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1第一章第一章流体的主要力学性质流体的主要力学性质1第一章流体的主要力学性质第一章流体的主要力学性质2一、流体的一、流体的微观微观特点特点 质点质点：微观上足够大、宏观上足够小的微观上足够大、宏观上足够小的流体微团流体微团。流体质。流体质点的点的物理量物理量是确定的，不受单个分子的影响，是一个是确定的，不受单个分子的影响，是一个统计平均统计平均量量。第一节、连续介质模型第一节、连续介质模型 微观上：由大量做微观上：由大量做无规则运动（无规则运动（布朗运动布朗运动）的分子组成的，分子间的分子组成的，分子间有空隙；流体具有有空隙；流体具有不连不连续性续性。二、质点模型二、质点模型2一、流体的微观特点一、流体的微观特点 质点：微观上足够大、宏质点：微观上足够大、宏3A、流流体体的的分分子子；B、流流体体内内的的固固体体颗颗粒粒；C、几几何何点点；D、几几何何尺尺寸寸同流动空间相比是极小量同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微元体。又含有大量分子的微元体。三、连续介质模型三、连续介质模型 把把流体看成是由大量质点组成的，质点间无空隙。一流体看成是由大量质点组成的，质点间无空隙。一个质点占据一个空间点，流体分布与空间连续对应起来。个质点占据一个空间点，流体分布与空间连续对应起来。(1)按连续介质的概念，流体质点是指按连续介质的概念，流体质点是指（？）（？）质量分布连续、运动连续、内应力连续。流体的物理质量分布连续、运动连续、内应力连续。流体的物理量量U都是空间坐标和时间的连续函数：都是空间坐标和时间的连续函数：内涵内涵(2)连续介质模型什么情况下都适用吗？连续介质模型什么情况下都适用吗？3A、流体的分子；、流体的分子；B、流体内的固体颗粒；、流体内的固体颗粒；C、几何点；、几何点；D、几何、几何4第二节、流体的主要物理性质第二节、流体的主要物理性质*均质流体：均质流体：*非均质流体非均质流体:物体反抗外力而维持固有运动状态的性质。物体反抗外力而维持固有运动状态的性质。kg/m kg/m3 3kg/mkg/m3 3N/mN/m3 3一、惯性一、惯性1 1 1 1、密度、密度、密度、密度2 2 2 2、重度、重度、重度、重度4第二节、流体的主要物理性质第二节、流体的主要物理性质*均质流体：均质流体：*非均质流体非均质流体:物体反物体反5二、二、二、二、粘度及牛顿内摩擦定律粘度及牛顿内摩擦定律粘度及牛顿内摩擦定律粘度及牛顿内摩擦定律 流体的内聚力（对于液体）和分子的动量交换（对流体的内聚力（对于液体）和分子的动量交换（对于气体）。于气体）。1、粘性、粘性粘性的微观本质粘性的微观本质或或产生的原因产生的原因?粘性粘性1，2 流体在有相对运动时，流体内部要产生阻碍运动和流体在有相对运动时，流体内部要产生阻碍运动和变形的内摩擦力，称为流体的粘性。粘性是流体的一种变形的内摩擦力，称为流体的粘性。粘性是流体的一种固有属性固有属性。*、流体种类、流体种类、流体种类、流体种类2 2、粘性的主要影响因素、粘性的主要影响因素、粘性的主要影响因素、粘性的主要影响因素一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度.5二、二、粘度及牛顿内摩擦定律粘度及牛顿内摩擦定律 流体的内聚力（流体的内聚力（6液体液体液体液体：内聚力是液体产：内聚力是液体产：内聚力是液体产：内聚力是液体产生粘度的主要因素。温生粘度的主要因素。温生粘度的主要因素。温生粘度的主要因素。温度升高，分子间距离增度升高，分子间距离增度升高，分子间距离增度升高，分子间距离增大，吸引力减小，因而大，吸引力减小，因而大，吸引力减小，因而大，吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生使剪切变形速度所产生使剪切变形速度所产生使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以粘的切应力减小，所以粘的切应力减小，所以粘的切应力减小，所以粘度减小。度减小。度减小。度减小。气体：气体：气体：气体：气体分子间距离大，气体分子间距离大，气体分子间距离大，气体分子间距离大，粘度主要是由气体分子粘度主要是由气体分子粘度主要是由气体分子粘度主要是由气体分子热热热热运动运动运动运动所产生的动量交换的所产生的动量交换的所产生的动量交换的所产生的动量交换的结果所引起的。温度升高，结果所引起的。温度升高，结果所引起的。温度升高，结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动量交换分子运动加快，动量交换分子运动加快，动量交换分子运动加快，动量交换频繁，所以粘度增加。频繁，所以粘度增加。频繁，所以粘度增加。频繁，所以粘度增加。流体粘度随着温度的升高而降低吗流体粘度随着温度的升高而降低吗?*、压强、压强、压强、压强*、温度、温度、温度、温度？对常见的流体，粘度随压强的变化不大，一般忽略；对常见的流体，粘度随压强的变化不大，一般忽略；对常见的流体，粘度随压强的变化不大，一般忽略；对常见的流体，粘度随压强的变化不大，一般忽略；6液体：内聚力是液体产生粘度的主要因素。温度升高，分子间距离液体：内聚力是液体产生粘度的主要因素。温度升高，分子间距离7 对牛顿流体，粘性力对牛顿流体，粘性力F的大小与流体的性质有关，并与的大小与流体的性质有关，并与流速流速梯度梯度和和接触面积接触面积成正比：成正比：液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速速率率成正比。成正比。表示为表示为应力应力，引入系数，引入系数：A AB BA AB B3、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律 动力粘度，动力粘度，Ns/mNs/m2 2或或Pa.sPa.s 粘性切应力粘性切应力(单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力),),N/m2 或或Pa；7 对牛顿流体，粘性力对牛顿流体，粘性力F的大小与流体的性质有关，并的大小与流体的性质有关，并8 平平行行薄薄板板A、B间间充充满满流流体体，A以以速速度度U运运动动，B板板固固定定不不动动。由由于于粘粘性性作作用用，流流体体要要沿沿x方方向向流流动动，在在y方方向向流流速速要发生变化（要发生变化（U0）：）：牛顿剪切定律：牛顿剪切定律：牛顿剪切定律：牛顿剪切定律：速度线性变化速度线性变化A AB BA AB B8 平行薄板平行薄板A、B间充满流体，间充满流体，A以速度以速度U运动，运动，B板板9*、基于角变形分析的牛顿内摩擦定律：、基于角变形分析的牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律（1-121-12）流体的切应力与（剪切流体的切应力与（剪切流体的切应力与（剪切流体的切应力与（剪切变形速率变形速率变形速率变形速率oror角变形速率）角变形速率）角变形速率）角变形速率）成正比。成正比。成正比。成正比。a ab baabbd dc cddccdydy流体质点的剪切变形速率流体质点的剪切变形速率9*、基于角变形分析的牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律（、基于角变形分析的牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律（1-110!*切应力与切应力与剪切变形剪切变形速率速率成正比成正比；而固体的切应力与而固体的切应力与角变形的角变形的大小大小成成正比正比。*对对于于平衡平衡流体：流体：*粘性也可用粘性也可用运动粘度表示运动粘度表示：*注意单位。注意单位。牛顿内摩擦定律应用举例牛顿内摩擦定律应用举例10!*切应力与剪切变形速率成正比；而固体的切应力与切应力与剪切变形速率成正比；而固体的切应力与11例例1：底面积为：底面积为40 45cm2，高为，高为1cm的木块，质量为的木块，质量为5kg，沿，沿涂有润滑油的斜面向下涂有润滑油的斜面向下等速等速运动，速度运动，速度u=1m/s，油层厚度，油层厚度 =1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直，由木块所带动的油层的运动速度呈直线性线性分布，求油分布，求油的粘度。的粘度。解：解：等速运动等速运动 s=0=0由牛顿定律：由牛顿定律：Fs=m s=0 =0，即：，即：由内摩擦定律（速度呈直线分布）：由内摩擦定律（速度呈直线分布）：11例例1：底面积为：底面积为40 45cm2，高为，高为1cm的木块，质量的木块，质量12带入数据：带入数据：12带入数据：带入数据：13例例2：半半径径r0的的圆圆盘盘，在在平平台台上上旋旋转转，盘盘与与平平台台间间充充有有厚厚度度的的油油膜膜，当当圆圆盘盘以以n r/min旋旋转转时时，测测得得扭扭矩矩M。设设油油膜膜内内速速度度沿沿垂直方向为线性分布，求油的粘度及切应力沿径向的分布规律。垂直方向为线性分布，求油的粘度及切应力沿径向的分布规律。解解：半径：半径r处的微元环处的微元环dr上的摩擦阻力为上的摩擦阻力为 圆盘微元环所受粘性摩擦阻力矩为：圆盘微元环所受粘性摩擦阻力矩为：圆盘所受摩擦阻力矩为：圆盘所受摩擦阻力矩为：13例例2：半径：半径r0的圆盘，在平台上旋转，盘与平台间充有厚度的圆盘，在平台上旋转，盘与平台间充有厚度14三、压缩性三、压缩性 作用在流体上的压力变化可引起流体的体积作用在流体上的压力变化可引起流体的体积（或密度）变化的性质（或密度）变化的性质.1 1 1 1）体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数体积压缩系数k k 一定温度下，单位压力增一定温度下，单位压力增量产生的体积量产生的体积相对减少率相对减少率。单位：单位：1/Pa1/Pa2）弹性体积模量弹性体积模量K，PaPaP P 反映流体反映流体抗压缩能力抗压缩能力14三、压缩性三、压缩性 作用在流体上的压力变化可引起流作用在流体上的压力变化可引起流15200 C时，体积为时，体积为2.5m3的水，的水，1=998.23kg/m=998.23kg/m3 3；当；当温度升至温度升至800800C时，时，2=971.83kg/m=971.83kg/m3 3，体积增加了多少，体积增加了多少？例例解：解：15200 C时，体积为时，体积为2.5m3的水，的水，1=998.2316水的水的K=2000Mpa，使水的体积分别减小，使水的体积分别减小 0.1%及及1%时，应增大的压强各为多少？时，应增大的压强各为多少？解：由当当当当 例例负号负号16水的水的K=2000Mpa，使水的体积分别减小，使水的体积分别减小 0.1%及及1四、液体表面张力与润湿及毛细现象四、液体表面张力与润湿及毛细现象四、液体表面张力与润湿及毛细现象四、液体表面张力与润湿及毛细现象液体表面有明显的欲成球趋势，由分子的内聚力引起。液体表面有明显的欲成球趋势，由分子的内聚力引起。表面张力是拉力，单位长度上的拉力定表面张力是拉力，单位长度上的拉力定义为表面张力义为表面张力，单位为，单位为N/mN/m。润湿效应润湿效应具体表现为液体在固体表面的扩展或收缩，具体表现为液体在固体表面的扩展或收缩，即浸润或不浸润。即浸润或不浸润。润湿效应润湿效应润湿效应润湿效应 180180909045450 0四、液体表面张力与润湿及毛细现象液体表面有明显的欲成球趋势，四、液体表面张力与润湿及毛细现象液体表面有明显的欲成球趋势，1818 毛细现象毛细现象毛细现象毛细现象是由液体对固体表面的润湿效应和液体的表是由液体对固体表面的润湿效应和液体的表是由液体对固体表面的润湿效应和液体的表是由液体对固体表面的润湿效应和液体的表面张力共同决定的一种界面现象，具体表现为固体壁表面面张力共同决定的一种界面现象，具体表现为固体壁表面面张力共同决定的一种界面现象，具体表现为固体壁表面面张力共同决定的一种界面现象，具体表现为固体壁表面液位的上升或下降（液位的上升或下降（液位的上升或下降（液位的上升或下降（h h）。）。）。）。液柱高度为液柱高度为h，液体受到的重力为：，液体受到的重力为：弯曲液面与毛细管接触周边上的弯曲液面与毛细管接触周边上的表面张力在垂直方向的分量为：表面张力在垂直方向的分量为：两者平衡：两者平衡：GfhG改变改变h h的途径的途径？1818 毛细现象是由液体对固体表面的润湿效应和毛细现象是由液体对固体表面的润湿效应和19生活及工程实例实例生活及工程实例实例影响影响因素因素毛细管半径毛细管半径表面张力表面张力接触角接触角加速度加速度矿物加工领域的应用矿物加工领域的应用细物料脱水难度大；细物料脱水难度大；离心过滤脱水的原理；离心过滤脱水的原理；助滤剂的作用；助滤剂的作用；。离心设备：离心设备：CgCg离心因数离心因数离心因数离心因数19生活及工程实例实例影响毛细管半径表面张力接触角加速度矿物生活及工程实例实例影响毛细管半径表面张力接触角加速度矿物20第三节、牛顿体和非牛顿体（第三节、牛顿体和非牛顿体（ZX）（1）假塑性体假塑性体：也叫剪切变稀流体，其粘度随着速度梯度或变：也叫剪切变稀流体，其粘度随着速度梯度或变形速率的增加而逐渐减小。形速率的增加而逐渐减小。涂料、油漆、油脂、高分子溶液涂料、油漆、油脂、高分子溶液等。等。切应力与速度梯度呈线性关系，为一条过切应力与速度梯度呈线性关系，为一条过O O点的直线。点的直线。一、一、牛顿体牛顿体水、空气、汽油、煤油、甲苯、乙醇等水、空气、汽油、煤油、甲苯、乙醇等二、非牛顿体二、非牛顿体O O牛顿体牛顿体宾汉理想塑性体宾汉理想塑性体假塑性体假塑性体胀塑性体胀塑性体20第三节、牛顿体和非牛顿体（第三节、牛顿体和非牛顿体（ZX）（1）假塑）假塑21 （2）胀塑性体：也叫剪切变稠流体，其粘度随着速度梯度）胀塑性体：也叫剪切变稠流体，其粘度随着速度梯度或变形速率的增加而逐渐增大。或变形速率的增加而逐渐增大。生面团、浓淀粉糊生面团、浓淀粉糊 牛顿体、假塑性体、胀塑性体在切应力很小时就会发生很牛顿体、假塑性体、胀塑性体在切应力很小时就会发生很大的变形，而且关系曲线过大的变形，而且关系曲线过O点。点。（4）宾汉塑性体宾汉塑性体：在切应力达到屈服极限之前无变形；但：在切应力达到屈服极限之前无变形；但超过屈服应力极限后，切应力和变形速率成线性关系。黄油、超过屈服应力极限后，切应力和变形速率成线性关系。黄油、牙膏、污泥、牙膏、污泥、血浆等等。等。（3）塑性体塑性体：能抵抗小的切应力，即只有当切应力大于某：能抵抗小的切应力，即只有当切应力大于某临界值后，流体才开始变形。临界值后，流体才开始变形。真实流体真实流体21 （2）胀塑性体：也叫剪切变稠流体，其粘度随）胀塑性体：也叫剪切变稠流体，其粘度随22O O牛顿体牛顿体宾汉理想塑性体宾汉理想塑性体假塑性体假塑性体胀塑性体胀塑性体图图1-61-6 流变曲线流变曲线理想流体理想流体理想流体理想流体：无粘性的假想流体。：无粘性的假想流体。：无粘性的假想流体。：无粘性的假想流体。22O牛顿体宾汉理想塑性体假塑性体胀塑性体图牛顿体宾汉理想塑性体假塑性体胀塑性体图1-6 流变曲流变曲第四节第四节 作用于流体上的力作用于流体上的力一、一、一、一、按作用方式按作用方式分类分类分类分类1 1、质量力、质量力23 属于远程力、非接触力，作用于每一个流体质点上属于远程力、非接触力，作用于每一个流体质点上;与流与流体质量成正比体质量成正比;对于均质流体，又称为对于均质流体，又称为体积力体积力。单位质量力：单位质量力：单位质量力：单位质量力：单位质量力：单位质量力：单位质量的流体所受到的质量力单位质量的流体所受到的质量力单位质量的流体所受到的质量力单位质量的流体所受到的质量力单位质量的流体所受到的质量力单位质量的流体所受到的质量力。直角坐标系直角坐标系中表示为：中表示为：或或第四节第四节 作用于流体上的力一、按作用方式分类作用于流体上的力一、按作用方式分类1、质量力、质量力23 24fx=fx=fz=fz=fy=fy=0 0，0 0，-g-g思考：思考：只有重力作用只有重力作用只有重力作用只有重力作用时的单位质量力有什么特点？时的单位质量力有什么特点？如果流体受到的质量力只有重力，那么在如果流体受到的质量力只有重力，那么在Z Z轴向上的直角坐标轴向上的直角坐标系中，质量力的三个分量分别是：系中，质量力的三个分量分别是：在如图所示的坐标系中：在如图所示的坐标系中：说明：说明：（2 2）单位质量力的单位）单位质量力的单位？（1 1）常见质量力有）常见质量力有重力重力和和惯性力惯性力；即：即：N/kgN/kg，或，或m/sm/s2 2 24fx=fz=fy=0，0，-g思考：只有重力作用时的单位思考：只有重力作用时的单位25作用于体积为作用于体积为V V的流体团上的总质量力如何确定？的流体团上的总质量力如何确定？单位质量力在整个流体微团体积范围的积分：单位质量力在整个流体微团体积范围的积分：不可压缩流体不可压缩流体25作用于体积为作用于体积为V的流体团上的总质量力如何确定？单位质量力在的流体团上的总质量力如何确定？单位质量力在26思考：思考：重力场中，如图所示两种运动状态下的单位质量力为：重力场中，如图所示两种运动状态下的单位质量力为：fxfxfxfxfy=0fy=0fy=0fy=0fx=-a,fy=0,fx=-a,fy=0,fx=-a,fy=0,fx=-a,fy=0,fz=-gfz=-gfz=-gfz=-gA.fA.fA.fA.fA.fA.f水水水水水水fffffffffff水银水银水银水银水银水银；C.fC.fC.fC.fC.fC.f水水水水水水=f=f=f=f=f=f水银水银水银水银水银水银；D D D D D D、不一定、不一定、不一定、不一定、不一定、不一定左图：以加速度左图：以加速度左图：以加速度左图：以加速度g g g g下落下落下落下落右图：以加速度右图：以加速度右图：以加速度右图：以加速度a a a a水平运动水平运动水平运动水平运动思考：思考：重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的单位质量力重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的单位质量力重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的单位质量力重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的单位质量力f f f f水水水水和和和和f f f f水银水银水银水银的大小的大小的大小的大小：g+(-g)=0g+(-g)=0g+(-g)=0g+(-g)=0fz=fz=fz=fz=26思考：思考：fxfy=0fx=-a,fy=0,fz=-gA2 2、面积力（表面力）、面积力（表面力）毗邻流体或其它物体直接作用在流体微团表面上的接毗邻流体或其它物体直接作用在流体微团表面上的接触力触力(近程作用近程作用)，大小，大小与作用面积成正比与作用面积成正比。可分解为可分解为压力压力（法线方向，垂直于作用面）、（法线方向，垂直于作用面）、切力切力（切线（切线方向，平行于作用面）方向，平行于作用面）。单位面积上的表面力称为应力：单位单位27面积力仅作用于自由表面吗？面积力仅作用于自由表面吗？N/mN/m2 2或或PaPa2、面积力（表面力）、面积力（表面力）毗邻流体或其它物体直接作用在流毗邻流体或其它物体直接作用在流28本章回顾本章回顾1 1 1 1、质点与连续介质模型的内涵与意义、质点与连续介质模型的内涵与意义、质点与连续介质模型的内涵与意义、质点与连续介质模型的内涵与意义2 2 2 2、流体的主要特性及表征、流体的主要特性及表征、流体的主要特性及表征、流体的主要特性及表征3 3 3 3、牛顿摩擦定律及典型应用、牛顿摩擦定律及典型应用、牛顿摩擦定律及典型应用、牛顿摩擦定律及典型应用4 4 4 4、流体的受力、特点及单位质量力分析、流体的受力、特点及单位质量力分析、流体的受力、特点及单位质量力分析、流体的受力、特点及单位质量力分析5 5 5 5、理想流体模型及意义、理想流体模型及意义、理想流体模型及意义、理想流体模型及意义？ENDEND作业（作业（作业（作业（P16P16P16P16）：）：）：）：习题习题习题习题1-21-21-21-2、1-31-31-31-3、1-41-41-41-428本章回顾本章回顾1、质点与连续介质模型的内涵与意义、质点与连续介质模型的内涵与意义2、流体的主要、流体的主要
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