空气动力学——流体性质

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,*,第二章 流体性质,第二章流体性质,流体的定义和特征,流体作为连续介质的假设,作用在流体上的力,流体的密度,流体的压缩性和膨胀性,流体的粘性,常温，常压下物质三种聚集形态,固态 固体,液态 液体,气态 气体,1.1,流体的定义和特征,流体,固体：具有一定的形状，不宜变形,流体 ：无一定形状，易变形，且具有一定的流动性,能,流动,的物质称为,流体,流动？,运动,变形,固体也可以？,固体与流体变形的区别？,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,1.1,流体的定义和特征,刚体：质点间距离受外力时不变,弹性体：质点间距离受外力时发生,有限,改变,外力去掉后恢复原状,塑性体：质点间距离受外力时发生,有限,改变,外力去掉后不恢复原状,流体：在任何微小剪切力作用下都能,连续变形,外力不变，变形继续,外力消失，变形停止,1.1,流体的定义和特征,流体的力学定义：,流体是一种受到任何微小剪切力作用时都能,连续变形,的物质。,流体,液体,：,气体,分子间距离小，吸引力大。分子无规则振动，移动。不能自由移动。,分子间距离大，吸引力小。分子自由运动，极易变形。充满整个空间。,沙尘暴算不算流体？,流体由分子组成，分子做随即的热运动，分子间有比分子尺度大的多得距离。在某一时刻分子离散地，不连续地分布于流体所占有的空间，并随着时间不断变化。,流体力学是研究流体的宏观性质的，研究对象不直接使这些物质粒子本身，而是从这些物质抽象出来的一种模型。这种物质模型就是连续介质。,1.2,流体作为连续介质的假设,1.2,流体作为连续介质的假设,流体的连续介质假设：,物质连续地无间隙的分布于物质所占有的空间，流涕宏观物理量是空间点及时间的连续函数。,即：将本来不连续的流体看成是由没有间隙的流体微团（质点）构成的。,目的：,在连续性介质假设之下，流体的各种参数都可以看成空间和时间的单值连续函数。可以应用高等数学连续函数来描述流体的运动规律。,1.2,流体作为连续介质的假设,流体质点（微团）定义：,包含足够多流体分子的流体微团，其内分子的各物理量的统计平均值代表了该流体在这一位置的宏观属性。,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,1.2,流体作为连续介质的假设,1.2,流体作为连续介质的假设,注意：,当流体流动所涉及到的物体的尺寸能够和分子的平均自由行程和分子间的距离相比拟时，流体的连续介质模型不再适用。,平均自由程,l,随高度的变化曲线,思考：,考虑 空气中一颗沙砾的运动连续介质假设是否成立？,稀薄气体的分子自由程是几米的数量级，人造卫星在飞离大气层进入稀薄气体层时连续介质假设是否成立？,1.3,作用在流体上的力,一、表面力,作用在所取分离体表面上的力。通常指分离体以外的其他物体通过分离体的表面作用在分离体上的力。,1.3.1,表面力,x,y,z,应力,1.3.2,作用在流体上的力,二、质量力,某种力场作用在流体的全部质点上的力，是与流体的质量成正比的力。,1.3.2,质量力,x,y,z,重力,惯性力,离心力,电磁力,1.3.2,质量力,作用在单位质量流体的质量力：,作用在单位质量流体上质量力沿坐标轴分量,1.4,流体的密度,一、,流体的密度,流体单位体积内所具有的质量。表征流体在空间某点的密集程度,该点处的密度,单位：,kg/m,3,1.4,流体的密度,1.4,流体的密度,标准大气压下,1.4,流体的密度,二、流体的相对密度,f,：流体的密度（,kg/m,3,),w,：,4,o,C,时水的密度（,kg/m3),1.4,流体的密度,三、流体的比容,单位质量流体所占有的体积,单位,: m,3,/kg,1.4,流体的密度,四、混合气体的密度,-,混合气体中各组分气体的密度,-,混合气体中各组分气体所占的体积百分比,1.4,流体的密度,例题： 空气中主要成分是氮气和氧气，按体积分数计算氮占,78,08,，氧占,20,95, ，试估算标准状态下空气的密度。（,1.29kg/m,3,）,1.5,流体的压缩性和膨胀性,一、流体的压缩性和膨胀性,随着压强的增高，体积便缩小；随着温度的升高，体积便膨胀。,1.5.1,流体的压缩性和膨胀性,压缩系数,:,是在一定温度下单位压强增量引起的体积变化率。,单位：,m,2,/N,k,大，体积变化率大，较易压缩,k,小，体积变化率小，较难压缩,1.5.1,流体的压缩性和膨胀性,体积模量,压缩系数的倒数。,单位：,Pa,K,大，压缩性小；,K,小，压缩性大,1.5.1,流体的压缩性和膨胀性,体积模量,思考：,对理想气体，等温过程和绝热过程的体积模量分别等于多少？,1.5.1,流体的压缩性和膨胀性,体胀系数,在一定压强下单位温升引起的体积变化率。,单位：,1,K,，,1,1.5.1,流体的压缩性和膨胀性,体胀系数,1-5.1,流体的压缩性和膨胀性,K,液体：,K,很大,气体：,K,随气体状态变化的不同而不同,等温压缩：,K,p,理想绝热过程,K,p,1.5.1,流体的压缩性和膨胀性,二、可压缩流体和不可压缩流体,所有流体都是可以压缩的，但可压缩程度不同。,液体：一般不可压缩,气体,一般可压缩,低速时可作为不可压缩处理,1.6,流体的粘性,一、,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,流体流动时流体质点发生,相对滑移,产生切向阻力的性质，称为流体的粘性。,1.6,流体的粘性,一、,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,流体的粘性：,流体流动时产生内摩擦力的性质程为流体的黏性。流体内摩擦的概念最早由牛顿（,I.Newton,1687,）提出。,流体的粘性,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。分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。,三种圆板的衰减时间均相等,。,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 。,流体粘性成因,流体内摩擦是两层流体间,分子间吸引力,和,分子动量交换,的宏观表现。,当两层液体作相对运动时，两层液体分子的平均距离加大，吸引力随之增大，这就是,分子间吸引力,。,流体粘性的成因,气体分,子的随机运动范围大，流层之间的分子交换频繁。,两层之,间的分子动量交换表现为力的作用，称为,表观切应力,。气体内摩擦力即以表观切应力为主,。,一般认为,：液体粘性主要取决于分子间的引力，气体的黏性主要取决于分子的热运动。,1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,实验证明,:,流体的,动力粘度,取决于种类、温度、和压强,Pa,s(N,s/m,2,),1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,单位面积上的切向阻力称为,切向应力,速度梯度,:,垂直于流速方向上单位长度的速度增量,即,:,流速在其法线方向上的变化律,单位,:Pa,1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,一般情况下流体的速度并不按直线变化,牛顿内摩擦定律,1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,牛顿内摩擦定律,作用在流层上的,切向应力,和速度梯度成正比，比例系数为流体的,动力粘度,。,大,切向应力大,能量损失大,小,小,粘性表现不出来,静止,流体以相同的速度流动,1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,速度梯度可以理解为流体质点的角变形速度,流体切应力正比于角变形速度。,牛顿内摩擦定律,牛顿在,自然哲学的数学原理,中假设：“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力与速度梯度成正比”。,上式称为牛顿粘性定律，它表明：,粘性切应力与速度梯度成正比；,比例系数称动力粘度，简称粘度。,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。,两层流体相对静止时，流体不存在内摩擦力。,牛顿粘性定律指出：,单位面积上的切应力,粘度（粘性系数）,的全称为,动力粘度,根据牛顿粘性定律,可得,.,粘度的单位在,SI,制中是帕秒（,Pas,),工程中常常用到运动粘度,一般仅随温度变化，液体温度升高粘度减小，气体温度升高粘度升高。,运动粘度：,动力粘度与密度的比值。,单位,：,m,2,/s,动力粘度可以代表流体粘性的大小,运动粘度则不能,1.6.1,流体的粘性,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,水,空气,水,空气,1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,影响粘度的因素：,流体种类,:,油,水,气,不一定,温度升高时气体的热运动加剧，故气体的粘性增大。,温度：,温度升高时分子距离增大,液体分子间的引力减小，故液体的粘性减小,液体,:,气体,:,普通的压强对流体粘度几乎没有影响。高压作用下，液体和气体的粘度均随压强的升高而增大。,1.6.1,流体的粘性，牛顿内摩擦定律,减少粘性力的场合,一般的流动问题：管道流动，鱼雷,应用粘性力的场合,油膜转差离合器,1.6,流体的粘性,二、流体粘度的测量,管流法,落球法,旋转法,泄流法,恩格勒法,1.6,流体的粘性,恩格勒法,1.6,流体的粘性,三、牛顿流体和非牛顿流体,A:,牛顿流体,B:,理想塑性体,(,牙膏,),C:,拟塑性体,(,纸浆,),D:,胀流型流体,(,油墨,),1.6,流体的粘性,三、粘性流体和理想流体,不具有粘性的流体称为,理想流体,原因,粘性作用表现不出来的场合。,直接求解粘性流体的精确解很困难。先不计粘性，得到的解用修正系数修正；,对粘性为主要影响因素的问题，按由简到繁的原则，先研究理想流体流动。,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：,本章总结,1.,流体力学的任务是研究流体的宏观机械运动。流体在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。,2.,引入了连续介质模型假设，把流体看成没有空隙的连续介质。,3.,流体的压缩性，一般可用体积压缩率,k,和体积模量,K,来描述 。,本章总结,4.,粘性是流体的主要物理性质，它是流动流体抵抗剪切变形的一种性质。不同的流体粘滞性大小用动力粘度或运动粘度来反映。温度是粘度的主要影响因素：随温度升高，气体粘度上升、液体粘度下降。,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。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。,思考题,流体的力学定义是什么？,流体，刚体，弹性体的力学响应有何不同？,什么是流体微团？什么是流体的连续介质假设？,作用与流体上的力有哪些？质量力通常指那些力？,什么是流体的压缩性？为什么气体在低速流动时可以当作不可压缩流处理？,什么是流体的粘性？流体的粘度如何随温度变化？,流体的内摩擦阻力与哪些因素有关？,工程中引入“理想流体”有何意义？,作业,1-12,