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1、工程流体力学 1 第一章、流体主要物理性质 在研究流体静止和运动之前，首先要了 解流体的内在属性，即流体的物理性质。包 括密度、压缩性、膨胀性、粘性等。其中， 粘性是流体物理性质中最重要的特性。 第一章第一章 流体主要物理性质流体主要物理性质 1 工程流体力学 2 第一章、流体主要物理性质 第一节 流体的概念 凡是没有固定的形状易于流动的物质就叫 流体。即液体和气体。 流体与固体的差别表现为： 固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗 拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与 抵抗拉伸变形。在极小切应力下就会出现连 续的变形流动。 2 工程流体力学 3 第一章、流体主要物理性质 液体和
2、气体的区别： 气体易于压缩,而液体难于压缩； 液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能 充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自 由液面。 液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切 应力作用下都会发生变形或流动，故二者 统称为流体。 3 工程流体力学 4 第一章、流体主要物理性质 常见的密度（在一个标准大气压下）： 4时的水 20时的空气 第二节 流体的基本物理性质 1.密度 3.相对密度 2.重度 4 工程流体力学 5 第一章、流体主要物理性质 4.热膨胀性和可压缩性 1)压缩性：在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的 性质。它的物理意义是单位压强变化所引起的体积的相对
3、变 化率。（Pa-1） 体积模量：体积压缩率的倒数。 E越大,流体越不易被压缩 5 工程流体力学 6 第一章、流体主要物理性质 2)热膨胀性：流体体积随温度升高而增大的 性质。它的物理意义是单位温度变化所引 起的体积的相对变化率。液体的热膨胀性 很小，一般可以忽略不计。气体的热膨胀 系数为1/273，不可忽略. 6 工程流体力学 7 第一章、流体主要物理性质 注意： (a)严格地说，不存在完全不可压缩的流体。 (b)一般情况下的液体都可视为不可压缩流体 （发生水击时除外）。 (c)对于气体，当所受压强变化相对较小时， 可视为不可压缩流体。 (d)管路中压降较大时，应作为可压缩流体。 7 工程流
4、体力学 8 第一章、流体主要物理性质 5.流体的粘滞性 1)粘性：在外力作用下，流体微元间出现相对运动时，随 之产生阻抗相对运动的内摩擦力. 微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换. 2)牛顿内摩擦定律： 切应力： 数学含义：垂直于流动方向的流速梯度。 物理含义：运动流体的剪切变形速率。 8 工程流体力学 9 第一章、流体主要物理性质 角变形速度（剪切变形速度） 速度梯度 的物理意义 vdt (u+du)dt dudt dy d 流体与固体在摩擦规律上完全不同 正比于du/dy正比于正压力，与速度无关 dy 9 工程流体力学 10 第一章、流体主要物理性质 动力粘度、 =/运动粘度系
5、数 注意：液体和气体的粘度随温度变化规律不同。 3).粘度(动力粘度和运动粘度) 温度 掌握两种粘度的单 位计量方式(P6) 10 工程流体力学 11 第一章、流体主要物理性质 4)粘度的测量方法 法1: 用粘度计直接测量得出：(绝对粘度 ) 毛细管粘度计、旋转粘度计 法2: 用恩氏粘度计测出相对粘度(恩氏粘度 ), 然后用经验公式转换为运动粘度. 恩氏粘度计测定 200ml被测液体从恩氏粘度计流出的时间 200ml，20度的纯水从恩氏粘度计流出的时间50s 无单位,当其2时,用上式将恩氏粘度 直接转换为运动粘度 11 工程流体力学 12 第一章、流体主要物理性质 例：汽缸内壁的直径D=12c
6、m，活塞的直径d=11.96cm，活塞长度 L=14cm，活塞往复运动的速度为1m/s，润滑油的 =0.1Pas 。求作用在活塞上的粘性力。 解： 注意：面积、速度梯度的取法 dD L 12 工程流体力学 13 第一章、流体主要物理性质 例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/min。内外筒 间充入实验液体。内筒r1=1.93cm，外筒 r2=2cm，内筒高h=7cm ，转轴上扭距M=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。 解： 注意：1.面积A的取法； 2.单位统一 h n r1 r2 得 解： 注意：1.面积A的取法； 2.单位统一 得 13 工程流体力学 14 第一章、流体主要
7、物理性质 1)表面张力 当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生 表面张力，出现一些特殊现象，例如空气中的雨滴呈球状 ，液体的自由表面好像一个被拉紧了的弹性薄膜等。 表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引 力，也称为内聚力。在液体中，一个分子只有距离它约10 -7cm的半径范围内才能受到周围分子吸引力的作用。在这 个范围内的液体分子对该分子的吸引力各方向相等，处于 平衡状态。但在靠近静止液体的自由表面、深度小于约10 -7cm薄的表面层内，每个液体分子与周围分子之间的吸引 力不能达到平衡，而合成一个垂直于自由表面的合力。 6.表面张力和毛细管现象 14 工程流体力学 15 第一章
8、、流体主要物理性质 定义：使液体表面处于拉伸状态的力为表 面张力. 表面张力系数 ：单位长度上的表面张力 . 表面张力的产生部位：液、气接触自由表 面,液固接触的周界、不同液体接触的周界 表面张力产生的原因：由于内聚力的不同 而导致（分子受力不平衡）。 15 工程流体力学 16 第一章、流体主要物理性质 2)毛细管现象 在毛细管中,表面张力可以引起液面上升或 下降,此现象称之为毛细管现象. 凹 上升 h 凸 下降 h 液固间 附着力 大于液 体的内 聚力 H2O 液固间 附着力 小于液 体的内 聚力 (Hg) 16 工程流体力学 17 第一章、流体主要物理性质 表面张力在垂直方向的分力与所升高
9、 液柱的重量相等时,液柱平衡不再升高. 即有: 液柱高度h: 例题1-5:P9 17 工程流体力学 18 第一章、流体主要物理性质 图1-6 液体在毛细管内上升 (a) 湿润管壁的液体的液面上升 18 工程流体力学 19 第一章、流体主要物理性质 图1-6 液体在毛细管内下降 (b) 不湿润管壁的液体的液面下降 19 工程流体力学 20 第一章、流体主要物理性质 第三节 作用在流体上的力 流体无论处于运动或平衡状态，都受到各 种力的作用。 按力的物理性质不同来划分，可分为重力 、惯性力、弹性力和粘滞力。 按力的作用方式不同，可分为：质量力和 表面力两种。 20 工程流体力学 21 第一章、流体
10、主要物理性质 一、质量力 作用在流体每一质点上，其大小与流体质量成正 比：G= mg 直线惯性力： 离心惯性力： 这三种力都与液体质量m成正比，且都作用在质点 中心上，因而称为质量力 21 工程流体力学 22 第一章、流体主要物理性质 二、表面力（近程力）（接触力） 表面力指作用于流体的表面上，并与受作用的流 体表面积成正比。 表面力包括外力和内力。 垂直于作用面的力，称为法向力（压力）P； 平行于流体作用面的，称为切向力（内摩擦力）T 连续流体中，表面力是在流体表面连续分布的力 。因此使用单位面积上的表面力来表述，称为应 力。 22 工程流体力学 23 第一章、流体主要物理性质 第四节 流体
11、的各种模型 本节主要介绍几个概念： 1.连续介质:(宏观/数学分析) 2.理想流体：不考虑粘度、可压缩性、膨胀 性等物理性质的流体. 3.不可压缩流体: 4.牛顿流体与非牛顿流体: 23 工程流体力学 24 第一章、流体主要物理性质 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分 轻油、气体等） 假塑性流体的增长率随 dv/dz的增大而降低（高分子 溶液、纸浆、血液等） 塑性流体克服初始应力 0后，才与速度梯度成正 比（牙膏、新拌水泥砂浆、中 等浓度的悬浮液等） 膨胀型流体的增长率随 dv/dz的增大而增加（淀粉糊 、挟沙水流） 24 工程流体力学 25 第一章、流体主要物理性质 本章小结 流体的分类： 本章重点： 连续介质假设，牛顿内摩擦定律 思考题：1、流体的基本特性是什么？ 2、粘度的表示方法以及粘度与温度和压力的关系； 3、动力粘性系数和运动粘性系数的区别和联系是什么？ 4、什么是流体的连续介质模型；为何提出连续介质概念？ 25 工程流体力学 26 第一章、流体主要物理性质 恩氏粘度计 26 工程流体力学 27 第一章、流体主要物理性质 毛细管粘度计 27 工程流体力学 28 第一章、流体主要物理性质 旋转粘度计 28
