《流体及其物理性质》PPT课件.ppt

EngineeringFluidMechanics,主讲人：程敢,工程流体力学,2,第二章流体及其物理性质,教学目的：了解并掌握流体的物理性质。教学要求：1.理解流体的概念；2.理解粘性的概念，并掌握牛顿内摩擦定律；3.熟悉流体的压缩性和膨胀性。教学内容：1.流体的概念；2.流体的密度和重度；3.流体的压缩性和膨胀性；4.流体的粘性。,工程流体力学第二章流体及其物理性质,主要内容一、流体的定义、特征二、流体的连续介质假设三、作用在流体上的力四、流体的密度五、流体的压缩性、膨胀性六、流体的粘性七、流体的表面性质,第一节流体的定义和特征,一、流体的特征流动性在任意微小的剪切力作用下使流体发生连续的剪切变形流动。能够流动的物质称为流体。流动性是流体的主要特征。流体可分为液体和气体。,流体与固体的区别,固体的变形与受力的大小成正比；,任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形；,一、流体的特征流动性(续),液体与气体的区别,液体的流动性小于气体；,液体具有一定的体积，并取决于容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积。,流体没有固定形状，其形状取决于容器的形状。,流动性,形状不定,第一节流体的定义和特征,第一节流体的定义和特征,二、流体的特征受力特性,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）。,第一节流体的定义和特征,二、流体的特征受力特性（续）,？,流体是否可以承受拉力、切应力、压力？有无静摩擦力？,第二节流体作为连续介质的假设,微观上：流体分子距离的存在以及分子运动的随机性使得流体的各物理量在时间和空间上的分布都是不连续的。宏观上：当所讨论问题的特征尺寸远大于流体的分子平均自由程时，可将流体视为在时间和空间连续分布的函数。,问题的提出,个分子,1mm3空气(1个大气压，00C),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,宏观无限小,微观无限大,第二节流体作为连续介质的假设,流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成是时间和空间连续分布的函数。,流体介质是由连续的流体质点所组成，流体质点占满空间而没有间隙。,连续介质假说,特例,航天器在高空稀薄的空气中的运行血液在毛细血管中的流动,第二节流体作为连续介质的假设,第三节作用在流体上的力表面力质量力,作用在流体上的力,表面力：作用在流体中的所取某部分流体（分离体）表面上的力，也就是该分离体周围的流体（既可是同一种类的流体，也可是不同种类的流体）或固体通过接触面作用在其上的力。,如：压力，内摩擦力（切应力）,1表面力,作用在流体上的力,表面力,质量力,在流体中任取一块流体，其体积为V，表面积为A，在这块流体上任取一微元面积A，作用在其表面上的力为F，分解为,法向力,切向力,法向力又称为压强。,法向力：,切向力：,第三节作用在流体上的力表面力质量力,质量力作用在流体内部所有流体质点上并与流体的体积或质量成正比的力，也称为体积力。例如：重力、磁性力、电动力、惯性力。单位质量力单位质量流体受到的质量力。,2质量力,第三节作用在流体上的力表面力质量力,在这块流体上，取一流体微团，其体积为V，由于地球引力的作用，产生的重力为gV。由于流体存在加速度，根据达朗贝尔原理，虚加的惯性力为。,单位质量流体的质量力用表示在笛卡尔直角坐标系中：,fx，fy，fz表示在直角坐标系x轴，y轴，z轴上的投影。,在重力场中，fxfy0，fzg,第三节作用在流体上的力表面力质量力,流体所受的作用力,第三节作用在流体上的力表面力质量力,第四节流体的密度,一、流体的密度,定义：单位体积的流体所具有的质量。,均质流体,非均质流体,表达式,第四节流体的密度,密度与温度和压强有关,液体密度随温度略有变化，受压强影响不大。,水的密度随温度的变化,完全气体状态方程,p绝对压强，Pa(N/m2);密度,kg/m3;T绝对温度,KR气体常数,J/(kgK),气体密度受压强和温度影响的变化较大。,第四节流体的密度,二、流体的相对密度,相对密度：流体密度与4水的密度的比值，为无量纲量,w为标准大气压下4水的密度,三、流体的比体积,比体积：单位质量流体的体积，即流体密度的倒数。,第四节流体的密度,四、混合气体的密度,4水的密度=1000kg/m30水银的密度=13600kg/m30空气的密度=1.29kg/m3,可压缩性在一定温度T下，单位压强升高引起的流体体积变化率。,一般地，水和其它液体可视为不可压缩流体，而将气体视为密度可变的可压缩流体。水下爆炸、水击、热水采暖需考虑水的压缩性和膨胀性；当气体流速比声速小很多时，也可视为不可压缩流体。,第五节流体的压缩性和膨胀性,值大易压缩；K值小不易压缩。,K值大压缩性小；K值小压缩性大。,膨胀性在一定压强P下，单位温升引起的体积变化率，单位（1/k）。,第五节流体的压缩性和膨胀性,流体的可压缩性气体和液体都是可压缩的。通常认为：气体可压缩，液体不可压缩。例外：水下爆炸、水击等压强变化大、变化迅速的液体需要考虑可压缩性；气体低速运动时密度变化不大，有时可看作不可压缩。,第五节流体的压缩性和膨胀性,第六节流体的黏性,黏性流体流动时产生内摩擦力的性质。实际流体有黏性的流体，也称为黏性流体。理想流体假想的没有黏性的流体。,黏性流体两大特征：流动时有内摩擦力；壁面黏附，或称壁面不滑移。,流体的黏性,第六节流体的黏性,牛顿经过大量实验研究，在1686年提出了确定流体内摩擦力的公式即牛顿内摩擦定律。,固定不动,牛顿内摩擦定律,牛顿内摩擦定律,第六节流体的黏性,流动具有下列特点,（1）与上板接触的流体粘附在上板上，并以速度u随上板运动；与下板接触的流体粘附在下板上，速度为零，两板间的流体速度呈线性分布，即u是y的一次函数：,（2）与成正比，即,其中，为比例系数，通常称作动力粘度，是个物性参数（抵抗剪切变形的属性），与流体的种类、温度有关。,的单位,第六节流体的黏性,牛顿内摩擦定律,单位面积上的摩擦阻力称为摩擦应力或切应力,一般情况下，某一截面（例如：管内流动的某一截面）的流体速度分布并非线性函数，而是曲线分布，则,(N/m2),牛顿内摩擦定律：即单位面积的摩擦力与垂直于运动方向上的速度梯度成正比。,第六节流体的黏性,牛顿内摩擦定律,讨论,1、理想流体：粘性系数很小(=0)，=02、流体处于绝对静止或相对静止状态，=0或者流体的粘性作用没有显现出来,牛顿内摩擦定律,速度梯度可用角变形速度来表示,第六节流体的黏性,牛顿内摩擦定律,牛顿黏性试验与板面接触的流体粘附在板面上；各层流体的速度按直线规律分布；摩擦力F与A、U成正比，与h成反比，与压强无关。,y,dy,vx,vx+dvx,y,x,牛顿黏性定律,黏度,第六节流体的黏性,牛顿内摩擦定律,流体微团的变形速率,结论：粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；流体粘性影响流动的快慢，不能停止流动。,对比固体,第六节流体的黏性,黏度，全称为动力黏度，单位：Pas。,运动黏度，单位：m2/s。,黏性成因流体分子之间的内聚力和动量交换。,第六节流体的黏性,黏度的变化特点：黏度随压强变化不大；黏度随温度有明显的变化。,液体黏度随温度升高而降低。液体的黏性主要由分子的内聚力造成，温度升高增强了分子的热运动，故黏性降低。气体黏度随温度升高而增大。气体的黏性主要由分子的动量交换造成，温度升高增强了分子的热运动，故黏性增大。,第六节流体的黏性,如图所示，转轴直径d=0.36m，轴承长度l=1m，轴与轴承之间的间隙=0.2mm，其中充满动力粘度=0.72Pas的油，如果轴的转速n=200r/min，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，与接触面上的速度等于轴面上的线速度：,轴表面上的切向力为：,克服摩擦所消耗的功率为：,例题1,第六节流体的黏性,第六节流体的黏性,例题2,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，不记空气的摩擦力，求所需力矩M的表达式。,解：假设两盘之间流体的速度为直线分布，上盘半径r处的切向应力为：,所需力矩为：,物理实验：小钢球在甘油中匀速下落，通过测量下落速度求出粘度。,恩格勒粘度计：20时将220cm3蒸馏水注入贮液罐1，迅速提起针阀，使蒸馏水经锥形短管3流出，测量流出220cm3蒸馏水时所需的时间t。用同样程序测量待测流体流出220cm3所需的时间t。待测液体在给定温度下的恩氏度为：,第六节流体的黏性,流体黏度的测量,=(0.0732E-0.0631/E)10-4(m2/s),第六节流体的黏性,牛顿流体和非牛顿流体,一、牛顿体：切应力与速度梯度呈线性关系的一大类流体。切应力与速度梯度之间的关系为一条过O点的直线。,二、非牛顿体：上述关系不是线性。,（1）假（拟）塑性体：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。涂料、油漆、油脂、高分子溶液等。,水、空气、汽油、煤油、甲苯、乙醇等。,（2）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。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大的变形，而且关系曲线过O点。,（4）理想塑性体：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、牙膏、污泥、血浆等等。,（3）塑性体：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。,真实流体：,第六节流体的黏性,O,牛顿体,理想塑性体,假塑性体,胀塑性体,第六节流体的黏性,理想流体：假设没有粘性的流体，即=0。,理想流体是假想的流体模型，客观上并不存在。实际流体都是有粘性的。,可以把实际流体看成理想流体的情况：实际流体的粘性显现不出来，如静止的流体、等速直线运动的流体等粘性不起主导作用,采用理想流体假设可以大大简化理论分析过程。,第六节流体的黏性,黏性流体和理想流体,第七节液体的表面性质,1、表面张力,液体分子间存在吸引力，影响距离很小，在10-8-10-6cm，形成吸引力影响球。水面下的影响球的吸引力达到平衡。在水面临近，吸引力不能平衡，存在向下的合力。此合力把水面紧紧向内部拉。在自有表面上处处产生拉力。表面张力单位长度界面液体间的拉力。,所有液体的表面张力随温度升高而降低。液体中加入有机溶剂、盐，可明显改变表面张力。在表面张力的影响下，液体总是趋于表面自由能最小。水滴总是圆形、球形。表面张力也称内聚力。,2、毛细现象,液体与固体接触时，存在两种力：内聚力：液体分子之间的吸引力；附着力：液体与固体分子间的吸引力。,出现两种情形：润湿：内聚力附着力，液体依附于固体壁面。如：水倒在玻璃上,不润湿：内聚力附着力，液体相聚成团，不依附壁面。例如：水银倒在玻璃上。,第七节液体的表面性质,毛细液柱与毛细直径成反比；当玻璃管的直径大于20mm时，不计毛细现象。,第七节液体的表面性质,2、毛细现象,