吉林大学工程流体力学第1章 流体的主要物理性质

第1章流体的主要物理性质1.1连续介质概论1.2流体的密度和相对密度1.3流体的粘性1.4流体的膨胀性和压缩性1.1流体的主要物理性质一、流体的物理属性1、物质基本属性（1）由大量分子构成；（2）分子不断作随机热运动；（3）分子与分子间存在分子力作用。属性物质形式分子结构分子力形状受力流体疏松小无固定形状压力、流动流体可以受切力固体紧密大有固定形状拉、压、切2、流体与固体属性比较属性物质形式分子距压缩性体积液体小基本不可压一定气体大可压缩充满空间3、气体与液体属性比较二、流体质点的概念1、定义：流体质点就是流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体，也称流体微团。2、流体质点具有四层含义：（1）宏观尺寸非常小；（2）微观尺寸足够大；（3）是包含有足够多分子的一个物理实体；（4）形状可以任意划分。三、连续介质的概念把流体视为由无数连续分布的流体微团所组成的连续介质，这就是流体的连续介质假设。这些连续介质具有宏观的一切基本力学性质。1.2流体的密度和相对密度一、密度定义:单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，以符号ρ表示。一点上流体密度为：dVdmVmV0lim如果流体是均质的，则：3(/)mkgmV4ºc蒸馏水的密度：3/1000mkgW二、相对密度定义:流体的相对密度是指某种均质流体的质量与相同体积下4℃蒸馏水质量之比，也即二者密度之比，相对密度是一个无量纲数，以符号d表示。wwmdm由于，3/1000mkgW所以，流体密度与相对密度的关系为：31000kgmd1.3流体的粘性粘性的概念：流体运动时内部产生切应力的性质叫作流体的粘性。粘性是流体阻止发生剪切变形或角变形的一种特性。1.3.1粘性产生的原因：分子间的相互引力；分子不规则热运动所产生的动量交换1.3.2牛顿内摩擦定律1、实验结论：（1）F与流体的种类有关；（2）与流体层之间接触面积成正比；（3）与流体的速度梯度成正比；（4）与压强无关。2、公式（1）摩擦力：VFA切应力：FVA式中：F—外力或内摩擦力（N）；A—平板与液层的接触面积（m2）；V—平板运动速度（m/s）；δ—液层厚度（m）；μ—动力粘度（Pa•s）；V/δ—速度梯度。（2）一般形式（微分形式）摩擦力：切应力：dydVAFdydV式中：—切应力（N/m2）;dV/dy—速度梯度。物理意义：切应力与速度梯度成正比。非牛顿流体1、塑性流体：污水、钻井泥浆；2、假塑性流体：油漆、纸浆；3、涨塑性流体：淀粉等dydV0123ndydVk)(ndydVk)(n1n11.3.3流体的粘度(1)粘度的定义及单位1）动力粘度µ：dydV由:得dydv/单位：帕·秒（Pa·s）物理意义：单位速度梯度下的切应力。2）运动粘度：单位：米2/秒（m2/s）（2）粘度的变化规律温度升高压强升高液体粘度（）降低增大气体粘度（）增大降低1.3.4理想流体的概念假定不存在粘性，即其==0的流体为理想流体或无粘性流体。[例题1-1]图1-3是一根内直径D＝74mm的垂直圆管；管内有一质量为2.5kg的活塞，其d＝73.8mm，L＝150mm。活塞与圆管完全对中，两者间隙为0.1mm，间隙中充满润滑油膜。润滑油粘度μ＝7×10-3Pa·s。若不考虑空气压力，试求当活塞自由下落时其最终的平衡速度—即活塞重力与活塞表面摩擦力相等时的速度。[解]这是一个同心环形缝隙中的直线运动问题，油膜中的速度分布规律近似为线性的，设达到平衡时活塞速度为V，则油膜内的速度梯度为:dvVdr摩擦面积A为:VALd则：流体对活塞的摩擦力为：VLdFA则由摩擦力与重力平衡得F=mgVLdmg代入数据，解得：10.08m/sV[例题1-2]如图1-4，在直径d=64mm、长度L=100mm的滑动轴承中，充满相对密度为0.85的机械油（运动粘度ν=34×10-6m2/s）。现测得轴上转矩T=2.5N·m，转速n=1200r/min，试求轴承的同心缝隙。[解]同心环形缝隙的回转运动问题,速度分布近似为直线规律。因为轴表面处的直线速度为：02dv故在轴的表面处速度梯度为：02vdvddr切应力为：2d摩擦表面为：ALd流体作用在轴表面上的摩擦力为：流体作用在轴上的摩擦力矩为22LdFA324dLdTF而角速度：由此解出：30n23120nLdT又动力粘度：代入数据可求得：30.0310m=0.03mm[例题1-3]如图，在两块相距20mm的平板间充满动力粘度为0.065（N·s）/m2的油，如果以1m/s速度拉动距上平板5mm，面积为0.5m2的薄板（不计厚度），求需要的拉力.13005.01065.0133.4015.01065.01665.85.0)33.413()(21AF[解]平板上侧摩擦切应力：平板下侧摩擦切应力：拉力：（N）（N/m2）（N/m2）13005.01065.0133.4015.01065.0113005.01065.01665.85.0)33.413()(21AF33.4015.01065.0113005.01065.01665.85.0)33.413()(21AF33.4015.01065.0113005.01065.011.4流体的膨胀性和压缩性1.4.1体胀系数流体的膨胀性用单位温升所引起的体积变化率表示，称为体胀系数，以αV来表示，)1(1lim0TVVdTdVVTVVTTV单位：K-1液体：体胀系数很小；气体：体积随温度升高而膨胀。物理意义：当压强不变时，每增加单位温度所产生的流体体积相对变化率。1.4.2压缩系数和体积弹性系数1）流体的压缩性用单位压强变化所引起的体积变化率表示，称为压缩系数或压缩率，以kT来表示，)1(1lim0pVVdpdVVpVVkppT单位：Pa-1液体：压缩系数很小；气体：体积与压强成反比。物理意义：当温度不变时，每增加单位压强所产生的流体体积相对变化率。)1(1lim0pVVdpdVVpVVkppT2）体积弹性系数体积弹性系数是压缩系数的倒数，又称为体积弹性模量，用符号K来表示，)(1VpVdVdpVkKT单位：Pa物理意义：每产生一个单位体积相对变化率所需要的压强变化量。K值越大表示流体越不容易压缩。)(1VpVdVdpVkKT1.4.3不可压缩流体的概念压缩系数和体胀系数都为零的流体叫做不可压缩流体或=C（常量）•[解]根据题意知ΔT=25-（-20）=45℃，由公式得所以[例1-3]有一长L=40cm、直径d=15cm的密闭油缸，其中充满体胀系数αV=6.510-4K-1的油。密闭容器一端的活塞可以移动，若活塞上的外负载力不变，油温从-20℃升到+25℃，求活塞能移动多少距离。1VVVTVVVT2244VddLLT46.51040451.17cmVLLT本章小结1、流体质点的概念2、连续介质的概念3、流体的粘性4、牛顿内摩擦定律4、理想流体的概念5、流体的膨胀性和压缩性6、不可压缩流体课后习题1-51-61-7