天津理工大學(xué)流體力學(xué)流體基本性質(zhì)

1、過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程1-2 1-2 流體質(zhì)點(diǎn)和連續(xù)介質(zhì)流體質(zhì)點(diǎn)和連續(xù)介質(zhì)一、流體一、流體液體：有體積無(wú)形狀液體：有體積無(wú)形狀氣體：無(wú)體積無(wú)形狀氣體：無(wú)體積無(wú)形狀宏觀宏觀表象表象不能承受拉力不能承受拉力不能承受剪切力（平衡狀態(tài)下）不能承受剪切力（平衡狀態(tài)下）力學(xué)力學(xué)性能性能一般定義一般定義：液體和氣體的統(tǒng)稱，它們沒(méi)有一定的形狀，：液體和氣體的統(tǒng)稱，它們沒(méi)有一定的形狀，容易流動(dòng)。（現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典）容易流動(dòng)。（現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典） 力學(xué)定義力學(xué)定義：流體在平衡狀態(tài)下，不能抵抗任何剪切力。：流體在平衡狀態(tài)下，不能抵抗任何剪切力。 過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程二、流體質(zhì)點(diǎn)二、流體質(zhì)點(diǎn)微觀

2、尺寸微觀尺寸足夠大足夠大宏觀尺寸宏觀尺寸非常小非常小有一定的有一定的宏觀物理宏觀物理量量形狀由人形狀由人為劃定為劃定過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程三、連續(xù)介質(zhì)三、連續(xù)介質(zhì) 根據(jù)流體連續(xù)介質(zhì)模型，表征流體性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特根據(jù)流體連續(xù)介質(zhì)模型，表征流體性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特性的物理量和力學(xué)量都是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)。性的物理量和力學(xué)量都是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)。1)1)可用連續(xù)性函數(shù)可用連續(xù)性函數(shù)B (x, y, z, t) 描述流體質(zhì)點(diǎn)物理描述流體質(zhì)點(diǎn)物理量的空間分布和時(shí)間變化；量的空間分布和時(shí)間變化； 2)2)由物理學(xué)基本定律建立流體運(yùn)動(dòng)微分或積分方程，由物理學(xué)基本定律建立流體運(yùn)動(dòng)微分或積分方程，并用連

3、續(xù)函數(shù)理論求解方程。并用連續(xù)函數(shù)理論求解方程。 過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程1-3 1-3 密度、比體積和相對(duì)密度密度、比體積和相對(duì)密度比體積：比體積：1v3mkg單位：相對(duì)密度：相對(duì)密度：md過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程1-4 1-4 壓縮性和膨脹性壓縮性和膨脹性1. 1. 氣體狀態(tài)方程氣體狀態(tài)方程pVnRT主要研究氣體的壓縮性和膨脹性主要研究氣體的壓縮性和膨脹性gpVmR TgRRM令：令：則：則：gpvR T過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程2. 2. 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)1pdVV dT-1單位：k物理意義：壓強(qiáng)不變，每增加單位溫度所產(chǎn)生物理意義：壓強(qiáng)不變，每增加單位溫度

4、所產(chǎn)生的體積相對(duì)變化率。的體積相對(duì)變化率。氣體：氣體：1pT蓋蓋-呂薩克定律呂薩克定律過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程3. 3. 壓縮率壓縮率1TdVV dp -1單位：Pa物理意義：溫度不變，每增加單位壓強(qiáng)所產(chǎn)生物理意義：溫度不變，每增加單位壓強(qiáng)所產(chǎn)生的體積相對(duì)變化率。的體積相對(duì)變化率。氣體：氣體：1Tp過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程4. 4. 體積模量體積模量1TK單位：Pa物理意義：溫度不變，每產(chǎn)生單位體積相對(duì)變物理意義：溫度不變，每產(chǎn)生單位體積相對(duì)變化率所需的壓強(qiáng)變化量?；仕璧膲簭?qiáng)變化量。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程不可壓縮流體不可壓縮流體當(dāng)流體的壓縮性對(duì)所研究的

5、流動(dòng)影響不大，可忽當(dāng)流體的壓縮性對(duì)所研究的流動(dòng)影響不大，可忽略不計(jì)時(shí)，這種流體稱為不可壓縮流體，反之稱略不計(jì)時(shí)，這種流體稱為不可壓縮流體，反之稱為可壓縮流體。為可壓縮流體。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程1-5 1-5 流體的粘性流體的粘性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題：?jiǎn)栴}： F F的大小？的大小？1.1.流體內(nèi)部的速度分布？流體內(nèi)部的速度分布？過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程一、牛頓內(nèi)摩擦定律一、牛頓內(nèi)摩擦定律自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理流體內(nèi)摩擦的概念最早由流體內(nèi)摩擦的概念最早由牛頓（牛頓（I.Newton,1687I.Newton,1687）提出。提出。 0vFA過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝

6、備與控制工程 牛頓內(nèi)摩擦假設(shè)在過(guò)了近一百年后，牛頓內(nèi)摩擦假設(shè)在過(guò)了近一百年后，由庫(kù)侖（）用實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。由庫(kù)侖（）用實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。 普通板普通板涂臘板涂臘板細(xì)砂板細(xì)砂板過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程三種圓板的衰減時(shí)間均相等。三種圓板的衰減時(shí)間均相等。庫(kù)侖得出結(jié)論庫(kù)侖得出結(jié)論: : 衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦衰減的原因，不是圓板與液體之間的相互摩擦 ，而是液體內(nèi)部的摩擦。而是液體內(nèi)部的摩擦。 過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程壁面不滑移假設(shè)壁面不滑移假設(shè)由于流體的易變形由于流體的易變形性，流體與固壁可性，流體與固壁可實(shí)現(xiàn)分子量級(jí)的粘實(shí)現(xiàn)分子量級(jí)的粘附作用。通過(guò)分子附作用。通

7、過(guò)分子內(nèi)聚力使粘附在固內(nèi)聚力使粘附在固壁上的流體質(zhì)點(diǎn)與壁上的流體質(zhì)點(diǎn)與固壁一起運(yùn)動(dòng)或靜固壁一起運(yùn)動(dòng)或靜止。止。 壁面不滑移條件壁面不滑移條件過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程說(shuō)明說(shuō)明 此式不僅適用于液體，也適用于氣體。此式不僅適用于液體，也適用于氣體。 此式表明，流體內(nèi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)就會(huì)此式表明，流體內(nèi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來(lái)抗拒此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生內(nèi)摩擦力來(lái)抗拒此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 切應(yīng)力切應(yīng)力的大小與流體的粘性以及沿運(yùn)動(dòng)垂直的大小與流體的粘性以及沿運(yùn)動(dòng)垂直方向上的速度梯度方向上的速度梯度dv/dydv/dy成正比。成正比。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程0vFA0vdvdy牛

8、頓流體牛頓流體過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程流體力學(xué)所研究的僅限于牛頓流體。流體力學(xué)所研究的僅限于牛頓流體。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程二、流體的粘度二、流體的粘度/dv dy動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度s 單位：Pa/s2單位：m過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程三、粘度的變化規(guī)律三、粘度的變化規(guī)律液體粘度的本質(zhì)：液體粘度的本質(zhì)：分子引力。分子引力。引力越大，粘度引力越大，粘度越大；引力越小，粘度越小。越大；引力越小，粘度越小。溫度溫度升高或升高或壓力壓力減小時(shí)減小時(shí): : 液體分子間平均距離增液體分子間平均距離增大，內(nèi)聚力減小，使粘度

9、相應(yīng)減小。大，內(nèi)聚力減小，使粘度相應(yīng)減小。 溫度降低或壓力增大時(shí)溫度降低或壓力增大時(shí): : 液體分子間平均距離減液體分子間平均距離減小，內(nèi)聚力增大，使粘度相應(yīng)增加。小，內(nèi)聚力增大，使粘度相應(yīng)增加。 過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程13vl氣體粘度的本質(zhì)：氣體粘度的本質(zhì)：分子熱運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng): :平均自由程。自由程是指一個(gè)分子與其它分子平均自由程。自由程是指一個(gè)分子與其它分子相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過(guò)的直線路程。相繼兩次碰撞之間，經(jīng)過(guò)的直線路程。l氣體粘度的變化規(guī)律與液體氣體粘度的變化規(guī)律與液體相反相反。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程四、理想流體四、理想

10、流體 實(shí)際流體都具有粘性。當(dāng)粘性力對(duì)流動(dòng)影響很實(shí)際流體都具有粘性。當(dāng)粘性力對(duì)流動(dòng)影響很小時(shí)，假設(shè)流體沒(méi)有粘度，這種無(wú)粘度的假想的流小時(shí)，假設(shè)流體沒(méi)有粘度，這種無(wú)粘度的假想的流體模型稱為理想流體。引入理想流體模型后，大大體模型稱為理想流體。引入理想流體模型后，大大簡(jiǎn)化了流體力學(xué)問(wèn)題的分析和計(jì)算。簡(jiǎn)化了流體力學(xué)問(wèn)題的分析和計(jì)算。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程問(wèn)題：?jiǎn)栴}：過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程1-6 1-6 表面張力表面張力一、表面張力的形成一、表面張力的形成BCArrr過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程液

11、體和固體接觸液體和固體接觸 當(dāng)內(nèi)聚力附著力當(dāng)內(nèi)聚力附著力液體分子有被拉回去趨勢(shì)，液體分子有被拉回去趨勢(shì)，接觸面盡可能小接觸面盡可能小液體不能侵潤(rùn)（水銀和玻璃接觸液體不能侵潤(rùn)（水銀和玻璃接觸，水和石蠟接觸），水和石蠟接觸）液體分子液體分子一方面受固體分子引力一方面受固體分子引力附著力附著力一方面受液體分子引力一方面受液體分子引力內(nèi)聚力內(nèi)聚力 二、毛細(xì)現(xiàn)象二、毛細(xì)現(xiàn)象過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程 當(dāng)內(nèi)聚力附著力當(dāng)內(nèi)聚力附著力液體能侵潤(rùn)（水和玻璃接觸）液體能侵潤(rùn)（水和玻璃接觸） 在有細(xì)小縫隙、能侵潤(rùn)情況下，液體沿縫隙上升；在有細(xì)小縫隙、能侵潤(rùn)情況下，液體沿縫隙上升；在不能侵潤(rùn)情況下，液體沿縫隙下降在不能侵潤(rùn)情況下，液體沿縫隙下降毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象。過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程水與玻璃的可侵潤(rùn)水與荷葉的不可侵潤(rùn)過(guò)程裝備與控制工程過(guò)程裝備與控制工程三、汽化壓強(qiáng)（蒸汽壓）三、汽化壓強(qiáng)（蒸汽壓）沸騰沸騰：溫度升高，：溫度升高，分