1、1第一节 流体的概念一、流体的特征一、流体的特征流动性流动性在在任意微小的剪切力任意微小的剪切力作用下使流体发生作用下使流体发生连续的剪连续的剪切变形切变形流动流动。能够流动的物质称为能够流动的物质称为流体流体。流动性是流体的主要。流动性是流体的主要特征。特征。流体可分为流体可分为液体和气体。液体和气体。GnGG2第一节 流体的概念流体与固体的区别流体与固体的区别 固体的变形与受力的大小成正比；固体的变形与受力的大小成正比；任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形；一、流体的特征一、流体的特征流动性流动性(续续)液体与气体的区别液体与气体的区别
2、液体的流动性小于气体；液体的流动性小于气体；液体具有一定的体积，并取决于容器的形状；气液体具有一定的体积，并取决于容器的形状；气体充满任何容器，而无一定体积体充满任何容器，而无一定体积。流体没有固定形状，其形状取决于容器的形状。流体没有固定形状，其形状取决于容器的形状。流动性流动性形状不定形状不定3第一节 流体的概念一、流体的特征一、流体的特征受力特性受力特性 流体流体在静止时不能在静止时不能承受承受剪切力，抵抗剪切变形。剪切力，抵抗剪切变形。流体流体只有在运动状态只有在运动状态下下，当流体质点之间有，当流体质点之间有相对运动时，相对运动时，才能才能抵抗抵抗剪切变形。剪切变形。只要有剪切力只要
3、有剪切力的作用，流体的作用，流体就不会静止下就不会静止下来，发生连续来，发生连续变形而流动。变形而流动。作用在流体上的剪切力不论作用在流体上的剪切力不论多么微小，只要有足够的时多么微小，只要有足够的时间，便能产生任意大的变形。间，便能产生任意大的变形。运动流体抵抗剪切变形的能力（产生剪切应力的大小）体现在运动流体抵抗剪切变形的能力（产生剪切应力的大小）体现在变形的速率上，而不是变形的大小（与弹性体的不同之处）。变形的速率上，而不是变形的大小（与弹性体的不同之处）。4第一节 流体的概念一、流体的特征一、流体的特征受力特性（续）受力特性（续）？流体是否可以承受拉力、切应流体是否可以承受拉力、切应力
4、、压力？有无静摩擦力？力、压力？有无静摩擦力？5第一节 流体的概念 微观上：流体分子距离的存在以及分子运动的微观上：流体分子距离的存在以及分子运动的 随机性使得流体的各物理量在时间和空随机性使得流体的各物理量在时间和空 间上的分布都是不连续的。间上的分布都是不连续的。宏观上：当所讨论问题的特征尺寸远大于流体宏观上：当所讨论问题的特征尺寸远大于流体 的分子平均自由程时，可将流体视为在的分子平均自由程时，可将流体视为在 时间和空间连续分布的函数。时间和空间连续分布的函数。问题的提出问题的提出二、连续介质假说二、连续介质假说6第一节 流体的概念个分子个分子19107.2 1mm3空气空气(1个大气压
5、，个大气压，00C)宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，宏观（流体力学处理问题的尺度）上看，流体质点足够小，只占据一个空间几何点，体积趋于零。只占据一个空间几何点，体积趋于零。微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的微观（分子自由程的尺度）上看，流体质点是一个足够大的分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为分子团，包含了足够多的流体分子，以致于对这些分子行为的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要的统计平均值将是稳定的，作为表征流体物理特性和运动要素的物理量定义在流体质点上。素的物理量定义在流体质点上。流体质点概念流体质点概念二、连续介质假说
6、（续）二、连续介质假说（续）宏观宏观无限小无限小微观微观无限大无限大7第一节 流体的概念流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成流体质点的运动过程是连续的；表征流体的一切特性可看成 是时间和空间连续分布的函数是时间和空间连续分布的函数流 体 介 质 是 由 连 续 的 流 体 质 点 所 组 成，流 体 介 质 是 由 连 续 的 流 体 质 点 所 组 成，流 体 质 点 占流 体 质 点 占 满空间而没有间隙。满空间而没有间隙。连续介质假说连续介质假说特例特例航天器在高空稀薄的空气中的运行航天器在高空稀薄的空气中的运行血液在毛细血管中的流动血液在毛细血管中的流动 二、连续介质假
7、说（续）二、连续介质假说（续）8第二节流体的密度和重度第二节流体的密度和重度一、流体的密度一、流体的密度单位体积的流体所包含的质量称为密度，用单位体积的流体所包含的质量称为密度，用表表示。示。v 常压常温下，空气的密度大约是水的常压常温下，空气的密度大约是水的 1/800v 一般取汞密度为水密度的一般取汞密度为水密度的13.6倍倍30d/dlimVmmkg mVV3kg/m1000水v 1大气压，大气压，40C 1大气压，大气压，200C3/20.1mkg空气9第二节流体的密度和重度第二节流体的密度和重度二、流体的重度二、流体的重度单位体积的流体所的受的重力，用单位体积的流体所的受的重力，用表
8、示。表示。3/gN m10第三节流体的压缩性与膨胀性第三节流体的压缩性与膨胀性一、流体的压缩性一、流体的压缩性流体受压体积减小的性质称为压缩性。流体受压体积减小的性质称为压缩性。VV-Vpp+p压缩系数压缩系数pVVpVVpdd1d/d21 d1 d/ddpVmNVpp 21d/dppEN m弹性模数弹性模数11第三节流体的压缩性与膨胀性第三节流体的压缩性与膨胀性二、流体的膨胀性二、流体的膨胀性流体受温度影响体积变化的性质。流体受温度影响体积变化的性质。VV+VTT+T膨胀系数膨胀系数）（K/1dd1d/dTVVTVVt12第三节流体的压缩性与膨胀性第三节流体的压缩性与膨胀性EpVVVppVV
9、VpVVp1dd1211212396211010210)26(5.0EpVVV 例例11厚壁容器中盛有厚壁容器中盛有0.5 m3的水，初始压力为的水，初始压力为2106 Pa。当压力增至。当压力增至6106 Pa时，问水的时，问水的体积减少体积减少了多少了多少?解解取水的弹性模数取水的弹性模数E2109 Pa，体积减少量为体积减少量为 (m3)13第四节流体的粘性第四节流体的粘性一、粘性及其表现一、粘性及其表现运动流体内存在内摩擦力的特性（有抵抗剪切变运动流体内存在内摩擦力的特性（有抵抗剪切变形的能力），这就是粘滞性。形的能力），这就是粘滞性。nn 14第四节流体的粘性第四节流体的粘性形成牛顿
10、形成牛顿内摩擦力内摩擦力物理机理物理机理 分子间的吸引力分子间的吸引力 分子运动引起流分子运动引起流体层间的动量交换体层间的动量交换液体液体以此以此为主为主气体气体以此以此为主为主一、粘性及其表现（续）一、粘性及其表现（续）15第四节流体的粘性第四节流体的粘性二、牛顿内摩擦定律二、牛顿内摩擦定律hUAF(N/m2)hUhUAFTF，16第四节流体的粘性第四节流体的粘性二、牛顿内摩擦定律（续）二、牛顿内摩擦定律（续）dtdtdtytuyutandddd17第四节流体的粘性第四节流体的粘性二、牛顿内摩擦定律（续）二、牛顿内摩擦定律（续）dtdyudd粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度
11、成正比；(2)(2)粘性切应力与角变形速率成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；(3)(3)比例系数称动力粘度，简称粘度。比例系数称动力粘度，简称粘度。18第四节流体的粘性第四节流体的粘性三、粘性的度量动力粘度和运动粘度三、粘性的度量动力粘度和运动粘度()/Pa sdu dy动力粘度动力粘度2(/)ms运动粘度运动粘度温度对流体粘度的影响？温度对流体粘度的影响？动力粘度越大，说明流动阻力越大；动力粘度越大，说明流动阻力越大；运动粘度越大，说明流动性好。运动粘度越大，说明流动性好。19第四节流体的粘性第四节流体的粘性三、粘性的度量恩氏粘度三、粘性的度量恩氏粘度E=t/t0=(0.0732E-0.
12、0631/E)10-4 (m2/s)理想流体，牛顿流体理想流体，牛顿流体20第四节流体的粘性第四节流体的粘性例例12相距为相距为h=10 mm的两固定平板间充满动力粘度的两固定平板间充满动力粘度=1.49 Pas的甘的甘油，若两板间甘油的速度分布为油，若两板间甘油的速度分布为u=4000y(h-y)，则，则(1)若上板的面积若上板的面积A=0.2 m2，求使上板固定不动所需的水平作用力，求使上板固定不动所需的水平作用力F；(2)求求y=h/3和和2h/3处的内摩擦应力，处的内摩擦应力，并说明正负号的意义。并说明正负号的意义。解解：(1)=du/dy=4000(h-2y)设上板处流体所受的内摩擦
13、应设上板处流体所受的内摩擦应力为力为0，则上板所受的内摩擦应力，则上板所受的内摩擦应力0=-0，F=-A0=-0.240001.49(0.01-20.01)=11.92(N)(方向如图示方向如图示)21第四节流体的粘性第四节流体的粘性例例12相距为相距为h=10 mm的两固定平板间充满动力粘度的两固定平板间充满动力粘度=1.49 Pas的甘的甘油，若两板间甘油的速度分布为油，若两板间甘油的速度分布为u=4000y(h-y)，则，则(1)若上板的面积若上板的面积A=0.2 m2，求使上板固定不动所需的水平作用力，求使上板固定不动所需的水平作用力F；(2)求求y=h/3和和2h/3处的内摩擦应力，
14、处的内摩擦应力，并说明正负号的意义。并说明正负号的意义。解解：(2)y=h/3时，时，=40001.49(0.01-20.01/3)=19.9(N/m2)y=2/3 h时，时，=4 0001.49(0.01-40.01/3)=-19.9(N/m2)y=h/3y=2/3xy22补充例题1图示油缸尺寸为图示油缸尺寸为 d=12 cm，l14 cm，=0.02 cm，所充油的所充油的=0.65 10-1Pas。试求当活塞以速度。试求当活塞以速度 v=0.5 m/s 运动时所需拉力运动时所需拉力 F为多少？为多少？解解:由牛顿内摩擦定律知由牛顿内摩擦定律知VAF 式中式中dlA由此得由此得NVAF57.823流体及其物理性质小结1.主要概念：流动性及流体、密度、压缩性、膨胀性、主要概念：流动性及流体、密度、压缩性、膨胀性、粘性、动力粘度、运动粘度粘性、动力粘度、运动粘度2.水水=1000kg/m3，空气空气=1.2kg/m3，汞汞=13.6水水3.dyduAFx作业：作业：1-1，1-3，1-9，1-12，1-13
