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流体主要物理性质流体主要物理性质1本讲稿第一页，共二十二页在研究流体静止和运动之前，首先要了解流体的内在属性，即流体的物理性质。包括密度、压缩性、膨胀性、粘性等。其中，粘性是流体物理性质中最重要的特性。前言2本讲稿第二页，共二十二页第一节 流体的概念凡是没有固定的形状易于流动的物质就叫流体。即液体和气体。流体与固体的差别表现为：固体可以承受拉力、压力和切应力，流体却只能承受压力，几乎不能承受拉力，在极小切应力下就会出现连续的变形流动。3本讲稿第三页，共二十二页流体与固体的区别流体与固体的区别从微观角度看从微观角度看 流体和其它物体一样，都是由大量不连续分布的分子组成，流体和其它物体一样，都是由大量不连续分布的分子组成，分子间有间隙。分子间有间隙。从宏观角度看从宏观角度看 流体是在空间和时间上连续分布的介质。流体是在空间和时间上连续分布的介质。17751775年欧拉在建立流体运动的微分方程时，就是采用连续年欧拉在建立流体运动的微分方程时，就是采用连续介质这样一个基本假说，并在实践中得到了证实，该假说的合介质这样一个基本假说，并在实践中得到了证实，该假说的合理性。理性。流体微团（流体质点）：流体微团（流体质点）：宏观上足够小，微观上足够大的微宏观上足够小，微观上足够大的微体积内的流体。体积内的流体。4本讲稿第四页，共二十二页第二节 流体的基本物理性质密度重度相对密度常见的密度（在一个标准大气压下）：4时的水20时的空气5本讲稿第五页，共二十二页热膨胀性和可压缩性热膨胀性和可压缩性热膨胀性：热膨胀性：流体体积随温度升高而增大的性质。它的物理意义是流体体积随温度升高而增大的性质。它的物理意义是单位温度变化所引起的体积的相对变化率。液体的热膨胀性很小，单位温度变化所引起的体积的相对变化率。液体的热膨胀性很小，一般可以忽略不计。气体的热膨胀系数为一般可以忽略不计。气体的热膨胀系数为1/273，不可忽略，不可忽略压缩性：压缩性：在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质。它的物理在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质。它的物理意义是单位压强变化所引起的体积的相对变化率。（意义是单位压强变化所引起的体积的相对变化率。（Pa-1）体积模量：体积模量：体积压缩率的倒数。体积压缩率的倒数。6本讲稿第六页，共二十二页流体的粘性流体的粘性 粘性：粘性：在外力作用下，流体微元间出现在外力作用下，流体微元间出现相对运动相对运动时，时，随之产生阻抗相对运动的内摩擦力随之产生阻抗相对运动的内摩擦力微观机制：微观机制：分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换分子间吸引力、分子不规则运动的动量交换牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：切应力：切应力：数学含义：垂直于流动方向的流速梯度。数学含义：垂直于流动方向的流速梯度。物理含义：运动流体的剪切变形速率。物理含义：运动流体的剪切变形速率。7本讲稿第七页，共二十二页角变形速度（剪切变形速度）速度梯度的物理意义vdt(u+du)dtdudtdyd流体流体与与固体固体在摩擦规律上完全不同正比于du/dy正比于正压力，与速度无关流体的粘性流体的粘性dy8本讲稿第八页，共二十二页 动力粘度、动力粘度、=/运动粘度系数运动粘度系数注意：液体和气体的粘度随温度变化规律不同。注意：液体和气体的粘度随温度变化规律不同。动力粘度和运动粘度动力粘度和运动粘度温度掌握两种粘度的单位计量方式9本讲稿第九页，共二十二页粘度的测量方法绝对粘度 ：毛细管粘度计、旋转粘度计相对粘度 ：恩氏粘度计测定200ml被测液体从恩氏粘度计流出的时间200ml，20度的纯水从恩氏粘度计流出的时间与运动粘度的换算关系10本讲稿第十页，共二十二页例：汽缸内壁的直径例：汽缸内壁的直径D D=12=12cmcm，活塞的直径，活塞的直径d d=11.96=11.96cmcm，活塞长度，活塞长度L L=14=14cmcm，活塞往复运动的速度为，活塞往复运动的速度为1 1m/sm/s，润滑油的，润滑油的 =0.1Pas0.1Pas。求作用在活。求作用在活塞上的粘性力。塞上的粘性力。解：注意：面积、速度梯度的取法dDL11本讲稿第十一页，共二十二页例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速例：旋转圆筒粘度计，外筒固定，内筒转速n=10r/minn=10r/min。内外筒间。内外筒间充入实验液体。内筒充入实验液体。内筒r r1 1=1.93cm=1.93cm，外筒，外筒 r r2 2=2cm=2cm，内筒高，内筒高h=7cmh=7cm，转轴，转轴上扭距上扭距M=0.0045NmM=0.0045Nm。求该实验液体的粘度。求该实验液体的粘度。解：注意：1.面积A的取法；2.单位统一hnr1r2得解：注意：1.面积A的取法；2.单位统一得12本讲稿第十二页，共二十二页表面张力表面张力：由分子的内聚力引起单位：N/m发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的发生在液气接触的周界、液固接触的周界、不同液体接触的周界周界毛细现象：毛细现象：液固接触液固间附着力大于液体的内聚力液固间附着力大于液体的内聚力液固间附着力小于液体的内聚力液固间附着力小于液体的内聚力表面张力和毛细管现象表面张力和毛细管现象思考：水和养分为什么能够到达参天大树的枝叶？思考：水和养分为什么能够到达参天大树的枝叶？凹上升h凸下降h13本讲稿第十三页，共二十二页第三节 作用在流体上的力流体无论处于运动或平衡状态，都受到各种力的作用。按力的物理性质不同来划分，可分为重力、惯性力、弹性力和粘滞力。按力的作用方式不同，可分为：质量力和表面力两种。14本讲稿第十四页，共二十二页一、质量力一、质量力作用在流体每一质点上，其大小与流体质量成正比：G=mg直线惯性力：I=ma离心惯性力：这三种力都与液体质量m成正比，且都作用在质点中心上，因而称为质量力15本讲稿第十五页，共二十二页二、表面力二、表面力表面力作用于流体的表面上，并与受作用的流体表面积成正比。表面力包括外力和内力。垂直与作用面的力，称为法向力（压力）；平行与流体作用面的，称为切向力（内摩擦力）连续流体中，表面力是在流体表面连续分布的力。因此使用单位面积上的表面力来表述，称为应力。16本讲稿第十六页，共二十二页第四节第四节 流体的各种模型流体的各种模型本节主要介绍几个概念：连续介质理想流体：不考虑粘度、可压缩性、膨胀性等物理性质的流体不可压缩流体牛顿流体与非牛顿流体17本讲稿第十七页，共二十二页牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体实际流体（实际流体（0）与理想流体（）与理想流体（=0）牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体（水、大部分轻油、气体等）假塑性流体的增长率随dv/dz的增大而降低（高分子溶液、纸浆、血液等）塑性流体克服初始应力0后，才与速度梯度成正比（牙膏、新拌水泥砂浆、中等浓度的悬浮液等）膨胀型流体的增长率随dv/dz的增大而增加（淀粉糊、挟沙水流）18本讲稿第十八页，共二十二页本章小结本章小结流体的分类：流体的分类：本章重点：本章重点：连续介质假设，牛顿内摩擦定律连续介质假设，牛顿内摩擦定律思考题：思考题：1、流体的基本特性是什么？2、粘度的表示方法以及粘度与温度和压力的关系；3、动力粘性系数和运动粘性系数的区别和联系是什么？4、什么是流体的连续介质模型；为何提出连续介质概念？19本讲稿第十九页，共二十二页恩氏粘度计恩氏粘度计20本讲稿第二十页，共二十二页毛细管粘度计和毛细管粘度计和21本讲稿第二十一页，共二十二页旋转粘度计旋转粘度计22本讲稿第二十二页，共二十二页