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1、高等流体力学高等流体力学2流体及其物理性质 一、流体的定义和特征一、流体的定义和特征任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形固体的变形与受力的大小成正比 流体与固体的区别固体流体力的角度，流体与固体差别力的角度，流体与固体差别对外力的抵抗能力不同对外力的抵抗能力不同固体固体能抵抗一定的拉力、压力、剪切力，并产生相应的能抵抗一定的拉力、压力、剪切力，并产生相应的变形，一旦外力撤去，依靠分子间作用，变形能够部分的变形，一旦外力撤去，依靠分子间作用，变形能够部分的恢复恢复流体流体n不能抵抗拉力（例外，某些非牛顿流体）不能抵抗拉力（例外，某些非牛顿流体）n在压力作用下，处于平衡状态在压力作用下，处
2、于平衡状态n不能抵抗剪切力，任何微小剪切力作用下，流体持续不断不能抵抗剪切力，任何微小剪切力作用下，流体持续不断发生变形，外力撤去后，变形也不能恢复（例外，某些非发生变形，外力撤去后，变形也不能恢复（例外，某些非牛顿流体）牛顿流体）定义定义：在任何微小剪切力持续作用下，能够连续不断变形：在任何微小剪切力持续作用下，能够连续不断变形的物质的物质流体与固体的区别原因： 由于分子间的作用力不同造成的固体流体 流体所含的分子数少 分子间隙大 流体分子间作用力小 分子运动剧烈流动性无固定形状液体与气体的区别 液体难于压缩；而气体易于压缩。 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，
3、无一定的体积，不存 在自由液面。液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的气体分子距比分子平均直径约大十倍。液体有力求自身表面积收缩到最小的特性气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用问题的引出：微观：分子间存有空隙，在空间是不连续的。宏观：宏观：一般工程中，所研究流体的空间尺度 要比分子距离大得多。 流体是由大量做无规则运动的分子组成的，分子之间存在空隙，但在标准状况下，1mm3液体中含有3.31019个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.110-8cm。1mm3气体中含有2.71016个左右的分子，相邻分子间的距离约为3.210-7cm v定义：定义：不考虑流体分子间的间隙，把不考虑
4、流体分子间的间隙，把流体视为由无 数连续分布的流体微团组成的连续介质。二、流体的连续介质假设v必要性：连续介质假设后物理量在流体中连续分布可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律流体连续介质物理量连续流体质点流体质点是流体的的最小单元,是指微小体积V内所有流体分子的总体,而其几何尺寸很小(远大于分子平均自由行程), 但包含足够多分子的特征体积,其宏观特性就是大量分子的统计平均特性,且具有确定性.v合理性：流体分子的间隙极其微小可看做连续介质 避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。 v优
5、 点:1mm3液体3.310191mm3气体2.71016v适用范围： 火箭在高空稀薄气体中飞行 激波 MEMS（微尺度流体机械系统）L / l 100 适用L 物体特征尺寸l 流体质点特征尺寸不适用v定义：在一定温度下，单位压强所引起的体积相对减小值。三、流体的压缩性v体积压缩系数流体的体积压缩系数，m2/N；流体压强的增加量，Pa； 原有流体的体积，m3；流体体积的增加量，m3。在一般情况下，液体的体积压缩系数忽略不计。v体积弹性模量 ：压缩系数的倒数。v说 明：工程上常用体积弹性模量衡量流体压缩性越大，越不易被压缩流体的种类不同，其 值不同。气体压缩性大于液体。同一种流体的 值随温度、压
6、强的变化而变化。不可压缩流体：流体密度随温度、压强变化很小的流体。不可压均质流体：可压缩流体：不可不可压缩流体和可压缩流体压缩流体和可压缩流体严格地说，不存在完全不可压缩的流体。 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。 （锅炉尾部烟道） 气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。 一般情况下的液体都可视为不可压缩流体，管路中压降较大时，应作为可压缩流体（发生水击、水下爆破）。四、流体的粘性四、流体的粘性动力粘度动力粘度（Pas）牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律:单位时间内通过单位面积上传递的动量单位时间内通过单
7、位面积上传递的动量流场中存在速度梯度流场中存在速度梯度动量传递动量传递五、流体的导热性五、流体的导热性热传导系数热传导系数（w/mK）傅立叶定律傅立叶定律:单位时间内通过单位面积上传递的热量单位时间内通过单位面积上传递的热量流场中存在温度梯度流场中存在温度梯度热量传递热量传递六、流体的扩散性六、流体的扩散性扩散系数扩散系数k（m2/s）Fick定律定律:单位时间内通过单位面积上传递的质量单位时间内通过单位面积上传递的质量流场中存在浓度梯度流场中存在浓度梯度质量传递质量传递七、流体的表面张力七、流体的表面张力表面张力系数表面张力系数 ：是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。单位为N/m。内聚力：是分子间的相互吸引力。液体与气体接触的界面以及两种互不相溶液体的界面附着力：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。液体与固体的界面上如果界面为曲面,在表面张力的影响下界面两侧压强差:
