1工程流體力學(xué)-第一章流體及其主要物理性質(zhì)

1、工程流體力學(xué)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(xué)角度介紹流體和流體的主要物理性質(zhì)，以及在流體力學(xué)分析與計(jì)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(dòng)性,,,流體,第一章 流體及其主要物理性質(zhì),二、流體質(zhì)點(diǎn),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(jì)特性的分子集合稱為流體質(zhì)點(diǎn)。,,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(xué)中，假定組成流體的最小物質(zhì)是流體質(zhì)點(diǎn)，流體是由無限多個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)連綿不斷組成，質(zhì)點(diǎn)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(qiáng)(pressure)、

3、密度(density)等，都可表示成空間坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，可用數(shù)學(xué)中的連續(xù)函數(shù)來描述和分析流體的平衡和運(yùn)動(dòng)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(shè)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(yàn),★ 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(duì)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(dāng)運(yùn)動(dòng)流體的各流體層之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其相鄰兩層的接觸面上就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來阻止這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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：,?—?jiǎng)恿φ承韵禂?shù)（p,T）,——速度梯度。,,§1-2 流體的粘性（續(xù)5）,實(shí)驗(yàn)證明：,,當(dāng)d u = 0 時(shí)，,結(jié)論: 靜止流體間沒有摩擦力，所以流體極易流動(dòng)。,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(gè)物理量。 有兩種表示法：動(dòng)力粘度系數(shù)和運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。,1. 動(dòng)力粘度系數(shù),由牛頓內(nèi)摩擦定律可得到動(dòng)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(yùn)動(dòng)粘度系數(shù),在國際單位中運(yùn)動(dòng)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(cè)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(jì)算摩擦力,所受的摩擦力為：,摩擦力對(duì)軸心的矩為,,§1-2 流體的粘性（續(xù)10）,,整個(gè)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(cè)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(guān)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(diǎn)處的切應(yīng)力:,,§1-2 流體的粘性（續(xù)17）,,,計(jì)算結(jié)果表,§1-2 流體的粘性（續(xù)18）,,建立坐標(biāo)系分析速度變化規(guī)律切應(yīng)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(duì)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(qiáng)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(duì)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(guān)。,,§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(shí)，所需增加的壓強(qiáng)是多少。,解：因?yàn)樗诔爻籂顟B(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(shè)：壓縮初始狀態(tài)的參數(shù)以下標(biāo)1表示，壓縮結(jié)束時(shí)的狀態(tài)參數(shù)以下標(biāo)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(yán)格講不可壓流體是不存在的，真實(shí)的流體都是可壓縮的但 ?p 引起的 ?? 很小時(shí)，可以認(rèn)為：,?＝const,Ev ??,相對(duì)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(gè)質(zhì)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)時(shí)： 質(zhì)量力有重力和慣性力。,繞某軸作等速旋轉(zhuǎn)時(shí)： 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(chǎng)的強(qiáng)度，它的物理量綱與加速度相同。,在直角坐標(biāo)系中，習(xí)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(diǎn)、連續(xù)介質(zhì) 模型粘性、動(dòng)力粘性系數(shù)、運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)、實(shí)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(dòng)力粘性系數(shù)受流體的溫度的影響很大，而受壓強(qiáng)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(duì)應(yīng)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(qiáng)與密度的關(guān)系。,題型： 等

16、溫體積彈性模量和等熵體積彈性模量的計(jì)算；氣體溫度和體積的計(jì)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(duì)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(chǎng)力/體積力) 某種力場(chǎng)作用在流體的全部質(zhì)點(diǎn)(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