程装备与控制工程教研室,11,汽车阻力来自前部还是后部？20世纪

4、30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。,过程装备与控制工程教研室,12,汽车阻力来自前部还是后部？20世纪5060年代改进为船型，阻力系数为0.45。,过程装备与控制工程教研室,13,汽车阻力来自前部还是后部？80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。,过程装备与控制工程教研室,14,汽车阻力来自前部还是后部？以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。,过程装备与控制工程教研室,15,汽车阻力来自前部还是后部？90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。,过程装备与控制工程教研室,16,汽车阻力来自前部

5、还是后部？经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5。目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。,过程装备与控制工程教研室,17,机翼升力来至下部还是上部？,过程装备与控制工程教研室,18,第 1 章绪 论,过程装备与控制工程教研室,19,本章内容1.1 流体力学发展史简述1.2 流体力学的研究内容、研究方法和应用 1.3 流体的定义和特征 连续介质模型 1.4 作用在流体上的力 1.5 流体的主要物理性质,过程装备与控制工程教研室,20,1.1 流体力学发展史简述,过程装备与控制工程教研室,

6、21,流体力学在中国大禹治水4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。(公元前256-210年)秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。龙首渠（公元前156-前87）西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土的塌方。,过程装备与控制工程教研室,22,流体力学在中国水利风力机械在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉杜诗任南阳太守时（公元37

7、年）曾创造水排（水力鼓风机），利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。,过程装备与控制工程教研室,23,流体力学在中国真州船闸北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。潘季顺明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢，建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄原则，并著有两河管见、两河经略和河防一揽。流量清朝雍正年间，何梦瑶在算迪一书中提出流量等于过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。,过程装备与控制工程教研室,24,流体力学在中国李冰（公元前302-235）,过程装

8、备与控制工程教研室,25,流体力学在中国钱学森浙江省杭州市人，他在火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、气动力、结构、材料、计算机、质量控制和科技管理等领域的丰富知识，为中国火箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰出的贡献。,1957年获中国科学院自然科学一等奖1979年获美国加州理工学院杰出校友奖1985年获国家科技进步奖特等奖1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与工程名人称号1991年被国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号和一级英模奖章,过程装备与控制工程教研室,26,流体力学在中国周培源（19021993）1902年8月28日出生，江苏宜兴人。理论学家、流体力学家，主要从事

9、物理学的基础理论中难度最大的两个方面（即爱因斯坦广义相对论引力论和流体力学中的湍流理论）的研究与教学，并取得出色成果。,过程装备与控制工程教研室,27,流体力学在中国吴仲华（Wu Zhonghua）在1952年发表的在轴流式、径流式和混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流普遍理论和在1975年发表的使用非正交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程及其解法两篇论文中所建立的叶轮机械三元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机械设计计算的主要依据。,过程装备与控制工程教研室,28,流体力学的西方史阿基米德（Archimedes，公元前287-212）,古希腊数学家、力学家，静力学和流体静力学的奠基人论浮

10、体历史上有记载的最早从事流体力学现象研究,过程装备与控制工程教研室,29,流体力学的西方史列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452-1519）,著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问题。,过程装备与控制工程教研室,30,流体力学的西方史伽利略（Galileo,1564-1642）,在流体静力学中应用了虚位移原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增大和速度的提高而增大。,过程装备与控制工程教研室,31,流体力学的西方史托里析利（E.Torricelli,1608-1647）,论证了孔

11、口出流的基本规律,过程装备与控制工程教研室,32,流体力学的西方史帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）,提出了密闭流体能传递压强的原理-帕斯卡原理。,过程装备与控制工程教研室,33,流体力学的西方史牛顿（1642-1727）,英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。流体粘性牛顿内摩擦定律,过程装备与控制工程教研室,34,流体力学的西方史伯努利（D.Bernoulli，17001782）,瑞士科学家，曾在俄国彼得堡科学院任教。在流体力学、气体动力学、微分方程和概率论等方面都有重大贡献，是理论流体力学的创始人。伯努利方程,过程装备与控制工程教研室,35,流体力学的西方史欧拉（L

12、.Euler，17071783）,瑞士数学家、力学家、天文学家、物理学家，变分法的奠基人，复变函数论的先驱者，理论流体力学的创始人。连续介质模型理想流体平衡微分方程理想流体运动微分方程,过程装备与控制工程教研室,36,流体力学的西方史拉格朗日（J.-L.Lagrange,17361813）,提出了新的流体动力学微分方程，使流体动力学的解析方法有了进一步发展。严格地论证了速度势的存在，并提出了流函数的概念，为应用复变函数去解析流体定常的和非定常的平面无旋运动开辟了道路。,过程装备与控制工程教研室,37,流体力学的西方史纳维（，1785-1836）斯托克斯（G.G.Stokes,1819-1903

13、）,纳维首先提出了不可压缩粘性流体的运动微分方程组。斯托克斯严格地导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。,过程装备与控制工程教研室,38,流体力学的西方史雷诺（O.Reynolds，1842-1912）,英国力学家、物理学家和工程师，杰出的实验科学家。层流与紊流雷诺数雷诺应力,过程装备与控制工程教研室,39,流体力学的西方史卡门(T.von Krmn，1881-1963),美国著名空气动力学家卡门涡街解释机翼张线的线鸣、水下螺旋桨的嗡鸣,过程装备与控制工程教研室,40,流体力学的西方史普朗特（L

14、.Prandtl，18751953）,德国力学家，现代流体力学的创始人之一。边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作空气动力学之父。,过程装备与控制工程教研室,41,流体力学的西方史谢才（A.de Chzy法国）,在1755年便总结出明渠均匀流公式-谢才公式，一直沿用至今。,过程装备与控制工程教研室,42,流体力学的西方史瑞利（，1842-1919）,在相似原理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法中的一种方法-瑞利法。,过程装备与控制工程教研室,43,流体力学的西方史儒科夫斯基（.,1847-1921）,二维升力理论、螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨桨叶

15、剖面等。对空气动力学的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高效能飞机设计奠定了基础。,过程装备与控制工程教研室,44,流体力学的西方史弗劳德（W.Froude，1810-1879）,对船舶阻力和摇摆的研究颇有贡献，他提出了船模试验的相似准则数弗劳德数，建立了现代船模试验技术的基础。,过程装备与控制工程教研室,45,流体力学的西方史亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）基尔霍夫（G.R.Kirchhoff,1824-1887）,对旋涡运动和分离流动进行了大量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。,过程装备与控制工程教研室,4

16、6,流体力学的西方史斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理转用到流体上。达朗伯（J.le R.dAlembert,17171783）1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说明了理想流体假定的局限性。库塔（，1867-1944）1902年就曾提出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行的刊物上发表。,过程装备与控制工程教研室,47,流体力学的西方史布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了计算紊流光滑管阻力系数的经验公式。伯金汉（E.Buckingham）在1914年发表的在物理的相似

17、系统中量纲方程应用的说明论文中，提出了著名的定理，进一步完善了量纲分析法。,过程装备与控制工程教研室,48,流体力学的西方史尼古拉兹（J.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布了他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果-尼古拉兹曲线，据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有的系数。,过程装备与控制工程教研室,49,流体力学的西方史科勒布茹克（）在1939年发表的论文中，提出了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区阻力系数计算公式。莫迪（）在1944年发表的论文中，给出了他绘制的实用管道的当量糙粒阻力系数图-莫迪图。至此，有压管流的水力计算已渐趋成熟。,过程装备与控

18、制工程教研室,50,流体力学已派生出很多新的分支,电磁流体力学生物流体力学化学流体力学地球流体力学高温气体动力学,非牛顿流体力学爆炸力学流变学计算流体力学,过程装备与控制工程教研室,51,1.2 流体力学的研究内容、研究方法和应用,过程装备与控制工程教研室,52,流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律的科学研究流体平衡的条件及其压强分布规律研究流体运动的基本规律研究流体绕流某物体或流过某流道时速度分布、压强分布、能量损失研究流体与固体间的相互作用,过程装备与控制工程教研室,53,流体力学的研究方法理论分析方法实验研究方法数值计算方法,过程装备与控制工程教研室,54,流体力学的研究方法理论分析方法

19、建立理论模型流体力学模型；对模型建立描写流体运动规律的封闭方程组以及与之相应的边界条件和初始条件；求解方程组；将结果与实际流动相比较，以确定解的精确度。,过程装备与控制工程教研室,55,流体力学的研究方法理论分析方法推导严紧，答案精确；只局限于比较简单的理论模型；忽略流动的次要影响因素，需要用实验的方法对结果进行修正；不能解决复杂的流体力学问题。,过程装备与控制工程教研室,56,流体力学的研究方法实验研究方法根据相似原理建立实验模型；通过实验测定有关相似准则中的物理量；将实验数据整理成相似准则数，并通过对实验数据的拟合找出准则方程式。,过程装备与控制工程教研室,57,流体力学的研究方法实验研究

20、方法该方法更加接近实际，只要实验模型设计合理，测量无误，准则方程的拟合精度高，实验结果是可靠的；设计模型时只能使主要相似准则数相等，实验结果只是近似的；有些流体力学问题，无法在实验室内进行研究。,过程装备与控制工程教研室,58,流体力学的研究方法数值计算方法建立数学模型；合理选用计算方法；编制计算程序；上机计算，分析结果，以确定是否满足要求。,过程装备与控制工程教研室,59,流体力学的研究方法数值计算方法能解决许多用数学方法难以求解的问题，从一定意义上讲，这种方法是理论分析方法的延伸和拓宽；在计算机上用数值计算的方法可以很好地模拟流体力学实验，节省研究时间和经费；数学模型的建立必须以理论分析和

21、实验研究为基础，而且往往难以包括实际流动的所有物理特性。,过程装备与控制工程教研室,60,流体力学的研究方法理论分析、实验研究和数值计算这三种方法各有利弊，相辅相成理论指导实验研究和数值计算；实验用来检验理论分析和数值计算结果的正确性；数值计算可以弥补理论分析和实验研究的不足，对复杂的流体力学问题进行既快又省的计算分析。,过程装备与控制工程教研室,61,流体力学在许多工业技术中有着广泛的应用,采矿工业化学工业石油工业土木建筑工程人体循环,水利工程造船工业电力工业机械工业冶金工业,过程装备与控制工程教研室,62,流体力学在工程中的应用由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。,幻影200

22、0,F-15,过程装备与控制工程教研室,63,流体力学在工程中的应用使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。,过程装备与控制工程教研室,64,流体力学在工程中的应用利用超高速气体动力学，物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类制造出航天飞机，建立太空站，实现了人类登月的梦想。,过程装备与控制工程教研室,65,流体力学在工程中的应用单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台,过程装备与控制工程教研室,66,流体力学在工程中的应用排水量达50万吨以上的超大型运输船,过程装备与控制工程教研室,67,流体力学在工程中的应用

23、航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇,过程装备与控制工程教研室,68,流体力学在工程中的应用时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学，船舶流体力学的基础之上。,过程装备与控制工程教研室,69,流体力学在工程中的应用用翼栅及高温，化学，多相流动理论设计制造成功大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。,过程装备与控制工程教研室,70,流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,过程装备与控制工程教研室,71,流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离

24、不开水力学和风工程。,过程装备与控制工程教研室,72,流体力学在工程中的应用大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,过程装备与控制工程教研室,73,流体力学在工程中的应用21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。,全球气象预报（卫星云图）,过程装备与控制工程教研室,74,流体力学在工程中的应用环境与生态控制,过程装备与控制工程教研室,75,流体力学在工程中的应用灾害预报与控制,龙卷风,太平洋暴云,过程装备与控制工程教研室,76,流体力学在工程中的应用火山与地震预报,过程装备与控制工程教研室,77,流体

25、力学在工程中的应用发展更快更安全更舒适的交通工具,过程装备与控制工程教研室,78,流体力学在工程中的应用各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。,过程装备与控制工程教研室,79,流体力学在工程中的应用流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。,星云,过程装备与控制工程教研室,80,流体力学在工程中的应用流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。,毛细血管流动,过程装备与控制工程教研室,81,流体力学在工程中的应用

26、生物仿生学,信天翁滑翔,过程装备与控制工程教研室,82,流体力学在工程中的应用流体力学需要与其他学科交叉，如工程学，地学，天文学，物理学，材料科学，生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。,工程学材料学气象学,过程装备与控制工程教研室,83,流体力学在工程中的应用,过程装备与控制工程教研室,84,1.3 流体的定义、特征、连续介质模型,过程装备与控制工程教研室,85,流体的定义能够流动的物质称为流体在任何微小切力的作用下都能够发生连续变形的物质液体、气体统称为流体,过程装备与控制工程教研室,86,固体和流体具有不同的特征流体具有流动的特征。在给定的切力作用下，固体只产生一定

27、量的变形，而流体将产生连续变形；当切力停止作用时，在弹性极限内固体可以恢复原来的形状，而流体只是停止变形。在静止状态下，固体能够同时承受法向应力和切向应力，而流体仅能够承受法向应力，只有在运动状态下才能够同时承受法向应力和切向应力。固体有一定的形状，而流体则取其容器的形状。,过程装备与控制工程教研室,87,固体和流体具有不同的特征固体内的切应力由剪切变形量（位移）决定，而流体内的切应力与变形量无关，由变形速度（切变率）决定。任意改变均质流体微元排列次序，不影响它的宏观物理性质；任意改变固体微元的排列无疑将它彻底破坏。固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力与固体表面状况有关；流体与固体表面可实现分

28、子量级的接触，达到表面不滑移。,过程装备与控制工程教研室,88,液体和气体具有不同的特征气体易压缩液体的流动性不如气体一定质量的液体有一定的体积，气体能够充满所能到达的全部空间。,过程装备与控制工程教研室,89,流体质点流体力学中研究流体运动时所取的最小流体微元体积无穷小而又包含大量分子的流体微团从宏观上看，和流动所涉及的物体的特征长度相比，该微团的尺度无穷小，小到在数学上可以作为一个点来处理。从微观上看，和分子的平均自由行程相比，该微团的尺度又充分大，包含足够多的分子，使得这些分子的共同物理属性的统计平均值有意义。,过程装备与控制工程教研室,90,连续介质模型1755年欧拉提出 不必去研究流

29、体的微观分子运动，而只研究描述流体运动的宏观物理属性（如密度、压强、速度、温度、粘度、热力学能）。可以不考虑分子间存在的间隙，而把流体视为有无数连续分布的流体微团组成的连续介质。根据连续介质模型，流体的密度、压强、速度、温度等物理量一般在空间和时间上都是连续分布的，都应该是空间坐标和时间的单值连续可微函数，便可用解析函数的诸多数学工具去研究流体的平衡和运动规律，为流体连续的研究提供了很大的方便。,过程装备与控制工程教研室,91,1.4 作用在流体上的力,过程装备与控制工程教研室,92,1.4.1 表面力与周围流体或物体的相互作用力，分布于有限流体的表面又称近程力、接触力,过程装备与控制工程教研

30、室,93,1.4.1 表面力,过程装备与控制工程教研室,94,1.4.2 质量力作用在微团内均匀质量的质心上，由流体质量所引起。质量力的大小与流体的质量成正比质量通常和微团的体积成正比又称为体积力，是一种非接触力又称长程力,过程装备与控制工程教研室,95,仅受重力作用：,单位质量质量力,1.4.2 质量力,过程装备与控制工程教研室,96,1.5 流体的主要物理性质,过程装备与控制工程教研室,97,1.5.1 流体的密度、相对密度、比体积、混合气体的密度,过程装备与控制工程教研室,98,流体的密度密度是流体的重要物理属性，表征流体的质量在空间的密集程度。密度的定义：单位体积流体所具有的质量。均质

31、流体非均质流体,过程装备与控制工程教研室,99,流体的密度密度的单位 kg/m3密度与温度和压强有关常见流体的密度 表1.5.1 表,过程装备与控制工程教研室,100,流体的相对密度在共同的特定条件下某一流体的密度 与另一参考流体的密度 之比参考流体选为相同条件的纯水（以往常选4时的纯水）,过程装备与控制工程教研室,101,流体的比体积单位质量流体所占有的体积，即密度的倒数 比体积的单位 m3/kg,过程装备与控制工程教研室,102,混合流体的密度混合气体的密度混合液体的密度,过程装备与控制工程教研室,103,【例1-1】锅炉烟气各组分气体所占体积的百分比:试求烟气的密度。,过程装备与控制工程

32、教研室,104,【例】求15、质量浓度40酒精的密度。,过程装备与控制工程教研室,105,1.5.2 流体的压缩性和膨胀性,过程装备与控制工程教研室,106,流体的压缩性体积压缩率：在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率也称为压缩性系数负号是由于 和 异号单位：Pa-1或m2/Nk值大的流体容易压缩,过程装备与控制工程教研室,107,流体的压缩性体积模量K：压缩率的倒数单位：PaK值大的流体不容易被压缩气体的体积模量随气体的变化过程不同而不同 等温过程；等熵过程,过程装备与控制工程教研室,108,流体的压缩性液体和气体都具有压缩性，二者压缩性大小不同。液体的压缩性小，通常视为密度不变的不可压

33、缩流体。气体的压缩性大，通常视为密度可变的可压缩流体。工程中是否考虑流体的压缩性，要根据具体情况确定：水下爆炸：水也要时为可压缩流体。当气体流速比较低时也可以视为不可压缩流体。,过程装备与控制工程教研室,109,【例1-2】求水在等温状态下，将体积缩小5/1000时所需要的压强增量。,过程装备与控制工程教研室,110,流体的膨胀性体膨胀系数：在一定压强下单位温升引起的体积变化率单位：1/或1/K 值大的流体容易压缩一般需要同时考虑温度和压强对气体体积和密度的影响,过程装备与控制工程教研室,111,1.5.3 流体的粘性,过程装备与控制工程教研室,112,流体的粘性 牛顿粘性应力公式流体的粘性是

34、指流体流动时产生内摩擦力的性质粘性是流体的固有物理属性流体的粘性只有在运动状态下才能显示出来流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687）提出。由库仑（C.A.Coulomb,1784）用实验得到证实。,过程装备与控制工程教研室,113,库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,过程装备与控制工程教研室,114,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论

35、:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。,过程装备与控制工程教研室,115,流体的粘性 牛顿粘性应力公式流体中水平运动平板的受力牛顿平板实验实验表明：与上平板接触的流体以U的速度运动速度；与下平板接触的流体静止不动；中间流体速度均匀变化，各流体层之间有相对运动。,过程装备与控制工程教研室,116,流体的粘性 牛顿粘性应力公式流体中水平运动平板的受力牛顿平板实验结论平板、流体间产生与F大小相等而方向相反的的摩擦阻力F分析F的大小与平板的面积A、平板的运动速度U成正比，与两平板间的距离成反比牛顿内摩擦定律,过程装备与控制工程教研室,117,流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿内

36、摩擦定律 引入比例系数，得,过程装备与控制工程教研室,118,动力粘度（粘度）在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形速率的能力的量度。粘度与流体的种类、温度、压强有关。粘度的单位：Pas cpU/h 速度梯度表示速度垂直方向上单位长度流体的速度增量。,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,过程装备与控制工程教研室,119,微元流层,牛顿粘性应力公式,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,过程装备与控制工程教研室,120,各流层间的切向应力和速度梯度成正比；速度梯度越大，切向应力越大，能量损失也越大；静止流体或流体以相同速度流动，速度梯度等于零，粘性表现不出来。,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,过程装备与控制工程教研

37、室,121,流体的粘性 牛顿粘性应力公式流体流动的速度梯度与流体微团的角变形速度的关系,过程装备与控制工程教研室,122,角变形速度,流体流动的速度梯度等于流体微团的角变形速度,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,过程装备与控制工程教研室,123,各流层间的切向应力和流体微团的角变形速度成正比,角变形速度,流体的粘性 牛顿粘性应力公式,过程装备与控制工程教研室,124,流体的粘性 牛顿粘性应力公式牛顿粘性定律指出：粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定，而不是由速度决定。粘性切应力由流体元的角变形速率决定，而不是由变形量决定。流体粘性只能影响流动的快慢，却不能停止流动。,过程装备与控制工程教研室

38、,125,流体的粘性 牛顿粘性应力公式运动粘度 动力粘度和密度的比值运动粘度的单位：m2/s cm2/s（沲）=10-4 m2/s,过程装备与控制工程教研室,126,流体粘性的形成因素和计算形成流体粘性的因素有两方面流体分子间的引力在流体微团相对运动时形成的粘性流体分子的热运动在不同流速流层间的动量交换所形成的粘性,过程装备与控制工程教研室,127,流体粘性的形成因素和计算形成液体粘性的主要因素是分子间的引力，温度升高，粘性减小。形成气体粘性的主要因素是分子的热运动，温度升高，粘性增大。压强的变化对气体和液体的粘性影响不大。,过程装备与控制工程教研室,128,流体粘性的形成因素和计算粘度计算的

39、经验公式计算气体粘度的苏士兰（Sutherlang）公式水的粘度随温度变化的关系式,过程装备与控制工程教研室,129,流体粘性的形成因素和计算粘度计算的经验公式机械油随压强和温度变化的关系式混合气体粘度的计算公式不缔合混合液体的粘度计算公式,过程装备与控制工程教研室,130,流体粘性的形成因素和计算常见流体的粘度 表1.5.6 表1.5.7 不同流体在不同温度下的动力粘度曲线和运动粘度曲线图1-5 图1-6,过程装备与控制工程教研室,131,流体粘性的形成因素和计算常温常压下水的粘度是空气的55.4倍常温常压下空气的运动粘度是水的15倍,过程装备与控制工程教研室,132,流体粘性的形成因素和计

40、算粘度的测量流体的粘度不能直接测量，往往是通过测量其它物理量由有关公式计算而得。由于测量原理、测量方法不同，测量的物理量也不尽相同。常用的测量方法有管流法、落球法、旋转法等。,过程装备与控制工程教研室,133,粘性流体和理想流体实际流体都具有粘性粘性流体没有粘性的流体为理想流体客观上不存在的假想流体模型有些实际流体的粘性显示不出来有些问题的粘性不起主要作用理想流体问题简单,过程装备与控制工程教研室,134,牛顿流体和非牛顿流体凡符合牛顿粘性应力公式的流体为牛顿流体其它流体为非牛顿流体非牛顿流体切向应力与速度梯度的关系,：表观粘度 k：常数 n：指数,过程装备与控制工程教研室,135,牛顿流体和

41、非牛顿流体理想塑性流体（B）,A理想流体,过程装备与控制工程教研室,136,牛顿流体和非牛顿流体拟塑性流体（C）表观粘度随角变形速度的提高而减小胀流型流体（D）表观粘度随角变形速度的提高而增大,A理想流体,过程装备与控制工程教研室,137,【例1-3】如图所示，转轴直径d=0.36m，轴承长度l=1m，轴与轴承之间的缝隙=0.2mm，其中充满动力粘度=0.72Pas的油，如果轴的转速n=200rpm。求克服油的粘性阻力所消耗的功率。,过程装备与控制工程教研室,138,【例】如图所示，上下两平行圆盘的直径为d，两盘之间的间隙为，间隙中流体的动力粘度为，若下盘不动，上盘以角速度旋转，不计空气摩擦力

42、，求所需力矩M的表达式。,过程装备与控制工程教研室,139,【例】一块可动平板与另一块不动平板之间为某种液体，两块板相互平行（如图），它们之间的距离h=0.5mm。若可动平板以v=0.25m/s的水平速度向右移动，为了维持这个速度需要单位面积上的作用力为2Pa，求这二板间液体的粘度。,过程装备与控制工程教研室,140,【例】图示油缸尺寸为d=12cm，l=14cm，间隙=0.02cm，所充油的粘度=0.6510-1Pas。试求当活塞以速度v=0.5m/s运动时所需拉力F为多少？,过程装备与控制工程教研室,141,1.5.4 液体的表面性质,过程装备与控制工程教研室,142,表面张力自由液面附近

43、的液体分子分别受到周围气体和液体分子的引力作用。液体分子引力大于气体分子引力。液体分子间引力作用范围在影响球内。,过程装备与控制工程教研室,143,表面张力距离液面大于影响球半径r的范围内，液体分子引力相互平衡。距离液面小于影响球半径r的范围内，液体分子引力不能平衡，合成一个拉向液体内部的合力，合力作用的结果是使液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收缩趋势的力称为表面张力。,过程装备与控制工程教研室,144,表面张力表面张力是拉力单位长度上所受到的拉力定义为表面张力系数，用表示，单位：N/m。表面张力的大小与液体的种类、液体表面气体的种类、温度有关。温度升高，表面张力减小。常见液体

44、的表面张力 表1.5.8 表,过程装备与控制工程教研室,145,毛细现象毛细现象 当把直径很小两端开口的细管插入液体中时，表面张力的作用将使液体出现升高或下降的现象。毛细管形成毛细现象的细管,过程装备与控制工程教研室,146,毛细现象液体分子之间相互制约的引力称为内聚力，液体分子之间和固体分子之间的引力称为附着力。当液体和固体壁面接触时，若内聚力小于附着力，液体将在固体壁面上伸展开来，湿润固体壁面，称为浸润现象。当内聚力大于附着力时，液体将缩成一团，不湿润固体壁面。,过程装备与控制工程教研室,147,毛细现象将毛细管插入液体，若出现浸润现象，则液体将沿壁面向外伸展，使液面向上弯曲成凹面。由于表

45、面张力的作用将使液面尽量缩小，力图使中间液面上凸成为平面。二者作用的结果使液体上升，直到上升液柱的重力和表面张力的垂直分量平衡为止。若内聚力大于附着力，则情况相反。,过程装备与控制工程教研室,148,毛细现象表面两侧的压强差,过程装备与控制工程教研室,149,毛细现象毛细管中液体上升（或下降）的高度,过程装备与控制工程教研室,150,毛细现象液面上升（或下降）的高度与管径成反比，与液体种类、管子材料、液体接触的气体（或不相溶的液体）的种类以及温度有关。对于水，当管内径大于20mm，对于水银，当管内径大于12mm时，毛细现象的影响可忽略不计。在多数工程实际中，由于固体边界足够大，同其它作用力相比可忽略不计。,