第01章流体的基本概念和物理性质课件.ppt

第一章? 流体的基本概念和物理性质 流体的定义和连续介质假设 流体的压缩性和膨胀性 流体的黏性 作用在流体上的力 第一节 流体的定义和连续介质假设 通俗定义：能流动的物质称为流体。 力学定义：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续变形的物质，称为流体。 流体包括液体和气体。 一、流体的定义 常用的流体工质有：水、空气、油等。 二、流体的特性 流体区别于固体的主要特性：流动性 流动性：流体在静止时不能承受剪切力的性质 表现： 流体静止时不能承受切向力；? 流体无固定形状，由约束它的边界决定；? 流体的运动和变形联系在一起。 固体 液体 液体和气体的不同点： 气体压缩性和膨胀性都比液体大； 液体有一定的体积，存在一个自由表面； 气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由表面。 气体和液体的异同 液体和气体的共同点：两者均具有流动性 ——在任何微小切应力作用下都会发生变 形或流动，故二者都是流体。 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，在标准条件下，1mm3气体含有2.7×1016个左右的分子，分子间距离是3.3×10-6mm。 从微观角度看 看不到分子之间的空隙，感觉组成流体的分子是连续分布的。因为工程上所采用的一切特征尺度都比分子距离大得多。 从宏观角度看 工程流体力学研究的是由大量分子组成的宏观流体在外力作用下的宏观运动。 dv=dxdydz dv= r2sinφdrdφdθ dv= dxdydz/6 流体连续介质假设：流体可看成是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质。 流体微团：体积为无穷小的微量流体，可看作流体质点。一般取其作为研究对象。 三、流体连续介质假设 流体连续介质假设的意义： （1）从结构上看，流体由连续分布的流体质点组成； （2）描述流体宏观特性的物理量都可看作是空间坐标和时间的连续函数，而且可微，可用连续函数的理论研究流体。 流体连续介质假设的局限性： 当所研究问题的尺寸小于或相当于 分子间距离时，假设不适用。 如：火箭在高空非常稀薄的气体中飞行；高真空技术中。 流体连续介质假设的合理性： 工程上所采用的一切特征尺度都比分子距离大得多，分子间距可忽略。 有一采暖系统如图所示。求泵出口水管体积流量和锅炉出水管体积流量。 第二节 流体的压缩性和膨胀性 流体的膨胀性和压缩性举例 自行车胎在烈日下暴晒会爆裂； 温度计内的液柱高度随温度的升高而增长； 充气筒能给车胎充气； 注射器进行注射等。 气缸—活塞系统 体温计 一、流体的压缩性 流体的压缩性:在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质。 其大小用体积压缩率?和弹性模量Ev表示： 流体的体积压缩率， 单位为㎡/N 流体体积的缩小量，单位为m3 流体压强的增加量，单位为pa 流体原有体积，单位为m3 体积弹性模量Ev 表示在一定的温度下受压时，压强撤消后流体恢复原有状态的能力。 流体的压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示，单位为N/ m2。 关于?和Ev ： 液体的体积压缩率很小； 气体的压缩性要比液体的压缩性大得多； ?大的流体，其压缩性大； Ev大的流体，其压缩性小； 水的Ev很大，工程计算中估取 Ev=2.0GPa。 流体的压缩性举例 水击（水锤）现象 在液体有压管路中，某种原因突然使液流速度发生变化，同时引起压强大幅度波动的现象。 二、流体的膨胀性 定义：在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质。 其大小可用体胀系数αv 表示： 流体的体胀系数， 单位为℃-1（K-1） 流体体积的增加量， 单位为m3 流体原有的体积，单位为m3 流体温度的增加量， 单位为℃（K） 关于体胀系数αv 气体的膨胀性比液体大得多； 液体的体胀系数很小； 如：水在98000Pa下，10 ~20℃内， αv =150×10-6 ℃-1 大多数液体αv随压强的增大而稍减小； 水在50℃以下，αv 随压强增大而增大； 水在50℃以上，αv 随压强增大而减小。 水的反常膨胀现象 实验证明，0℃的水被加热到4℃时，其体积不但不增大，反而缩小。水在4℃时的体积最小，密度最大。 物质在某种条件下热缩冷胀的现象称为反常膨胀。 如水、锑、铋、液态铁等。 水有反常膨胀特性，冬季江河湖冰层下的水温仍保持在4℃左右，保证了水中的动植物能在寒冷季节内生存下来。 水的膨胀性虽小，产生的膨胀力却很大，能引起管道、设备的连接件松动，甚至使管道、设备等破裂，所以水暖系统中要设膨胀水箱以保证安全。 小型家