1 流体及其物理性质.ppt

0 绪言 Fluid Mechanics流体力学 1 流体及其物理性质(Fluid Properties) 本章要求与重点 理解 理论模型： 连续介质假设 牛顿流体与非牛顿流体 理想流体(无黏流体)与实际流体(黏性流体) 不可压缩流体与可压缩流体等 掌握 流体的(易)流动性、惯性、黏性、压缩性与热胀性、表面张力特性等定义、有关公式及常用的物理数值，以及理想气体状态方程。 难点与重点 理解并掌握牛顿内摩擦定律，动力黏度和运动黏度，并注意单位。 主要内容 1.1 流体的概念 从两个侧面上看： ① 微观上（在时间或空间上），其结构与运动的不均匀性、离散性和随机性。 流体是由大量分子组成。其分子间真空距离远大于分子本身的尺寸。每个分子均在无休止地做着不规则运动(布朗运动)，相互之间经常发生碰撞，交换着动量和能量。 ② 宏观上，其结构和运动的均匀性、连续性和确定性。 人们通过仪器测量或肉眼观察到该特点, 而大多数工程应用问题,也只需了解许多分子的大体或平均影响。 研究流体宏观运动的两种途径 ① 统计物理法 从分子和原子运动出发，采用统计平均方法建立宏观物理量所满足的方程，并确定流体的性质。 采用该方法可导出热力学三大定律，在气体分子运动论方面，对分子碰撞作某些简化后可导出正确的宏观方程。但某些分子输运系数还不能准确导出。至于液体输运方程的理论迄今为止还不完善。由此可见，此法直接，但不能为流体力学提供充分的理论依据。 以连续介质假设为基础，认为流体质点连续地充满着流体所在的空间。 流体质点所具有的宏观物理量（如压力、速度、温度等）满足一切应遵循的物理定律及物理性质，如牛顿定律，质量守恒定律、能量转换与守恒定律，热力学定律等，以及扩散、黏性、热传导等输运性质。但流体的某些物理常数和关系还必须通过实验确定。 1.2 流体的密度和重度 二、流体的重度 地球表面上的一切流体都处在地心引力的作用下，具有质量的流体也必然具有重力，由于重力易于称量，在流体力学中又多引用单位体积流体的重力，即重度（容重）来表示上述特征。设以γ表示重度，则： 式中：G — 体积为V 的均质流体的重力，单位为N； V — 该均质流体的体积，单位m3。 理想气体状态方程(The State Equation of Perfect Gas) 温度不太高，压力不太大时，气体的密度、压强和温度三者之间的关系，按照理想气体状态方程变化，即 思考一下！ 思考一下！ 一、粘性的概念 牛顿在《自然哲学的数学原理》(1687)中指出： ⅰ“流体的两部分由于缺乏润滑而引起的阻力(如同其他情况)，同流体两部分彼此分开的速度成正比”; ⅱ“不过，流体的阻力正比于速度，与其说是物理实际，不如说是数学假设”。 抵抗相邻两层流体之间相对运动的力则称为粘性应力(Viscous Stress)或内摩擦力(Inner Frication Stress)。 流体所具有的抵抗两层流体相对流动(或抵抗变形)的性质，称为粘性。 库仑实验(1784) 库仑用液体内悬吊圆盘(普通板、涂腊板和细砂板)摆动实验证实流体存在内摩擦。 三种圆板的衰减时间均相等。 无滑移条件(No-slip Condition) 动力粘度的物理意义： 液体在单位速度梯度下，单位面积上的内摩擦力大小。 动力粘度的单位 在国际单位制中，μ的单位为Pa·s（帕·秒）或N·s/m2 (牛·秒/米2), 在厘米·克·秒（CGS）制中, μ的单位为P（泊）或cP（厘泊）或dyn·s/cm2 (达因·秒/厘米2)， 相互关系：1Pa·s=10P=103cP； 运动粘度的单位 在国际单位制（SI）中，ν的单位为m2/s，在CGS制中, ν的单位为cm2/s（St）（斯）。 工程上常用cSt（厘斯）来表示，1St=100 cSt。 如20号机械油就是指这种油在50℃时的运动粘度ν的平均值为20 ×10-6 m2/s。 3）相对粘度 是特定测量条件下制定的，又称为条件粘度。 有恩氏粘度oE，通用赛氏秒SSU，商用雷氏秒R，巴氏度0B等。 1.5 液体的表面张力和毛细现象 1. 表面张力的概念 由于液体分子之间内聚力(即吸引力)的作用，使得液体之间，液体与固体之间，液体与气体之间，各个方向受力不平衡，液体内会产生内压力，在它的作用下，液体有力图使自身体积收缩为最小的趋势，且在接触面上好象形成一层薄薄的“膜”，其上能够承受微小的张紧力，亦即表面张力。 表面张力的大小以液体表面单位长度所承受的微小拉应力，即液体表面张力系数(Surface Tension)?表示，单位为N/m。 2. 固体表面的润湿现象 气?液?固体分界面上，最终自由表面形状取决于液体分子间“内聚力”与液体分子和固体分子之间“附着