1、流体力学,流体力学,中国矿业大学电力工程学院,第一章,第一章 流体及其物理性质,1.1 流体的概念,1.2 流体的密度和重度,1.3 流体的压缩性与膨胀性,1.4 流体的粘性,1.1 流体的概念,物质的存在状态,气态,液态,固态,分子间距大、相互作用微弱，不能保持一定的体积和形状。可压缩性大。,分子间距较小、相互作用较大，可保持其固有体积，但不能保持形状。,分子间距很小、作用力很大，分子排列规则整齐，能保持一定的形态和体积。,物质的受力和运动特性,流体,固体,不能抵抗切向力，在切向力的作用下可以无限的变形，这种变形称为流动。,能承受一定的切应力，其切应力与变形的大小呈一定的比例关系。,流体的定
2、义,流体是一种受任何微小的剪切力作用时，都会产生连续变形的物质。,流动性是流体的主要特征。,1.1 流体的概念,微观上，流体分子间存在间隙，因此流体的物理量在空间上不是连续分布的。,通常情况下，一个很小的体积内流体的分子数量极多。,流体力学是研究流体的宏观机械运动，它研究的是流体的宏观特性，即大量分子的平均统计特性。,研究流体的宏观机械运动时，可取到宏观上足够小的流体微团，其尺度与所研究问题的特征尺寸相比足够小，同时又包含有足够数量的分子；这种宏观上足够小、微观上足够大的流体微团称为流体质点。,将流体看作是由连续分布的流体质点组成，即在流体力学中将流体假设为由连续分布的流体质点组成的连续介质。
3、,连续介质假说,1.1 流体的概念,连续介质模型,假定流体是由空间上连续分布的流体质点所组成的连续介质。这些流体质点与所研究问题的特征尺寸相比足够小，即宏观上足够小；而又包含足够多的流体分子，呈现大量分子平均特性，即微观上足够大。,分子间存在空隙,引入连续介质模型的目的是什么？,1.1 流体的概念,一、流体的密度,物质维持原有运动状态的特性称为惯性。 衡量惯性大小的物理量是质量或密度。,流体密度的定义,单位体积流体的质量称为流体的密度。,表1-1 常见流体的密度,二、流体的重度,单位体积流体所受的重力称为重度。,1.2 流体的密度和重度,1.3 流体的压缩性与膨胀性,一、流体的压缩性,流体的体
4、积随压力变化的特性称为流体的压缩性。 压缩性的大小用压缩系数来度量。,压缩系数的定义,温度不变时，单位压力的变化所引起的体积的相对变化量称为压缩系数。,或：,上式中，负号表示体积与压力的变化相反，以使压缩系数总为正的。压缩系数越大，表示越容易压缩。,工程上，经常使用“弹性模量”代替压缩系数，表示流体的压缩性。,弹性模量的定义,压缩系数的倒数称为弹性模量，或弹性系数。,弹性模量物理意义是压缩单位体积的流体所要做的功，表示流体反抗压缩的能力。E 值越大，流体越难压缩。,1.3 流体的压缩性与膨胀性,流体的体积随温度变化的特性称为膨胀性。 膨胀性的大小用膨胀系数来度量。,1.3 流体的压缩性与膨胀性
5、,常温常压下，水的弹性模量约为1860MPa，空气的弹性模量大约只有0.14MPa。,工程上，常将液体当成是不可压缩的。,问题：气体是否也可当成是不可压缩的？,膨胀系数的定义,压力不变时，单位温度的变化所引起的体积的相对变化量称为体膨胀系数。,液体的膨胀性很小。除温度变化很大的场合外，在一般工程问题中不必考虑液体的膨胀性。,对实际气体，当压力不大时，满足完全气体状态方程：,1.3 流体的压缩性与膨胀性,1.4 流体的粘性,一、粘性及其表现,实验：2个圆盘放置在充满液体的容器。 下圆盘由电机驱动。,粘性的定义,流体的粘性就是阻止发生剪切变形的一种特性。内摩擦力则是粘性的动力表现。,现象：经过一段
6、时间后，上圆盘也随下 圆盘一起转动。,二、牛顿内摩擦定律,实验装置：2 块平板，平板间充满流体。,实验过程：用力拉动液面上的平板， 直到平板匀速前进。,实验参数：上平板面积 A，平板间距 h 平板运动速度 U，拉力 F。,实验结果：(1) 拉力 F 与平板面积 A 成正比； (2) 拉力 F 与平板速度 U 成正比； (3) 拉力 F 与平板间的距离 h 成反比。,引入比例系数 ,1.4 流体的粘性,由于上平板是匀速运动，故平板在水平方向所受的流体内摩擦力等于拉动平板的力。,上平板单位面积上的摩擦力，即切应力为：,上式中， 称为流体的动力粘度，简称粘度，单位 Pas。 粘度是流体的固有属性。,
7、上式中，U/h 表示在垂直于流速的方向上单位长度的速度增量，即流速在其法线方向上的变化率，称为速度梯度。,1.4 流体的粘性,牛顿内摩擦定律,将牛顿平板实验结果推广到任意速度分布的流体中。,y,u,y+dy,u+du,U = (u+du) u = du,h = (y+dy) y = dy,速度梯度的物理意义,dy,dudt,1.4 流体的粘性,运动粘度,工程上，常用动力粘度 和流体密度 的比值来表示粘度，称为流体的运动粘度，单位是 m2/s。,1.4 流体的粘性,粘度的影响因素：温度和压力,压力的影响很小，通常只需考虑温度的影响。,温度对粘性的影响规律： （1）温度升高时，液体的粘性降低，气体
8、的粘性增加； （2）温度降低时，液体的粘性增加，气体的粘性降低。,为什么温度对液体和气体粘性的影响规律截然相反？,液体的粘性主要由液体分子之间的内聚力引起；温度升高，液体分子间距增大，内聚力减弱，故粘性降低。,造成气体粘性的主要原因在于气体分子的热运动，温度越高，热运动越强烈，所以粘性就越大。,1.4 流体的粘性,粘度的测量,粘度无法直接测量，能够测量到的是粘性的动力表现。也即先测量与粘性有关的物理量，再通过换算得到粘度。,粘性的常用测量方法： （1）管流法； （2）落球法； （3）旋转法。,1.4 流体的粘性,牛顿流体；,牛顿流体与非牛顿流体,塑性体；,伪塑性体；,宾汉体。,粘性流体与理想流体,实际流体都具有粘性。 理想流体就是忽略流体的粘性。,1.4 流体的粘性,第一章小结,【本章重点】,流体的定义，连续介质假说，粘性的定义，牛顿内摩擦定律。,【本章难点】,【学习目标】,准确把握流体的连续介质假说；应用牛顿内摩擦定律解决不同类型的问题。,掌握流体的定义，理解将流体作为连续介质的合理性和必要性；掌握牛顿内摩擦定律，并能用于解决实际问题。,
