流体力学基本知识

第一章流体力学基本知识解析第一节流体及其空气的物理性质流动性是流体的基本物理属性。流动性是指流体在剪切力作用下发生连续变形、平衡破坏、产生流动，或者说流体在静止时不能承受任何剪切力。易流动性还表现在流体不能承受拉力。(一)流体的流动性通风除尘与气力输送涉及的流体主要是空气。流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。但在流体力学中，一般不考虑流体的微观结构而把它看成是连续的。这是因为流体力学主要研究流体的宏观运动规律它把流体分成许多许多的分子集团，称每个分子集团为质点，而质点在流体的内部一个紧靠一个，它们之间没有间隙，成为连续体。实际上质点包含着大量分子，例如在体积为10-15cm3的水滴中包含着3×107个水分子，在体积为1mm3的空气中有2.7×1016个各种气体的分子。质点的宏观运动被看作是全部分子运动的平均效果，忽略单个分子的个别性，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。然而，也不是在所有情况下都可以把流体看成是连续的。高空中空气分子间的平均距离达几十厘米，这时空气就不能再看成是连续体了。而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体均可视为连续体。所谓连续性的假设，首先意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。有了这个假设就可以用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。（二）惯性（密度）流体的第一个特性是具有质量。流体单位体积所具有流体彻底质量称为密度，用符号ρ表示。在均质流体内引用平均密度的概念，用符号ρ表示：Vm式中：m——流体的质量[Kg]；V——流体的体积[m3]；ρ——流体密度Kg/m3。但对于非均质流体，则必需用点密度来描述。所谓点密度是指当ΔV→0值的极限（dVdmVmV0lim），即：dVdmVmlimV0公式中，ΔV→0理解为体积缩小为一点，此点的体积可以忽略不计，同时，又必须明确，这点和分子尺寸相比必然是相当大的，它必定包括多个分子，而不至丧失流体的连续性。压强和温度对不可压缩流体密度的影响很小，可以把流体密度看成是常数。流体的第二个特性是具有重量，这是第一个特性的结果。重度是流体单位体积内所具有的流体重量，即：式中：Υ（upsilon）—流体的重度,N/m3[牛顿/米3]。G——流体的重量,N[牛顿]；V——流体的体积,m3[米3]；对于液体而言，重度随温度改变，而气体而言，气体的重度取决于温度和压强的改变。显然，密度与重度存在如下关系，G=m·g，等式两边除以V得：VgmVG即：gργ式中：g——重力加速度，通常取9.81m/s2[米/秒2]三、粘滞性当我们把油和水倒在同一斜度的平面上，发现水的流动速度比油要快的多，这是因为油的粘滞性大于水的粘滞性。又如我们观察河流，可以明显地看到，越靠近河岸流速越小，越接近河心流速越高。这表明河岸对流体有约束作用，流体内部也有相互约束的作用力。这种性质就是流体的粘滞性。我们可以通过下面的试验来证明流体粘滞性的存在。（一）牛顿内摩擦力定律假设有两块平行的木板，其间充满流体，如图，让下面一块平板固定而上面一块平板以等速V运动，我们将会看到板间流体很快就处于流动状态，且靠近上面平板的流体流速较大，而靠下面平板的流速则较减小，其流速由上至下速度变化为从V到零。当中任一层流体的速度随法线方向呈线性改变。要使上面平板以等速运动，需在其上加一个力，使它大小恰好克服流体由于粘滞性而产生的内摩擦力F，流体层间内摩擦力是成对出现的，其方向据实际分析而定。实验证明，内摩擦力F的大小与流体种类有关；与流体的接触面积有关；与垂直于板的速度梯度成正比。故：dyduAF式中：μ（mu）—流体动力粘性系数（sPa)；A——流层的接触面积；dydu——流体在法线方向（垂直于木板）的速度梯度。上式称作牛顿内摩擦定律。而通常把单位面积上所具有的摩擦力τ称为摩擦应力或切应力：dyduAF式中：τ（tao）—摩擦应力或切应力。上式表明切应力的大小取决于速度梯度，也可以理解为取决于变形角速度的大小。如图所示，设流体作直线运动，在某时刻t取一个正方形成一斜方形流体基元平面，令上层流速，经过dt时间即为角变形速度，在短暂时间内，则：dydudtdtdudtdtgdtd另外，从公式中还可以看出，切应力的大小也取决于粘性系数。而动力粘性系数μ又随不同流体及温度和压力而变化。通常粘性系数与压力的关系不大，如每增加1Kg/cm2时，液体的粘性系数平均只增加1/500→1/300，因此在多数情况下可以忽略压力对液体粘性系数的影响。对于气体，由分子运动论得知：动力粘性系数μ=（0.31~0.49）ρVL式中：ρ（rho）—气体密度；V—气体分子运动速度；L—分子平均自由行程。由于分子运动的速度V与压力P无关，在等温条件下，P与ρ成正比与L成反比，故压力变化时μ仍可保持不变。至于粘性系数与温度的关系已被大量的实验所证明。即液体的粘性系数随温度的增加而下降，气体的粘性系数随温度而增加。这种截然相反的结果可用液体的微观结构去阐明。流体间摩擦的原因是分子间的内聚力、分子和壁面的附着力及分子不规则的热运动而引起的动量交换，使部分机械能变为热能。这几种原因对液体与气体的影响是不同的。因为液体分子间距增大，内聚力显著下降。而液体分子动量交换的增加又不足以补偿，故其粘性系数下降。对于气体则恰恰相反，其分子热运动对粘滞性的影响居主导地位，当温度增加时，分子热运动更为频繁，故气体粘性系数随温度而增加。另外，在我们研究流体运动规律的时候，ρ和μ经常是以μ/ρ的形式相伴出现，这是为了实用方便，就把μ/ρ叫做运动粘性系数，用符号υ表示。运动粘性系数υ=μ/ρ[米2/秒]必须指出：在分析流体流过固体的时候，或管中流体运动诸现象时运动粘性系数是非常重要的参数。但是当比较各种不同流体的内摩擦力时，运动粘性系数却不能作为一项物理特征。我们只要比较一下水与空气的粘性系数即可明白这一点。水比空气粘性大，动力粘性系数水的比空气的大100倍，但是空气的运动粘性系数却比水的大10倍以上，所以不能以运动粘性系数来说明水比空气粘性大，这是因为空气的密度比水小几百倍的缘故。（二）牛顿体与非牛顿体牛顿内摩擦定律仅适用于一般的流体（水、空气等）。内摩擦力符合牛顿内摩擦力定律的称为牛顿体；反之，则称为非牛顿体。四、压缩性和热膨胀性（一）液体的压缩性和膨胀性流体的可压缩性是指流体受压，体积缩小，密度增大，除去外力后能恢复原状的性质。可压缩性实际上是流体的弹性。(1)压缩系数p,单位为m2/N（米2/牛顿）或Pa-1。液体的可压缩性用压缩系数来表示，它表示在一定温度下，压强增加一个单位体积的相对缩小率。若液体的原体积为V，则压强增加dp后，体积减少dV，dVP↑V→dV↓1T不变，压缩系数为：dpVdVdpdVVp1-或dpVdVdpdpP式中：p——液体压缩系数（l／大气压，1/Pa）。V——原有体积（米3）dV——体积改变量（米3）dp——压力改变量（l工程大气压1公斤力／厘米2，Pa）由于液体受压体积减少，dp和dV异号，式中右侧加负号，以使κ为正值，其值越大则流体越容易压缩。p的单位是1/Pa或Pa-1。压缩系数的单位与比容的单位相同，比容是单位重量的流体占有的容积，它是定量流体容积大小的状态参数。它与重度的关系为：Υυ=1或Υ=1/υ式中：υ(upsilon)—比容（米3/牛顿）；Υ(upsilon)—重度（牛顿/米3）注：气体的比容随温度和压力变化。根据增压前后质量不变，压缩系数可表示为dpd)dp(dpα式中：ρ—液体密度（Kg/m3）液体的压缩系数随温度和压强变化。压缩系数的倒数是体积弹性模量，即ddpdVdpVEP-1E的单位是Pa。(2)热胀系数V,单位为1/℃或1/K。液体的热胀性用热胀系数V表示，它在一定的压强下，升高一个单位温度所引起的流体体积的相对增加量。若液体的原体积为V，则温度增加dT后，体积增加dV，热胀系数为：dTVdVdTdV式中：--气体的密度（kg/m3）；T--气体的热力学温度（℃或K）；V——原有体积（米3）实验证明：水在98KPa压强下,温度在1~10℃范围内，水的体积膨胀系数V=14×10-6(1/℃)，温度在10~20℃范围内，水的体积膨胀系数V=150×10-6(1/℃)，温度在90~100℃范围内，水的体积膨胀系数V=7×10-4(1/℃)。（二）气体的压缩性和膨胀性气体具有显著的可压缩性和热胀性。这是由于气体的密度随温度和压强的改变将发生显著的变化。在温度253K、压强20MPa时，常用气体（如空气、氮气、氧气、二氧化碳等）的密度、压强温度三者的关系完全符合气体状态方程，即：RTP式中：P--气体的绝对压强（N/m2或Pa）；--气体的密度（kg/m3）；T--气体的热力学温度（K）；R--气体常数J/（kg•K），在标准状态下的空气R=8314/M=8314/29=287J/（kg•K），M--气体的分子量。空气的气体常数R=287J/kg*K。当气体在压强很高，温度很低的状态下，或接近于液体时就不能当做完全气体看待，上式不适用。理想气体状态方程理想气体指一种假想的气体，它的质点是不占有容积的质点；分子之间没有内聚力。虽然自然界中不存在真正的理想气体，但是为了研究流体的客观规律，从复杂的现象中抓住主要环节而忽略某些枝节，在工程应用所要求的精度内，使问题合理化，不至于引起太大的误差。就此意义来讲，引出理想气体的概念是十分重要的。在研究通风除尘与气力输送时，完全可以引用理想气体的定律。空气在压力或温度变化时能改变自身的体积，具有显著的压缩性和膨胀性，因此，当温度或压力变化时，气体的密度也随之变化。它们之间的关系，服从于理想气体状态方程。即：Pυ=RT或：P/ρ=RT式中：P——绝对压力（牛顿/米2）；υ——比容（米2/牛顿）；T——热力温度（K—开尔文）；T=T0+t0C，T0=273K；R——气体常数（牛·米/千克·开），对于空气R=287牛·米/千克·开。理想气体状态方程（函数关系式）：nRTMmRTPV式中：M--摩尔质量、n--气体的物质的量，单位mol；R--气体常量,单位J/（kg•K），P--气体压强Pa，V--气体体积，式中表示m千克气体的体积，T--体系温度（绝对温度），单位K。理想气体在状态变化时三个基本状态参数：绝对压强p、比体积v及绝对温度T之间的关系式，即理想气体的状态方程式：（当摩尔质量、气体质量为1Kg理想状态时）也称为克拉贝龙方程式：RTpv(2-1)式中：v--气体的比体积从式（2-1）中，描述气体状态的三个基本参数p、v、T中，只有两个是独立的，只有给定三个基本状态参数中的任意二个，气体状态就被确定了，若气体质量为m千克，将式（2-1）两边各乘以m，则得m千克理想气体的状态方程式：mRTmpvmRTpV(2-2)式中：V--表示mKg气体的体积，对于混合理想气体，其压强p是各组成部分的分压强p1、p2、……之和，故：pV=（p1+p2+……）V=(n1+n2+……)RT，式中：n1、n2、……是各组成部分的物质的量。以上两式是理想气体和混合理想气体的状态方程，可由理想气体严格遵循的气体实验定律得出，也可根据理想气体的微观模型，由气体动理论导出。在压强为几个大气压以下时，各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，压强越低，符合越好，在压强趋于零的极限下，严格遵循。在摩尔表示的状态方程中，R为比例常数，对任意理想气体而言，R是一定的，约为8.31441±0.00026J/(mol·K）。如果采用质量表示状态方程，pV=mrT，此时r是和气体种类有关系的，r=R/M，M为此气体的平均摩尔质量用密度表示该关系：pM=ρRT（M为摩尔质量,ρ为密度）。对于各种气体，R值都等于8.314510J/(mol•K)。它与气体的性质和状态无关，故称R为通用气体常数。根据