第一章流体及物理性质概要课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,流体的特征,连续介质假说,流体的密度和重度,流体的压缩性和膨胀性,流体的粘性,第一章 流体及其物理性质,一、流体的特征,流体：是一种受任何微笑的剪切力作用时，都会产生连续变形的物质。在常温下能够流动的物体称为流体，包括液体和气体。,在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般是微小的,(,如金属,),或有限的,(,如塑料,),，但流体却能产生很大的甚至无限大,(,只要作用时间无限长,),的变形。,1,1,流体的概念,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,流体最主要的物理特性,流体几乎不能承受拉力，没有抵抗拉伸变形的能力。,流体能承受压力，具有抵抗压缩变形的能力。,关于流体承受剪切力，抵抗剪切变形能力的叙述：,流体的基本特性,流动性,什么是剪切力、剪切变形和抵抗剪切变形的能力？,流体,在静止时不能,承受剪切力，抵抗剪切变形。,流体,只有在运动状态下,，当流体质点之间有相对运动时，,才能,抵抗剪切变形。,只要有剪切力的作用，流体就不会静止下来，发生连续变形而流动。,作用在流体上的剪切力不论多么微小，只要有足够的时间，便能产生任意大的变形。,运动流体抵抗剪切变形的能力（产生剪切应力的大小）体现在变形的速率上，而不是变形的大小（与弹性体的不同之处）。,二,.,流体质点概念和连续介质假说,个分子,1mm,3,空气,( 1,个大气压，,0,0,C),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,问题的引出：,微观：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。,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，,1mm,3,液体中含有,3.310,19,个左右的分子，相邻分子间的距离约为,3.110,-8,cm,。,1mm,3,气体中含有,2.710,16,个左右的分子，相邻分子间的距离约为,3.210,-7,cm,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。,连续介质假说,必要性：,连续介质假设后,物理量在流体中连续分布,可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数,解析方法,等数学工具来研究流体的平衡和运动规律,流体连续介质,物理量连续,合理性：,流体分子的间隙极其微小,可看做连续介质,避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。,可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。,优 点,:,1mm,3,液体,3.310,19,1mm,3,气体,2.710,16,适用范围：,火箭在高空稀薄气体中飞行,激波,MEMS,（,微尺度流体机械系统）,L,/,l ,100,适用,L,物体特征尺寸,l ,流体质点特征尺寸,不,适用,1,2,流体的密度和重度,一、流体的密度,定义：,单位体积流体所具有的质量,用符号,来表示。,单位：,kg/m,3,均质流体：,非均质流体：,常见流体的密度：,水,1000,kg/m,3,空气,1.23,kg/m,3,水银,136000,kg/m,3,流体重要属性，表征流体在空间某点质量的密集程度,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。,流体的密度，,kg/m,3,；, 4,时水的密度，,kg/m,3,。,二、流体的重度,定义：,单位体积流体所受的重力，,用符号,来表示。,单位：,N/m,3,均质流体：,非均质流体：,水的重度 ：,9800N/m,3,密度与重度的关系：,表,1-1,在标准大气压下常用液体的物理性质,表,1-2,在标准大气压和,20,常用气体性质,1,3,流体压缩性和膨胀性,一、,流体的压缩性,定义,：,体积压缩系数,当温度保持不变，单位压力增量引起体积的相对缩小量,P,V,T,一定,流体的体积压缩系数，,m,2,/N,；,流体压力的增加量，,Pa,；,原有流体的体积，,m,3,；,流体体积的增加量，,m,3,。,弹性模数,E,：,压缩系数的倒数,说 明：,越大，越易被压缩,流体的种类不同，其 值不同。气体压缩性大于液体。,同一种流体的,值随温度、压强的变化而变化。,工程上常用体积模量衡量流体压缩性,p,b,p,b,p,b,二、,流体的膨胀性,定义,：,体积膨胀系数,压强不变，升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量,流体的体积膨胀系数，,1/,，,1/K,；,流体温度的增加量，,，,K,；,原有流体的体积，,m,3,；,流体体积的增加量，,m,3,。,T,P,一定,V,例如在,9.8,10,4,Pa,下，,1,10,范围内，水的体积膨胀系数,14,10,-6,1/,；,10,20,范围内，,150,10,-6,1/,。在常温下，温度每升高,1,，水的体积相对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如,90,100,，也只增加万分之七。其它液体的体积膨胀系数也是很小的。,液体的体积膨胀系数很小,流体的体积膨胀系数还取决于压强。,对于大多数液体，随压强的增加稍为减小。水在高于,50,时随 压强,的增加而减小，,低于,50,时随压强的增加而增加,。,关于,流体的压缩性和膨胀性,几点说明：,严格地说，不存在完全不可压缩的流体。,一般情况下的液体都可视为不可压缩流体，管路中压降较大时，应作为可压缩流体。,（发生水击、水下爆破）,。,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。,（锅炉尾部烟道,）,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。,一、粘性及其表现,流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的粘性。流体内摩擦的概念最早由牛顿（,1687,）提出。由库仑（,1784,）用,实验,得到证实。,1,4,流体的粘性,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。,重点掌握,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。,二、,牛顿内摩擦定律,如图，,A,、,B,为长宽都是足够大的平板，互相平行，设,B,板以,u,0,运动，,A,板不动。由于粘性流体将粘附于它所接触的表面上（流体的边界无滑移假定）， 则：,u,B,=,u,0,，,u,A,=0,。,说明,取出两层：快层,（,u,du,）,、,慢层,（,u,）,，,当相邻流层发生相对运动时：快层对慢层产生一个切力,T,，,使慢层加速，方向与流向相同；慢层对快层有一个反作用力,T,，,使快层减速，方向与流向相反，这种阻止运动的力，称为阻力。,T,与,T,为大小相等，方向相反的一对力，分别作用在两个流体层的接触面上，这对力是在流体内部产生的，称为内摩擦力。,两平板间流体为层流，设：速度自上而下递减，按直线分布。,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,与流体的种类有关,与接触面上压强,P,无关,内摩擦力,T,单位面积上的内摩擦力,内摩擦应力,：,牛顿内摩擦定律,流速差,du,，,微团除平移运动外，还有剪切变形。剪切角变形,d,，,角变形速率为,d,/,dt,（,d,、,dt,为微量）。由：,因此：,流速梯度实际上代表了液体微团的剪切变形角速度。,在平行流体中取相距为,dy,的两液层间矩形微团,ABCD,，,AB,速度为,u,，,CD,速度为,u+du,。,该液体微团运动到,ABCD,，,因液层间存在,流速梯度,du,/,dy,的物理意义,三、,粘性的度量,粘性系数（粘度）：,表征流体粘性大小，通常用实验方法确定,。,1.,动力粘度,：,表征流体动力特性的粘度。,定义：,由公式,得, 物理意义：,表示速度梯度为,1,时，单位面积上的摩擦力的大小。, 国际单位：,牛顿,秒,/,米,2,或,Pa S,m,2,/s,2.,运动粘度,：,表征流体运动特性的粘度。,定义：,国际单位：,m,2,/s,物理单位：,cm,2,/s,斯,(,St),，,mm,2,/s,厘斯,(,cSt),可表示润滑油的牌号，,以,40,时的平均运动粘度（,mm,2,/s,）,.,如,32,号,L-HH,液压油，就是指这种油在,40,时的运动粘度为,32,mm,2,/s,。,常温常压下水的动力粘度是空气的,55.4,倍,常温常压下空气的运动粘度是水的,15,倍,水,空气,水,空气,3.,恩氏粘度（相对粘度）,便于测量，用恩氏粘度计。,测法：,200ml,被测液体流出粘度计所需时间,t,1,，,与同体积,20,的蒸馏水流出的时间,t,2,之比，即：,0,E,与,的关系：,( m,2,/s ),（,3,）恩氏粘度（相对粘度）,便于测量，用恩氏粘度计。,测法：,200ml,被测液体流出粘度计所需时间,t,1,，,与同体积,20,的蒸馏水流出的时间,t,2,之比，即：,0,E,与,的关系：,( m,2,/s ),影响,粘,性的因素,常压，压力对流体的粘性影响很小，可忽略不计,高压，流体粘性随压力升高而增大。,液体的粘性随温度升高而减小,气体的粘性随温度升高而增大。,温 度,:,压 力：,相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。,流体种类：,结论,1,、,流体的粘性受温度的影响很大,油温过高,粘性减小,油膜变薄,轴和轴承之间干摩擦,油温过低,粘性增大,油膜变厚,不能形成连续油膜,机组振动加大,(1),两层液体之间的粘性力主要由,分子内聚力,形成,(2),两层气体之间的粘性力主要由,分子动量交换,形成,温度,分子间距,分子吸引力,内摩擦力,粘度,温度,分子热运动,动量交换,内摩擦力,粘度,结论,2,、,液体和气体的粘性随温度的变化不同,形成牛顿内摩擦力物理机理, 分子间的吸引力, 分子运动引起流体层间的动量交换,液体以此为主,气体以此为主,随着温度升高，液体的粘度下降；气体的粘度上升。,今后在谈及粘性系数时一定指明当时的温度。,运动粘性系数,具有运动学量纲。,注意,4,、理想流体的假设,粘性流体,：,具有粘性的流体（,0,）。,理想,流体：,忽略粘性的流体（,=,0,）。,在实际流体的粘性作用表现不出来的场合,(,像在静止流体中或匀速直线流动的流体中,),，可以把实际流体当理想流体来处理。,对于粘性为主要影响因素的实际流动问题，先研究不计粘性影响的理想流体的流动，而后引入粘性影响，再研究粘性流体流动的更为复杂的情况，也是符合认识事物由简到繁的规律的。,在许多场合，想求得粘性流体流动的精确解是很困难的。对某些粘性不起主要作用的问题，先不计粘性的影响，使问题的分析大为简化，从而有利于掌握流体流动的基本规律。,牛顿流体和非牛顿流体,牛顿流体,:,剪应力和变形速率满足线性关系。图中,A,所示。,如：水、气体、机油等。,非牛顿流体：,剪切应力和变形速率之间不满足线性关系的流体。图中,B,、,C,、,D,均属非牛顿流体。是复杂的混合体。,如：,泥浆、浆糊、牙膏、熔融蜡烛等,典型例题分析,牛顿内摩擦定律,1.,平板间的流动问题,2.,轴承润滑问题,3.,活塞运动问题,类型题,平板间隙小，速度梯度可用增量表示,如给出速度分布曲线，速度梯度则要求导,不考虑端部效应,A,为轴承表面积,dy,的求解,(D-d)/2,已知：,一平板距另一固定平板,=0.5mm,，,二板水平放置，其间充满流体，上,板在单位面积上为,=2N/m,2,的力作用下，以,u=0.25m/s,的速度移动。,由于两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，,可用增量来表示微分,解：,【,例1-1,】,求：,该流体的动力黏度。,由,牛顿内摩擦定律,（Pas）,已知：,长度,L=1m,，,直径,d=200mm,水平放置的圆柱体，置于内径,D=206mm,的圆管中以,u=1m/s,的速度移动，间隙中油液的相对密度为,d=0.92,，,运动粘度,=5.610,-4,m,2,/s,。,解：,【,例1-2,】,求：,所需拉力,F,为多少？,间隙中油的密度为,动力粘度为,（kg/m,3,）,（Pas）,由牛顿内摩擦定律,由于间隙很小，速度可认为是线性分布,（N）,已知：,活塞直径,d=152.4mm,，,活塞缸直径,D=152.6mm,，,活塞长,L,30.48cm,，,活塞与缸间的缝隙充满润滑剂，其运动粘度,=0.914410,-4,m,2,/s,，,相对密度为,d=0.92,，,如果活塞以,u=6m/s,的平均速度移动，,解：,【,例1-3,】,求：,克服摩擦力所需要的功率,动力粘度为,（Pas）,由牛顿内摩擦定律,由于间隙很小，速度可认为是线性分布,（N）,克服摩擦力所需功率,kw,例 题,如图所示，转轴直径,=0.36m,，,轴承长度,=1m,，,轴与轴承之间的缝隙,0.2mm,，,其中充满动力粘度,0.72 Pa.s,的油，如果轴的转速,200rpm,，,求克服油的粘性阻力所消耗的功率。,解：油层与轴承接触面上的速度为零，与轴接触面上的速度等于轴面上,的线速度,：,设油层在缝隙内的速度分布为直线分布，即 则轴表面上总的切向力 为,：,克服摩擦所消耗的功率为：,本章小结,1,、流体的易流动性概念：,3,、流体的压缩性：,4,、粘性：,2,、流体的连续介质模型：,即流体在静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。,把流体看成没有空隙的连续介质，则流体中的一切物理量（如速度,u,和密度,）,都可看作时空的连续函数，可采用解析函数理论作为分析工具。,一般可用体积压缩系数 和体积模量,E,来描述，通常情况下，压强变化不大时，都可视为不可压缩流体。,是流体的主要物理性质，它是抵抗剪切变形的一种性质，不同的流体粘性大小用动力粘度,或运动粘度,来反映。,其中温度是粘度的重要影响因素： 随温度升高，气体粘度上升、液体粘度下降。,0,理想流体； ,0,黏性流体,本章小结,5,、牛顿内摩擦定律,它表明流体的切应力大小与速度梯度或角变形率或剪切变形速率成正比，这是流体区别于固体（其切应力与剪切变形大小成正比）的一个重要特性。根据是否遵循牛顿内摩擦定律，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。,有信心的人，可以化渺小为伟大，化平庸为神奇。,-,（英）萧伯纳,每周赠您一条格言,三个基本单位,长度单位：,m,（,米） 质量单位：,kg,（,公斤） 时间单位：,s,（,秒）,流体力学课程中使用的单位制,SI,国际单位制（米、公斤、秒制）,导出单位，如：,密度,单位：,kg/m,3,力的单位：,N,（,牛顿），,1,N=1 kg,m/s,2,应力、压强单位：,Pa,（,帕斯卡），,1,Pa=1N/m,2,动力粘性系数,单位：,N,s/m,2,=Pa,s,运动粘性系数,单位：,m,2,/s,体积弹性系数,K,单位：,Pa,与水和空气有关的一些重要物理量的数值,1,大气压，,4,0,C,1,大气压，,10,0,C,常,压,常温下，空气的密度是水的,1/800,一般取海水密度为,空气的密度随温度变化相当大，温度高，密,度低。,水的密度随温度变化很小。,1,大气压，,0,0,C,1,大气压，,80,0,C,15,0,C,，,海平面,(,标准大气压,),2,0,C,，,海拔,2,km,工程大气压（相当于,10,m,水柱底部压强）,空气容易被压缩,0,0,C,100,0,C,-4,0,C,100,0,C,空气的动力粘性系数比水小,2,个数量级，但空气的 运动粘性系数比水大。,空气的粘性系数随温度升高而增大，而水的粘性系 数随温度升高而减小。,常温下，水的体积弹性系数,相对压缩（或密度增加）,1%,，需要增压,约为,200,个大气压，即,20,00,m,水下的压强。,一般情况下可以认为水是不可压缩的。,