流体力学第一章.ppt
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1、第第第第一一一一章章章章|流体的易流动性有形和无形|流体的惯性密度、重度、比体积、比重|输运性质(含粘性)|可压缩性和膨胀性|表面张力与毛细现象流体的物理性质Physical characteristics易易流流动动性性无无形形和和有有形形一点上的流体密度(一点上的流体密度(densitydensity)一点上的流体重度(一点上的流体重度(specific weightspecific weight)一点上的流体比体积或比容一点上的流体比体积或比容 (specific volumespecific volume)1-11-1惯性密度zyxoVMGA流体微团质点P(x,y,z)流体的流体的 的
2、换算关系的换算关系其中,g=9.8m/s21-11-1密密度度、重重度度、比比容容、比比重重|流体的密度与哪些因素有关?流体的种类压强和温度组成成份空间位置|举例:大气和海水15km6km比重(比重(specific gravityspecific gravity)1-11-1密密度度、重重度度、比比容容、比比重重物体的重量与同体积的 蒸馏水的重量之比。以下标w代表 蒸馏水的相应物理量,则比重:蒸馏水的比重为1,在SI制中蒸馏水的密度蒸馏水的重度蒸馏水的比体积密度、重度密度、重度 、比体积与流体比重的关系、比体积与流体比重的关系记住:289K即 ,空气密度 标准大气压|动量输送粘性 visco
3、sity 相邻层的动量交换引起1-2流体的输运性质|热能输送热传导 heat conduction 温度分布不均引起|质量输送扩散 diffusion 质量或密度分布不均引起1-2流体的粘性固体力学中的摩擦力固体力学中的摩擦力流体中的摩擦力流体中的摩擦力固体力学中的摩擦力计算固体力学中的摩擦力计算流体中的摩擦力计算流体中的摩擦力计算固体力学中的摩擦力作用固体力学中的摩擦力作用流体中的摩擦力作用流体中的摩擦力作用|注意对比流体与固体的不同1-2流体的粘性|动量输送粘性 viscosity 流体在运动状态下具有抵抗由于相对运动引流体在运动状态下具有抵抗由于相对运动引起的剪切变形的能力,从而在内部产
4、生切应力的起的剪切变形的能力,从而在内部产生切应力的这种性质叫作流体的粘性。是流动产生机械能损这种性质叫作流体的粘性。是流动产生机械能损失的根源。失的根源。流体的粘性来源于流体分子之间的内聚力内聚力和相邻流动层之间的动量交换动量交换。1-2流体的粘性|粘性作用的描述流体处于平衡状态时,其粘性无从表现,只有当流体运流体运动动时,流体的粘性才能显示出来。F1.Physical characteristicsViscosityThe shear changes the cuboid into a parallelepiped.The force F acting tangential on the
5、area A is called shear stress (tau).After the time t the upper area has traveled a distance D to the right.This causes the vertical sides of the fluid element to tilt and to elongate.The deformation is described by the strain,the ratio of displacement D over separation height H.The change of strain
6、with respect to time is the strain rate or shear velocity.A fluid is a substance that deforms continuously when subjected to a shear stress(=a force tangent to a surface that is divided by the area of that surface).1.Physical characteristicsViscosityA fluid is a substance that deforms continuously w
7、hen subjected to a shear stress(=a force tangent to a surface that is divided by the area of that surface).t1:element of mattert2 t1:constant shear stress deforms elementThe deformation of a solid element under constant shear stress is fixed.A fluid element under constant shear stress keeps on defor
8、ming,it flows.Difference between Fluid and Solidt3 t2:constant shear stress deforms elementfluid3 2 vsolid3=2 22The shear changes the quadrilateral into a parallelogram.1-2流体的粘性|牛顿内摩擦定律平板拖拽实验发现:平板拖拽实验发现:与两板之间的微小距离成反比:推动上板的外力F与其运动速度U及摩擦面积A成正比:比例常数与充入两板之间的流体种类及其温度压强状况有关。流体的粘性切应力切应力速度梯度设速度分布为设速度分布为则切应力
9、1-2流体的粘性|流体微团的剪切角变形率注意:固体是怎样的?注意:固体是怎样的?D C A B D1 C1 A1 B1|牛顿内摩擦定律一般形式1-2流体的粘性设速度分布为则切应力最简单形式注意:固体是怎样的?注意:固体是怎样的?|牛顿内摩擦定律的物理意义1-2流体的粘性牛顿内摩擦力定律表明:牛顿内摩擦力定律表明:2、切应力的大小取决于剪切角的变形率;与固体的切应力取决于剪切角显然不同。1、相邻两层的内摩擦力与正压力无关。与固体力学里的摩擦力显然不同。3、只要切应力不为零,变形率就不为零,这是流体易流性的数学表达形式。5、速度梯度不会趋于无穷大,而是保持有限值。因为总有一层流体与固体壁面之间无相
10、对滑动。4、只要速度梯度为零,切应力就为零,流体必然静止。|牛顿流体和非牛顿流体1-2流体的粘性满足简单牛顿内摩擦定律的是牛顿流体,否则是满足简单牛顿内摩擦定律的是牛顿流体,否则是非牛顿流体非牛顿流体切应力切应力变形率变形率屈屈服服应应力力理想塑性流体理想塑性流体(Bingham fluid)胀塑性流体胀塑性流体拟塑性流体拟塑性流体牛顿流体牛顿流体1.非时变性非牛顿流体非时变性非牛顿流体1-2流体的粘性2.时变性非牛顿流体时变性非牛顿流体切切应应力力时间时间触稠流体触稠流体触变流体触变流体3.粘弹性流体粘弹性流体射流胀大射流胀大爬杆效应爬杆效应无管虹吸无管虹吸速度分布速度分布牛顿流体牛顿流体
11、非牛顿流体非牛顿流体触稠流体:触稠流体:随时间增大随时间增大触变流体:触变流体:随时间减小随时间减小|流体的粘度1-2流体的粘性动力粘度代表单位速度梯度下的切应力,动力学量纲代表单位速度梯度下的切应力,动力学量纲动力粘度与液体密度的比值,运动学量纲动力粘度与液体密度的比值,运动学量纲运动粘度动力粘度大的流体,其运动粘度一定大?利利用用牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律计计算算流流体体的的粘粘性性摩摩擦擦力力时时,只只要要缝缝隙隙尺尺寸寸较较小小,不不论论任任何何速速度度曲曲线线总总可可以以近近似似地地看看成成是是直直线线,用用平平均均的的速速度度梯梯度度近近似似地地代代表表液液流流与与固固体体接接触
12、触表面处的速度梯度。表面处的速度梯度。|牛顿内摩擦定律应用举例1-2流体的粘性a1.1.同心环形缝隙中的直线运动同心环形缝隙中的直线运动 如图,假定缝隙 ,则缝隙中液流的速度分布规律 近似为直线关系。1-2流体的粘性 速度梯度为速度梯度为 切应力为切应力为 摩擦面积为摩擦面积为 流体对柱塞的摩擦力为流体对柱塞的摩擦力为柱塞克服摩擦力所需要的功率为柱塞克服摩擦力所需要的功率为1-2流体的粘性2.2.同心环形缝隙中的回转运动同心环形缝隙中的回转运动 如图,同心缝隙 ,速度分布 假定近似为直线规律 。轴表面速度梯度为轴表面速度梯度为切应力为切应力为摩擦面积为摩擦面积为流体作用在轴表面上的摩擦力为流体
13、作用在轴表面上的摩擦力为流体作用在轴上的摩擦力矩为流体作用在轴上的摩擦力矩为轴克服摩擦力所需要的功率为轴克服摩擦力所需要的功率为1-2流体的粘性3.3.圆盘缝隙中的回转运动圆盘缝隙中的回转运动如图,直径为d的圆盘以转速n或角速度 回转,因缝隙很小 ,各层流体的速度分布 可近似假定为直线规律。B点半径为r。B B点的速度梯度为点的速度梯度为上盘下表面切应力为上盘下表面切应力为B B点微元摩擦面积为点微元摩擦面积为流体对微元表面的摩擦力流体对微元表面的摩擦力流体对微元表面的摩擦力矩流体对微元表面的摩擦力矩流体对上圆盘的总摩擦力矩流体对上圆盘的总摩擦力矩上盘克服摩擦所需要的功率上盘克服摩擦所需要的功
14、率例例题题1-21-2如如图图长长L=10cmL=10cm、直直径径d=8cmd=8cm的的柱柱塞塞在在缸缸筒筒中中作作往往复复运运动动,在在柱柱塞塞与与缸缸筒筒的的同同心心环环形形间间隙隙=0.5=0.5mmmm中中充充满满动动力力粘粘度度 的的油油液液。柱柱塞塞位移为简谐运动规律位移为简谐运动规律 柱柱塞塞最最大大行行程程a=20cma=20cm,柱柱塞塞往往复复频频率率为为每每分分钟钟n=360n=360次次。忽忽略略柱柱塞塞惯惯性性力力,试试求求柱柱塞塞克克服服液液体体摩摩擦所需要的平均功率。擦所需要的平均功率。1-2流体的粘性|粘度的测定1-2流体的粘性直接测定法:借助于粘性流动理论
15、中的基本公式。直接测定法:借助于粘性流动理论中的基本公式。间接测定法:如图。间接测定法:如图。(1 1)测待测流体在)测待测流体在t to oC C下下流出流出V V所需时间为所需时间为T T1 1秒。秒。(2 2)测蒸馏水在)测蒸馏水在2020o oC C下下流出流出V V所需时间为所需时间为T T2 2秒。秒。比值比值称为待测流体在称为待测流体在t to oC C时的时的恩氏度。恩氏度。利用恩氏粘度计的经验利用恩氏粘度计的经验公式,求出流体在公式,求出流体在t to oC C时的时的 。恩式粘度计1-2流体的粘性 例题例题1-31-3如图如图,为转筒式粘度计为转筒式粘度计示意图,在两个同心
16、圆筒之间充满示意图,在两个同心圆筒之间充满待测液体,外筒匀速旋转,带动缝待测液体,外筒匀速旋转,带动缝隙中的液体,并给内筒一个摩擦力隙中的液体,并给内筒一个摩擦力矩。为保持内筒不动,通过连接在矩。为保持内筒不动,通过连接在内筒外表面上的钢丝滑轮法码组施内筒外表面上的钢丝滑轮法码组施加一个平衡力矩。已知内筒外直径加一个平衡力矩。已知内筒外直径d=70mmd=70mm,外筒内直径外筒内直径D=72 mmD=72 mm,同心同心环形缝隙与端面缝隙尺寸相等,内环形缝隙与端面缝隙尺寸相等,内筒在液体中的深度筒在液体中的深度l=15cml=15cm,外筒转外筒转速速n=36r/minn=36r/min。对
17、三种液体(重油、对三种液体(重油、原油、轻油)分别测得其平衡砝码原油、轻油)分别测得其平衡砝码重量为重量为G=1NG=1N、0.1N0.1N、及及0.010.01N N。试求试求这三种液体的动力粘度。这三种液体的动力粘度。1-2流体的粘性 解解:这是包括同心环形缝隙及圆盘缝隙在内的一 个回转运动的问题,缝隙 环形缝隙是外筒旋转、内筒固定,在外筒处液体圆周速度 、内筒处液体圆周速度为零。环形缝隙中的速度梯度液体中的切应力 液体作用在内筒侧表面上的摩擦力1-2流体的粘性 液体作用在内筒端面上的摩擦力矩液体作用在内筒侧面上的摩擦力矩 砝码对内筒的平衡力矩 根据内筒的例句平衡条件 可得称仪器常数解出代
18、入已知条件可得:重油的动力粘度 原油的动力粘度 轻油的动力粘度|粘度的变化规律1-2流体的粘性液体粘度随温度和压强按指数律变化一般随温度的升高而减小。液体粘度的变化规律液体粘度的变化规律|液体粘度液体粘度受压强的影响不很显著,受温度的影响非常明显。气体的都明显。气体的粘度一般随温度的升高而增大 气体粘度的变化规律气体粘度的变化规律v、l液均与温度成正比,压强成反比 液液体体粘粘度度的的大大小小取取决决于于分分子子间间距距和和分分子子引引力力;气气体体粘粘度度的的大大小小取取决决于于分分子热运动所产生的动量交换。子热运动所产生的动量交换。|流体粘性的应用1-2流体的粘性润滑润滑机床导轨机床导轨空
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