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1、明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 一、流体的概念： 流体:能够流动的物体，如气体、液体。从力学角度 来看，流体是一种剪切抗力极低的物质，受剪切力时 发生显著的变形，即流动。 相对于固体，流体在力学上的特点： 流体不能承受拉力； 对于牛顿流体：切应力与应变的时间变化率成比例 ，而对弹性体（固体）来说，其切应力则与应变成比 例。 固体只能以静变形抵抗剪切力，流体则连续变形， 除非外力作用停止。 第一节 流体概念及连续介质模型 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 流体的特征 液体在重力作用下，总保持着一个自由表面， 气体充满着容纳它的整个空间。 流体具有流动性，但液体气体的流动性大小不 同
2、。 液体难被压缩,气体容易被压缩。 流体分子间存在吸引力和动量交换，当其流动 时表现为阻碍流体的性质称为流体的粘性。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 1. 液体：分子间距与其分子的有效直径相当，具有 一定的体积，与容器大小无关，可以形成自由表 面，可以认为是不可压缩流体。 2. 气体：分子间距远大于分子有效直径，形状和 体积完全决定于容器的形状和体积，无自由表面 ，具有可压缩性。 3. 液体与气体的工程处理：气体的压力和温度变 化不大，气体速度远低于声速时，可以忽略气体 的压缩性，此时气体与液体具有类似的规律。 总结： 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 二 流体的连续介质模型 1
3、，连续介质： 分子间存在间隙，连续分布的无 数个流体质点所组成的无间隙布满整个空间的 模型。 （质点模型，刚体模型） 2，为什么可以进行连续介质模型假设？ 物质从微观角度看，物质组成/大量不规则、不 断运动的分子或微观粒子，分子间存在间隙， 实际不连续的。而考查的是宏观的机械运动， 统计效应。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 3，连续连续 介质质模型的好处处： 流体各个物理量可看作是空间间与时间时间 连续连续 函数。有 ： p=f1(x,y,z,t) v=f2(x,y,z,t) =f3(x,y,z,t) l流体的速度、压强、温度、密度、浓度等属性都可看做时间 和空间的连续函数，从而可以
4、利用数学上连续函数的方法来 定量描述。 但是，对对于稀薄气体中飞飞行的火箭、高真空技 术术、 超音速气流等，连续连续 介质质假设设不再适用。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 第二节 流体主要物理性质 一、液体的压缩性和热胀性 压缩性:流体的体积随压力变化而变化的属性称为流体 的。 流体体积压缩率及相应的体积模量随流体种类、 温度和压力而变化。液体的压缩性不大，而气体的压 缩性则大的多。 等温压缩率：温度不变时，压 力增加一个单位，流体体积的 相对变化量 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 膨胀胀性:流体的体积积随温度升高而膨胀胀。这这个特性 用体膨胀胀系数 来表征。 体膨胀胀系数也
5、随种类类、温度和压压力而变变化. 体积膨胀系数：压力不变时， 温度每升高1K时流体体积的相 对变化量 注：绝大部分液体的压缩性与膨胀率都很小，工程上 一般不考虑其压缩性或膨胀性。但当压力、温度变 化较大（高压锅炉中），必须加以考虑。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 二、气体的压缩性和热胀性 气体的体积是随压力和温度的变化而明 显地改变的这三个物理量之间的关系可用理想 气体状态方程式表示： PV=RT P/=RT P/=RT/g = /g， -流体重度 R为特征气体常数；对于空 气，R=287 Nmkg-1K-1， v=1/为比体积：单位质量 气体所占的体积 明德笃志 博学创新 第二章
6、流体的性质 l当温度保持不变(等温)时，T=const得波义耳定律 的数学表示式：pv=const p/=const l若压力保持不变(等压)得盖吕萨克定律的数学表 示式： V/T=const T=const T=const l P9： l气体膨胀或收缩时需要吸热或放热，若无与外界的 热量变换(绝热)，则压力与密度关系为： Pv =const 明德笃志 博学创新 重点：流体概念、连续介质模型，流体、气 体的压缩性和可膨胀性。 预习：三、四节 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 一、流体粘性概念 第三节 流体的粘性和内摩擦定律 流体速度分布形成的原 因在于流体内部不同速度 的层之间存在相互作
7、用， 其中快层拉动慢层，慢层 阻碍快层，这种性质称流 体的粘性。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 粘性：在做相对运动的两流体层的接触面 上，存在大小相等，方向相反的作用力阻 止层间相对运动。 粘性阻力：由粘性产生的的作用力叫做粘 性阻力或内摩擦力。 流体中粘性出现的原因：由于分子间内聚力（引 力）和流体分子的垂直流动方向热运动（出现能 量交换）。在液体中以前者为主，气体中以后者 为主，所以液体的粘度随温度升高而减小，由于 温度升高时分子间距增大，分子间引力减小；而 气体的粘度则随温度的升高而增大，由于此时分 子的热运动增强。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 液体 气体 (1)两
8、层层液体之间间的粘性力主 要由分子内聚力形成 (2)两层层气体之间间的粘性力主 要由分子动动量交换换形成 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 二、牛顿粘性定律 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 三. 流体的粘度 动力粘度：单位Pas，为流体的物理性质，在 流体运动时显现出来，静止流体不考虑粘度。 物理意义：当速度梯度为1单位时，单位面积 上摩擦力的大小。 运动粘度：工程计算中常用参数，单位m2/s。 粘度常用单位换算：1 Pas=1000 cp(厘泊)=10 p(泊) P12页例题2-1：注意单位换算 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 l粘度是温度和压强的函数，工程领域中，温度
9、对 粘度影响显著，压强对粘度影响不大. l温度升高时 气体粘度增大；液体粘度减小； 熔融金属液体的粘度减小； 流体粘度的影响因素 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 第四节 非牛顿流体 l1，流体的种类类：理想流体、牛顿顿流体、非牛顿顿流体 牛顿顿流体: 实际实际 上，流体都具有粘性，凡流体在流动时动时 ，粘性 力与速度梯度的关系都能用牛顿顿粘性定律 全部气体和所有单相非聚合态流体(如水及甘油等)均质流体都 属于牛顿流体。 理想流体是一种内部不能出现现摩擦力，无粘性的流体，既不能 传递传递 拉力，也不能传递传递 切力它只能传递压传递压 力和在压压力作
10、用 下流动动，同时时它还还是不可被压缩压缩 的。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 引入理想流体的意义： 1）在静止流体和速度均匀、直线线运动动的流体中，流体的粘性表现现不出 来，所以在这这种情况下完全可以把粘性流体当作理想流体来处处理； 2）在许许多场场合下，想求的粘性流体的精确解是很困难难的，对对于某些粘 性不起主要作用的流体，可以先不计计粘性的影响，使问题问题 的解析大 为简为简 化，从而有利于掌握流体流动动的基本规规律，至于粘性可通过试过试 验验加以修正。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 2，非牛顿顿流体的种类类 常见见有三种： 1）滨滨海姆塑流型流体 其切应应力与速度梯
11、度的关系如下： 细粉煤泥浆、乳液、砂浆、矿浆等均属于此类流体 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 l2）伪伪塑流型流体和胀胀流型流体 切应应力与速度之间间的关系如下： 与n均为为常数，n1时为伪时为伪 塑 流型流体；n1时为胀时为胀 流型流 体，如上图图所示切应应力与剪切 速率的关系。 明德笃志 博学创新 第二章 流体的性质 3）屈服伪伪塑流型流体 这类这类 流体与滨滨海姆塑流型流体相类类似，但切应应力与速 度梯度之间间的关系是非线线性的。 触变变性流体：在研究半固态态金属或 铸铸造涂料时时，会遇到在剪切速率固 定不变变的情况下，流体的切应应力() 随切变变运动时间动时间 的增加而减小的非 牛顿顿流体，称为为触变变性流体，图图中a 为为触变变性流体，b为为牛顿顿流体。 除牛顿流体外，其他流 体统称为非牛顿流体； 本课程后续讨论时均为 牛顿流体。 明德笃志 博学创新 重点：流体粘性概念、 牛顿粘性定律、 粘 度，宾海姆塑流型流体、伪塑流型流体、 屈服-伪塑流型流体的特点 作业：P15: 1、2、3、4 预习：第三章一、二节 第二章 流体的性质
