第二章流体的基本性质

本章主要内容流体及其主要物理性质连续介质模型、理想流体、质点作用在流体上的力流体的密度、压缩性、粘性ChapterTwoBasicConsideration流体的特性CharacteristicsofFluids1.物理特性Physicsproperty2.质点Particle3.连续介质Continuum密度Density3/1000mkgdvdmvmvlim0x0yz·P常见的密度（在一个标准大气压下）：4℃时的水20℃时的空气3/2.1mkg*m1*m比容SpecificVolume相对密度压缩性与膨胀性CompressibilityandExpansibilityTVPmRdTPTmRdVdTdVVVdTdVaggv1)(11膨胀系数CoefficientofVolumeExpansibility在一定压强下，体积的变化率与温度的变化成正比VpVK体积模量BulkmodulusofelasticitypdpdVVkT11压缩率CoefficientofVolumeCompressibility在一定温度下，密度的变化率与压强的变化成正比ρ=c:不可压缩流体Incompressiblefluidρ≠c:可压缩流体Compressiblefluidliquid--IncompressiblefluidGas--compressiblefluid第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性1.粘性的定义流体内部各流体微团之间发生相对运动时，流体内部会产生摩擦力（即粘性力）的性质。(1)库仑实验(1784)库仑用液体内悬吊圆盘摆动实验证实流体存在内摩擦。第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)1.粘性的定义(续)(2)流体粘性所产生的两种效应流体内部各流体微团之间会产生粘性力；流体将粘附于它所接触的固体表面。粘性Viscosityohdyyu+duuyU第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(1)牛顿平板实验当h和u不是很大时，两平板间沿y方向的流速呈线性分布，ohdyyu+duuyUdyhUduyhUu或第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(续)(2)牛顿内摩擦定律dydu实验表明，对于大多数流体，存在dyduAhUAF引入比例系数μ，得：ohdyyu+duuyU第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)2.牛顿内摩擦定律(续)(2)牛顿内摩擦定律(续)⑴粘性切应力与速度梯度成正比；(2)粘性切应力与角变形速率成正比；(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。牛顿内摩擦定律表明：dydudydudtdydudtdtd/)(CDBAdbadydudta.速度梯度的物理意义——角变形速度（剪切变形速度）yvddytvdddtgddtyvddddvdt(v+dv)dtdvdtdzdφ流体与固体在摩擦规律上完全不同正比于dv/dy正比于正压力，与速度无关第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。(1)动力粘度ohdyyu+duuyUdydu(2)运动粘度)/(2sm))/((smkg3.粘度第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)3.粘度（续）(3)粘度的影响因素温度对流体粘度的影响很大气体液体气体粘度o温度压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑)T(f)p,T(f液体吸引力T↑μ↓微观机制：气体热运动T↑μ↑温度对流体粘性的影响水)000221.00337.01/(20tt气体2/30)273(273TSTS第一章绪论§2.6流体的粘性三、牛顿流体和非牛顿流体1.牛顿流体2.非牛顿流体dudyoτ0τ膨胀性流体宾汉型塑性流体牛顿流体假塑性流体符合牛顿内摩擦定律的流体如水、空气、汽油和水银等不符合牛顿内摩擦定律的流体如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。τdvx/dy牛顿流体o•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）三.牛顿流体与非牛顿流体ττ0dv/dyo塑性流体•非牛顿流体塑性流体——克服初始应力τ0后，τ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）拟塑性流体——τ的增长率随dv/dy的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）τdv/dzo拟塑型流体膨胀型流体——τ的增长率随dv/dy的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）τdv/dyo塑性(胀流型)流体ττ0dv/dzo膨胀型流体牛顿流体拟塑性流体塑性流体kyvnx)dd(Example第一章绪论§2.6流体的粘性二、粘性流体和理想流体1.粘性流体具有粘性的流体（μ≠0）。2.理想流体忽略粘性的流体（μ=0）。一种理想的流体模型。例：汽缸内壁的直径D=12cm，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μ=0.1Pa·s。求作用在活塞上的粘性力。解：drdvAF2053014011960m...dLA31010510()/2(0.120.1196)/2dvvsdrDdNF5.261051.0053.03注意：面积、速度梯度的取法dDL同心环形缝隙中的回转运动例：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=0.0045N·m。求该实验液体的粘度。解：dydu602nM注意：1.面积A的取法；2.单位统一hnr1r21210rrr1Ar0045.0211rhrsPa952.0得第一章绪论§2.6流体的粘性一、流体的粘性(续)3.粘度（续）(4)粘度的测量管流法落球法旋转法工业粘度计hnr1r2第一章绪论§2.7液体的表面性质一、表面张力1.表面张力现象水滴悬在水龙头出口而不滴落；细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）；铁针浮在液面上而不下沉。第一章绪论§2.7液体的表面性质一、表面张力（续）(1)影响球液体分子吸引力的作用范围大约在以3~4倍平均分子距为半径的球形范围内，该球形范围称为“影响球”。2.表面张力(2)表面层厚度小于“影响球”半径的液面下的薄层称为表面层。(3)表面张力σ（N/m)液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力,单位长度上的这种拉力称为表面拉力。第一章绪论§2.7液体的表面性质二、毛细现象液体分子间相互制约，形成一体的吸引力。1.内聚力，附着力2.毛细压强由表面张力引起的附加压强称为毛细压强当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力第一章绪论§2.7液体的表面性质二、毛细现象（续）3.毛细管中液体的上升或下降高度gdhghdd)cos(441)cos(2