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工程流力--第一章
工程流体力学
工程流体力学
中国矿业大学电力工程学院
第一章 流体的定义与物理性质
§1.1 流体的定义
§1.2 连续介质假说
§1.3 流体的物理性质
§1.1 流体的定义
物质的存在状态:气态、液态、固态
气态
液态
固态
分子间距大,分子相互作用微弱,不能保持一定的体积和形状。可压缩性大。
分子间距较小,分子间相互作用较大,可保持其固有体积,但不能保持形状。
分子间距很小,分子间作用力很大,分子排列规则整齐,能保持一定的形态和体积。
物质的受力和运动特性
§1.1 流体的定义
流体
固体
不能抵抗切向力,在切向力的作用下可以无限的变形,这种变形称为流动。
能承受一定的切应力,其切应力与变形的大小呈一定的比例关系。
流体的定义
流体是一种受任何微小的剪切力作用时,都会产生连续变形的物质。
流动性是流体的主要特征。
§1.2 连续介质假说
从微观上看,流体分子间存在间隙,因此流体的物理量在空间上不是连续分布的。
通常情况下,一个很小的体积内流体的分子数量极多。
流体力学是研究流体的宏观机械运动,它研究的是流体的宏观特性,即大量分子的平均统计特性。
研究流体的宏观机械运动时,可取到宏观上足够小的流体微团,其尺度与所研究问题的特征尺寸相比足够小,同时又包含有足够数量的分子;将这种宏观上足够小、微观上足够大的流体微团称为流体质点。
将流体看作是由连续分布的流体质点组成,即在流体力学中将流体假设为由连续分布的流体质点组成的连续介质。
分五个层次理解连续介质假说
连续介质模型
§1.2 连续介质假说
假定流体是由空间上连续分布的流体质点所组成的连续介质。这些流体质点与所研究问题的特征尺寸相比足够小,即宏观上足够小;而又包含足够多的流体分子,呈现大量分子平均特性,即微观上足够大。
分子间存在空隙
§1.3 流体的物理性质
1.3.1 流体的惯性
物质维持原有运动状态的特性称为惯性,是物质本身固有的属性,运动状态的任何变化都必须克服惯性的作用。
衡量惯性大小的物理量是质量或密度。
流体密度的定义
单位体积流体的质量称为流体的密度。
流体名称
水
酒精
水银
空气
密度/ kg/m3
1000
800
13600
1.293
表1-1 常见流体的密度
流体比容
单位质量流体的体积。
§1.3 流体的物理性质
1.3.2 流体的压缩性和膨胀性
流体的体积随压力变化的特性称为流体的压缩性。
压缩性的大小用压缩系数来度量。
压缩系数的定义
温度不变时,单位压力的变化所引起的体积的相对变化量称为压缩系数。
或:
上式中,负号表示体积与压力的变化相反,以使压缩系数总为正的。压缩系数越大,表示越容易压缩。
§1.3 流体的物理性质
工程上,经常使用“体积模量”代替压缩系数,表示流体的压缩性。
体积模量的定义
压缩系数的倒数称为体积模量,或弹性系数。
体积模量物理意义是压缩单位体积的流体所要做的功,它表示了流体反抗压缩的能力。K值越大,流体越难压缩。
常温常压下,水的体积模量约为2100MPa,空气的体积模量大约只有0.14MPa。
工程上,常将液体当成是不可压缩的。
气体是否也可当成是不可压缩的?
§1.3 流体的物理性质
流体的体积随温度变化的特性称为膨胀性。
膨胀性的大小用体膨胀系数来度量。
体膨胀系数的定义
压力不变时,单位温度的变化所引起的体积的相对变化量称为体膨胀系数。
液体的膨胀性很小。除温度变化很大的场合外,在一般工程问题中不必考虑液体的膨胀性。
气体只有在常温常压下,且流速低于102m/s的情况下,才可以忽略压缩性和膨胀性。
对实际气体,当压力不大时,则满足完全气体状态方程:
§1.3 流体的物理性质
1.3.3 流体的粘性
实验:2个圆盘放置在充满液体
的容器中。上圆盘由电
机驱动。
现象:经过一段时间后,下圆
盘也随上圆盘一起转动。
存在相对运动的流体间有互相作用的切向力,这一作用力发生在流体的内部,我们把它称为内摩擦力。
粘性的定义
流体的粘性就是存在相对运动的流体间有内摩擦力的特性,或者说是阻止发生剪切变形的一种特性,内摩擦力则是粘性的动力表现。
§1.3 流体的物理性质
牛顿的平板实验
实验装置:2块平板,平板间充满流体。
实验过程:用力拉动液面上的平板,直
到平板匀速前进。
实验参数:上平板面积 A,2平板间距 h
平板运动速度 U,拉力 F。
实验结果:
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