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流体力学流体主要物理性质.ppt

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第二章 流体及其物理性质,在研究流体静止和运动之前,首先要了解流体的内在属性,即流体的物理性质。包括密度、压缩性、膨胀性、粘性等。其中,粘性是流体物理性质中最重要的特性。,§2.1 流体的定义和特征,凡是没有固定的形状易于流动的物质就叫流体。即液体和气体。 流体与固体的差别表现为: 固体:既能承受压力,也能承受拉力与抵抗拉伸变形;固体的变形与受力的大小成正比。 流体:只能承受压力,一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。在极小切应力下就会出现连续的变形流动。,液体和气体的区别:,气体易于压缩,而液体难于压缩;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。液体的流动性小于气体 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。,§1.2 流体作为连续介质的假设,微观:流体是由大量做无规则热运动的分子所组成,分子间存有空隙,在空间是不连续的。,宏观:一般工程中,所研究流体的空间尺度要比分子距离大得多。,定义:不考虑流体分子间的间隙,把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的连续介质。,流体微团必须具备的两个条件: 必须包含足够多的分子; 体积必须很小。,一、流体的连续介质假设,避免了流体分子运动的复杂性,只需研究流体的宏观运动。,2. 物理量作为时空连续函数,则可利用高等数学中连续函数分析方法研究流体平衡与运动规律。,二、采用流体连续介质假设的优点:,(工程应用中大多数状况满足假设),§2.3 作用在流体上的力,两类作用在流体上的力:表面力和质量力,一、表面力,1. 应力,分离体以外的流体通过流体分离体表面(接触面)作用在流体上的力,其大小与作用面积成比例,单位面积上的表面力。,2. 法向应力和切向应力,法向应力,切向应力,以上两个力是研究流体流动时经常遇到的两种应力,二、质量力,质量力是某种力场作用在全部流体质点上的力,其大小和流体的质量或体积成正比,故称为质量力或体积力。,例如:重力、惯性力、磁力,§2.4 流体的密度,一、流体的密度,单位体积流体所具有的质量。,单位:kg/m3,常见流体的密度: 水——1000 kg/m3 空气——1.23 kg/m3 水银——136000 kg/m3,均匀流体:,二、流体的相对密度,流体的密度与4oC时水的密度的比值。,式中,f ——流体的密度(kg/m3) w——4oC时水的密度(kg/m3),三、流体的比体积(比容),单位质量的流体所占有的体积,流体密度的倒数。,单位: m3/kg,四、混合气体的密度,混合气体密度按各组分气体所占体积百分数计算。,式中:1, 2,… n ——各组分气体的密度 a1, a2,… an——各组分气体所占的体积百分数,§1.5 流体的压缩性和膨胀性,一、流体的压缩性,流体体积随着压力的增大而缩小的性质。,1.压缩系数,2.体积模量,单位压力增加所引起的体积相对变化率,二、流体的膨胀性,流体体积随着温度的增大而增大的性质。,1.膨胀系数,单位温度增加所引起的体积相对变化率,单位:,或,§1.5 流体的压缩性和膨胀性,三、可压缩性流体和不可压缩性流体,1. 可压缩性,2. 可压缩流体和不可压缩流体,可压缩流体:考虑可压缩性的流体,不可压缩流体:不考虑可压缩性的流体,流体体积随着压力和温度的改变而发生变化的性质。,§2.6 流体的粘性,一、流体的粘性,1. 粘性的定义 流体内部各流体微团之间发生相对运动时,流体内部会产生摩擦力(即粘性力)的性质。,(1) 库仑实验(1784),库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。,(2) 流体粘性所产生的两种效应 流体内部各流体微团之间会产生粘性力;流体将粘附于它所接触的固体表面。,2.牛顿内摩擦定律,(1) 牛顿平板实验,当h和u不是很大时,两平板间沿y方向的流速呈线性分布,,实验表明,对于大多数流体,存在,引入比例系数μ,得:,此即牛顿内摩擦定律,又称牛顿切向应力公式,⑴粘性切应力与速度梯度成正比;,(2)粘性切应力与角变形速率成正比;,(3)比例系数 称动力粘度,简称粘度。,牛顿内摩擦定律表明:,流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。,(1) 动力粘度,(2) 运动粘度,3.粘度,(3) 粘度的影响因素2.24,温度对流体粘度的影响很大,温度,压力对流体粘度的影响不大,一般忽略不计,液体:分子内聚力是产生粘度的主要 因素。温度↑→分子间距↑→分子吸 引力↓→内摩擦力↓→粘度↓,气体:分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑,(4) 粘度的测量,一般不能直接测量,不同物质的黏度可参考经验公式进行计算。,管流法 落球法 旋转法 工业粘度计,,Engler粘度计,(5)粘性流体和理想流体,1.粘性流体,具有粘性的流体(μ≠0)。,2.理想流体,忽略粘性的流体(μ= 0)。 一种理想的流体模型。,三、牛顿流体和非牛顿流体,1.牛顿流体,2.非牛顿流体,符合牛顿内摩擦定律的流体 如水、空气、汽油和水银等,不符合牛顿内摩擦定律的流体 如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。,例:汽缸内壁的直径D=12cm,活塞的直径d=11.96cm,活塞长度L=14cm,活塞往复运动的速度为1m/s,润滑油的μ =0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。,解:,注意:面积、速度梯度的取法,,,,,,,,,d,D,L,例:旋转圆筒粘度计,外筒固定,内筒转速n=10r/min。内外筒间充入实验液体。内筒r1=1.93cm,外筒 r2=2cm,内筒高h=7cm,转轴上扭距M=0.0045N·m。求该实验液体的粘度。,解:,注意:1.面积A的取法;2.单位统一,,,,,,,,,,,,h,n,r1,r2,得,解:,注意:1.面积A的取法;2.单位统一,得,§2.7 液体的表面性质,一、表面张力,1.表面张力现象,水滴悬在树枝头而不滴落;,细管中的液体自动上升或下降一个高度(毛细管现象);,昆虫浮在液面上而不下沉。,影响球:3-4r,厚度小于影响球半径的液面下薄层称为表面层。表面层内的所有液体分子均受到向下的吸引力,从而把表面层紧紧地拉向液体内部。,定义:使液体表面处于拉伸状态的力为表面张力. 表面张力系数 :单位长度上的表面张力.表面张力的产生部位:液、气接触自由表面,液固接触的周界、不同液体接触的周界 表面张力产生的原因:由于内聚力的不同而导致(分子受力不平衡)。,,2)毛细管现象,在毛细管中,表面张力可以引起液面上升或下降,此现象称之为毛细管现象.,液固间附着力大于液体的内聚力H2O,液固间附着力小于液体的内聚力(Hg),接触角概念: 当液体与固体壁面接触时, 在液体,固体壁面作液体表面的切面, 此切面与固体壁在液体内部所夹部分的角度  称为接触角, 当  为锐角时, 液体润湿固体, 当  为钝角时, 液体不润湿固体.水与洁净玻璃的  = 0° 水银与洁净玻璃的  = 140°,,,,,,,表面张力在垂直方向的分力与所升高液柱的重量相等时,液柱平衡不再升高.即有:,液柱高度h:,图1-6 液体在毛细管内上升 (a) 湿润管壁的液体的液面上升,图1-6 液体在毛细管内下降 (b) 不湿润管壁的液体的液面下降,内聚力: 液体分子间吸引力 附着力: 液体与固体分子间吸引力,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。,思考题1,(D),流体的粘性与流体的------无关(a). 分子内聚力 (b).分子动量交换 (c). 温度 (d). 速度梯度,思考题2,(d),温度升高时表面张力系数是--------(A)增大(B)减小(C)不变,思考题3,(B),毛细液柱高度h与-----成反比(A) 表面张力系数(B) 接触角(C) 管径(D) 粘性系数,思考题4,( C),液滴内压强p与大气压强p0之差( p - p0) -------- 0(a) 0 (b) =0 (c) 0,思考题5,(a),接触角 =? 时,流体不湿润固体(a) 120o (b) 20o (c) 10o (d) 0o,思考题6,(a),
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