1工程流體力學-第一章流體及其主要物理性質(zhì)

1、工程流體力學A,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì),第一章 流體及其主要物理性質(zhì),從力學角度介紹流體和流體的主要物理性質(zhì)，以及在流體力學分析與計算中采用的流體模型。,§1-1 流體與連續(xù)介質(zhì)模型§1-2 流體的粘性§1-3 流體的可壓縮性§1-4 作用在流體上的力,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì),一、流體,在任何微小剪切力持續(xù)作用下連續(xù)變形的物質(zhì)，稱為流體。,,1.液體,2.氣體,,

2、易流動性,,,流體,第一章 流體及其主要物理性質(zhì),二、流體質(zhì)點,微小特征體內(nèi)含有足夠多分子數(shù)并具有確定的宏觀統(tǒng)計特性的分子集合稱為流體質(zhì)點。,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)(續(xù)1),,三、連續(xù)介質(zhì)模型,在流體力學中，假定組成流體的最小物質(zhì)是流體質(zhì)點，流體是由無限多個流體質(zhì)點連綿不斷組成，質(zhì)點之間不存在間隙，這就是連續(xù)介質(zhì)模型。,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)(續(xù)2),,引入連續(xù)介質(zhì)模型后，流體的宏觀物理量，如：壓強(pressure)、

3、密度(density)等，都可表示成空間坐標和時間的連續(xù)函數(shù)，可用數(shù)學中的連續(xù)函數(shù)來描述和分析流體的平衡和運動規(guī)律——重要作用。,,,第一章 流體及其主要物理性質(zhì)(續(xù)3),§1-2 流體的粘性,一、粘性的概念,如圖1-2所示，設有兩塊相距h的平行平板，兩板間充滿均勻的液體。,,,圖1-2牛頓平板試驗,★ 附在上平板面上流體的速度為U;,★ 附在下平板的流體層速度為零。,說明了速度不同的流層相互之間的影響。 而兩

4、流層之間產(chǎn)生一對大小相等方向相反的力，稱為摩擦力或粘性阻力。,,§1-2 流體的粘性（續(xù)1）,,粘性： 當運動流體的各流體層之間發(fā)生相對運動時，在其相鄰兩層的接觸面上就會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來阻止這種相對運動，流體的這種特性稱為粘性。,,§1-2 流體的粘性（續(xù)2）,,產(chǎn)生粘性力的原因：,液體：分子之間的內(nèi)聚力和附著力引起的；,氣體：流速不同的各流層之間發(fā)生動量交換的結(jié)果。,,§1-2 流體的粘性（

5、續(xù)3）,,二、牛頓內(nèi)摩擦定律,,,§1-2 流體的粘性（續(xù)4）,,牛頓內(nèi)摩擦定律：,?—動力粘性系數(shù)（p,T）,——速度梯度。,,§1-2 流體的粘性（續(xù)5）,實驗證明：,,當d u = 0 時，,結(jié)論: 靜止流體間沒有摩擦力，所以流體極易流動。,遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。,不遵循牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為非牛頓流體。,,§1-2 流體的粘性（續(xù)6）,,三、粘度系數(shù),粘度系數(shù)是衡量

6、粘性大小的一個物理量。 有兩種表示法：動力粘度系數(shù)和運動粘度系數(shù)。,1. 動力粘度系數(shù),由牛頓內(nèi)摩擦定律可得到動力粘度系數(shù)的單位。在國際單位中,,§1-2 流體的粘性（續(xù)7）,,2. 運動粘度系數(shù),在國際單位中運動粘度系數(shù)的物理單位為,,§1-2 流體的粘性（續(xù)8）,,如圖1－4所示。,例1-1 有一軸承其長L=0.5m，軸的直徑d=150mm，轉(zhuǎn)速n為400r/min，軸與軸承徑向間隙,其間充滿潤

7、滑油，現(xiàn)測得作用,轉(zhuǎn)軸上的摩擦力矩,求潤滑油的粘性系數(shù),,§1-2 流體的粘性（續(xù)9）,,解：根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律計算摩擦力,所受的摩擦力為：,摩擦力對軸心的矩為,,§1-2 流體的粘性（續(xù)10）,,整個轉(zhuǎn)軸的摩擦力矩為,,§1-2 流體的粘性（續(xù)11）,,假定速度分布為線性分布,代入前式得,本例題是測定流體粘性系數(shù)的方法。,,§1-2 流體的粘性（續(xù)12）,,§1-2 流體的粘性（續(xù)13

8、）,,,§1-2 流體的粘性（續(xù)14）,,,解：,,關鍵：最大速度在間隙中的位置,,,§1-2 流體的粘性（續(xù)15）,,§1-2 流體的粘性（續(xù)16）,,,各點處的切應力:,,§1-2 流體的粘性（續(xù)17）,,,計算結(jié)果表,§1-2 流體的粘性（續(xù)18）,,建立坐標系分析速度變化規(guī)律切應力公式,解題過程小結(jié)：,,§1-2 流體的粘性（續(xù)19）,,,,,§1-2 流

9、體的粘性（續(xù)20）,§1-3 流體的可壓縮性,壓縮性系數(shù)：單位壓力變化引起的體積的相對收縮量。,,一、可壓縮性,?體積彈性模數(shù):,,,流體壓縮前的體積,流體上體積的變化量,流體上壓強的變化量,由于壓縮過程中的質(zhì)量不變，,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)1）,,對大部分流體，體積彈性模數(shù)都很大。常溫下：水E v ＝2.18×109N/m2, 空氣E v ＝~ 105N/m2,

10、,,氣體的壓縮性與壓縮過程有關。,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)2）,,例1-3 求在常溫和常壓狀態(tài)下，將水的體積縮小5/1000時，所需增加的壓強是多少。,解：因為水在常溫常壓狀態(tài)下,E v＝const,查附錄表1 ，得此狀態(tài)下水的體積彈性模量為,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)3）,,設：壓縮初始狀態(tài)的參數(shù)以下標1表示，壓縮結(jié)束時的狀態(tài)參數(shù)以下標2表示。,根據(jù)：,得：,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)4）

11、,,積分上式得,令,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)5）,,將,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)6）,,二、可壓縮流體和不可壓流體,不可壓縮流體——不考慮流體的可壓縮性的影響，這種簡化的流體模型稱為不可壓縮流體。,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)7）,,嚴格講不可壓流體是不存在的，真實的流體都是可壓縮的但 ?p 引起的 ?? 很小時，可以認為：,?＝const,Ev ??,相對體積變化速率為零—線變形速率之和為零

12、,,,§1-3 流體的可壓縮性（續(xù)8）,§1-4 作用在液體上的力,一、質(zhì)量力,指作用于流體內(nèi)部每一個質(zhì)點上的力，其大小與流體的質(zhì)量成正比。,常見的質(zhì)量力有重力和慣性力。,勻加速直線運動時： 質(zhì)量力有重力和慣性力。,繞某軸作等速旋轉(zhuǎn)時： 質(zhì)量力含重力和離心慣性力。,,,§1-4 作用在液體上的力（續(xù)1）,單位質(zhì)量力在各軸的分量為X、 Y、 Z。 液體體積為V，

13、質(zhì)量為M，質(zhì)量力為F，在各軸的分量為F x、F y 、 F z 、則：,,,,單位質(zhì)量力表示外力場的強度，它的物理量綱與加速度相同。,在直角坐標系中，習慣以X, Y, Z來表示質(zhì)量力的分量。,,§1-4 作用在液體上的力（續(xù)2）,,,指作用在所研究的那部分流體表面上的力，其大小與表面積成正比。,表面力包括： 與流體表面垂直的法向力 與流體表面相切的切向力。,二、表面力,§1-4 作

14、用在液體上的力（續(xù)3）,,適用范圍： 靜止流體內(nèi)部; 流體與固體接觸表面。,,,,,§1-4 作用在液體上的力（續(xù)4）,第一章 流體及其物理性質(zhì)小結(jié),一、基本概念流體、流體質(zhì)點、連續(xù)介質(zhì) 模型粘性、動力粘性系數(shù)、運動粘性系數(shù)、實際流體、理想流體、牛頓流體、非牛頓流體可壓縮流體、不可壓縮流體、體積彈性模量質(zhì)量力、表面力,,,二、流體的粘性,液體：溫度升高

15、，粘性下降；,動力粘性系數(shù)受流體的溫度的影響很大，而受壓強的影響較小。,氣體：溫度升高，粘性增加。,,,第一章 流體及其物理性質(zhì)小結(jié),,流體的壓縮性小,對應的體積彈性模量值越大。 不可壓縮流體:忽略流體密度的變化，不可壓縮流體的密度視為常量，體積彈性模量為無限大。,三、流體的壓縮性,體積彈性模量的定義：,,第一章 流體及其物理性質(zhì)小結(jié),,體積彈性模量依賴于壓縮過程所決定的壓強與密度的關系。,題型： 等

16、溫體積彈性模量和等熵體積彈性模量的計算；氣體溫度和體積的計算。,,第一章 流體及其物理性質(zhì)小結(jié),,1.表面力(面積力) 作用在分離出的流體對象表面上的力，接觸力。它是分離體以外的流體或其它物體通過接觸面作用在分離體上的力。,2.質(zhì)量力(場力/體積力) 某種力場作用在流體的全部質(zhì)點(全部體積)上的力，是和流體的質(zhì)量(體積)成正比的力。,四、作用在流體上的力,,,第一章 流體及其物理性質(zhì)小結(jié),第一章