清华大学流体力学课件-1-流体的物理性质

流体的物理性质1第一章流体的物理性质2017年春-本科生-流体力学空间尺度分析2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质2将空间尺度归结为三个层次这里有三个基本方程，对应三种不同的空间尺度问题DRaabe,OverviewofthelatticeBoltzmannmethodfornano-andmicroscalefluiddynamicsinmaterialsscienceandengineering,ModellingSimul.Mater.Sci.Eng.12(2004)R13–R46.流体的物理性质3基本内容流体的连续介质模型流体的基本性质作用在流体上的体积力和表面力流体的界面现象和性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质4§1.1流体的连续介质模型研究流体的宏观运动：巨量分子的统计性质1.连续介质模型–流体是连续分布的物质，它可以无限分割为具有一定质量的宏观微元体(物理模型)；–不发生化学反应和离解等非平衡热力学过程的运动流体中，微元体内流体状态服从热力学关系（状态参数）；–除特殊面外，流体的力学和热力学状态参数在时空中是连续分布的，并且通常认为是无限可微的；2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质5§1.1流体的连续介质模型连续介质模型的适用范围流体的运动尺度远远大于流体分子运动的平均自由程例如：常温常压下空气分子运动的平均自由程：微米探针：分子数：在微米的尺度上仍可将空气视为连续介质在外层空间，分子运动的平均自由程：飞行器：在米的尺度上气体运动不能采用连续介质模型8~10m6~10lm36/~10l~1m~1lm2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质6§1.1流体的连续介质模型拓展：Knudsennumber(努森数)Kn/L2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质7§1.1流体的连续介质模型2.流体微团及流体质点的概念流体微团：–定义：把流体无限分割为具有一定质量的微元，它是研究流体运动的最小单元，称为“流体微团”–性质：流体微团应是宏观上无限小，微观上无限大的质量体流体微团体积，流体运动尺度，分子运动尺度宏观上无限小：；微观上无限大：L3/1L3/12017年春-本科生-流体力学§1.1流体的连续介质模型流体的物理性质8测量体积对密度测量结果的影响2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质9§1.1流体的连续介质模型2.流体微团及流体质点的概念流体质点：–定义：当不需要考虑流体微团的体积和变形，只研究它的位移和各物理状态时，我们可以把它视作没有体积的质点，这时我们称流体微团为流体质点2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质10§1.1流体的连续介质模型2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质11§1.1流体的连续介质模型3.流体物理量空间任一点上的流体物理量（如密度、温度、速度等）是指位于该点上的流体质点的物理量，是宏观平均量的极限值。例如：流体在某一点上的密度定义为根据连续介质模型，流体中每一点都被相应的流体质点所占据，流体质点可以用时空中的一个点来标记，因此流体宏观物性的不均匀性，可以用时空变量的函数来描述，例如：气体的密度，温度即通过场函数进行描述，常称为密度场、温度场。。。。0limMP,tx,TTtx,Ptx,tx2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质12基本内容流体的连续介质模型流体的基本性质作用在流体上的体积力和表面力流体的界面现象和性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质13§1.2流体的基本性质1.流体的易流动性处于静止状态的流体不能抵抗剪切力，即流体在很小的剪切力作用下将发生连续不断的变形，直到剪切力消失为止，流体的这种性质称为易流动性。固体可以在静止状态承受剪切力流体以持续变形承受剪切力2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质14§1.2流体的基本性质2.流体的粘性1）定义：-流体运动时，流体微团之间具有抵抗相互滑移运动的属性，称为流体的粘性。-粘性是流体的固有属性之一，不论是静止流体还是运动流体都具有粘性。2）粘性的表现：-流体作变形运动时，相互接触的流体微团之间有切应力作用，是分子运动引起的动量交换，是一种分子的输运性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质15§1.2流体的基本性质牛顿平板实验上表面的流体速度为下表面的流体速度为两板间速度为UuyyH单位面积上作用力正比于/UH即FUAHFUAHdduy牛顿切应力公式（内摩擦定律）：动力粘性系数U02017年春-本科生-流体力学流体的物理性质16§1.2流体的基本性质3）粘性系数：粘性系数是流体粘性大小的一种度量，它取决于流体的种类和状态，与温度有很大关系，而与压力关系不大在常温常压下，液体：气体：液体输运：分子间引力，温度升高，引力降低，粘性系数减小气体输运：分子间碰撞，温度升高，碰撞增强，粘性系数增大,p2[][][][]FLT21[][][]LT2NS/m2m/S动力粘性系数：运动粘性系数：量纲：国际单位：2017年春-本科生-流体力学§1.2流体的基本性质17U牛顿内摩擦定律的运用–狭缝流动局部近似为平板间平行流动ddUy2UDd滑动dDd转动流体的物理性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质18§1.2流体的基本性质不同流体粘性系数的量级运动粘性系数2/,m/sPas=10Poise=1000CenPoise2Stoke=cm/s动力粘性系数流体空气水自行车油橄榄油液体蜂蜜高分子熔体沥青熔融玻璃粘度(Pa•S)10-510-310-210-110110310810122017年春-本科生-流体力学19§1.2流体的基本性质牛顿流体粘度测量方法（1）毛细管法（管道内Poiseuille流基本公式，奥氏粘度计）（2）落球法（圆球绕流的Stokes公式，落球粘度计）（3）旋转法（同心圆桶间的Taylor-Couette流动，旋转粘度计）流体的物理性质2017年春-本科生-流体力学20SpringddtDashpotHooke’slaw(1660)Newtonianviscositylaw(1686)1635-17031643-1727经典力学认为，介质受力和形变间的力学特性是很简单的，流体由牛顿内摩擦定律描述，固体由胡克定律描述。§1.2流体的基本性质流体的物理性质2017年春-本科生-流体力学21§1.2流体的基本性质1.牛顿流体满足牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。如水，空气等。2.非牛顿流体不满足牛顿内摩擦定律的流体。如牙膏，蜂蜜，沥青，血液，唾液等流体的物理性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质22§1.2流体的基本性质4）理想流体粘性系数等于零的流体称为理想流体；是人们为简化实际问题所提出的的一种抽象模型；可用于粘性系数较小、远离固壁、速度梯度较小情况。拓展:超流体(superfluid)4IHe正常流体相4IIHe超流相超流相3He2017年春-本科生-流体力学23§1.2流体的基本性质红色硅油：粘度为10,000倍水的粘度黄色硅油：粘度为10倍水的粘度猜猜谁的粘度大？流体的物理性质粘性系数等于零的流体称为理想流体。是人们为简化实际问题所提出的的一种抽象模型可用于粘性系数较小、远离固壁、速度梯度较小情况dduy2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质24§1.2流体的基本性质3.流体的压缩性由于压强变化而引起流体体积变化的性质体积压缩系数：在一定温度下，单位压强增量引起的流体体积的相对变化量体积弹性模量：在一定温度下，单位体积的相对变化所需的压强增量11ddVVpp2M/N1ddpE2N/M2017年春-本科生-流体力学一般情况下：液体的密度几乎不随压强变化，视为不可压流体；气体视为可压缩的，但气体速度远小于当地音速时，视为不可压缩流体的物理性质25§1.2流体的基本性质不可压缩流体：流体运动中密度相对变化微小的流体922.110/ENm521.01310/pNm40.510pE例如：水的体积弹性模量增加1个大气压密度的相对变化2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质26§1.2流体的基本性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质27基本内容流体的连续介质模型流体的基本性质作用在流体上的体积力和表面力流体的界面现象和性质2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质28§1.3作用在流体上的体积力和表面力在流体中，任取一流体微团，其上受到两种外力：第一种外力作用在流体微团的质心上，与流体微团的体积成正比，称为体积力，属于非接触力。通常是已知的；第二种外力是周围流体或物体作用在流体微团表面上的力，与力的作用面大小成正比，称为表面力，是接触力。通常与流体的运动有关，常常是未知的；体积力表面力2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质29§1.3作用在流体上的体积力和表面力1.体积力和体积力强度a)几种体积力地球引力场中流体微团受到的引力与它的质量成正比流体在非惯性坐标系中运动时，受到的惯性力带电质点在静电场中运动时，受到的静电力mVmVGgGgmVFaaqVFE重力加速度惯性加速度电荷密度，电场强度2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质30§1.3作用在流体上的体积力和表面力b)体积力强度流体微团单位体积上作用的体积力称为体积力强度c)体积力合力及合力矩（有限体积的流体）0limVVVFfdVVVFfdVVVMrf合力：合力矩：ro2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质31§1.3作用在流体上的体积力和表面力2、表面力和应力1）定义任取一有限体积的流体，它的表面上受到周围流体或物体的接触力，这种力分布于有限体积的表面，称为“表面力”单位面积上的表面力称为表面力的局部强度，称为“应力”nnTA0limnAAFTnTnst注意：应力和它的作用面的方向有关；是向量，可分解为沿作用面法向的分量（正应力）和切向的分量（切应力）。nTnnnTTnntnTTtnsnTTs应力分量下标第一个符号代表应力作用面的法向量，第二个符号代表应力分量的方向2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质32§1.3作用在流体上的体积力和表面力2）应力的性质相邻两微元面上的表面力是作用力与反作用力相邻微元面上的正应力和切应力值都相等A*An*nF*F*FF**00limlimnnAAAAFFTT***,,nnttssnnnTTnntnTTtnsnTTs****nnnnnnTTTnTn****ntnnntTTTtTt****nsnnnsTTTsTs2017年春-本科生-流体力学§1.3作用在流体上的体积力和表面力流体的物理性质33niinTT1）一点的应力状态：一点上三个相互垂直平面上的应力向量称为一点的应力状态只要知道一点的应力状态，就可确定通过该点任意面上的应力1122331D13D3nnnnhAhAAAAAtVfTTTTh→0时四面体逼近原点，上式中前两项为高阶小量3、一点上的应力张量及其性质动量守恒定理：112233niinnnnTTTTT112233iinnnnneeeeiniAAn2017年春-本科生-流体力学流体的物理性质34§1.3作用在流体上的体积力和表面力2）应力张量一个向量可分解为三个分量于是一点的应力状态还可以用九个代数值组成的矩阵表示