第一章 流体及其主要物理性质.ppt
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1、第一章第一章 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1-1 1-1 流体的概念流体的概念1-2 1-2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质1-3 1-3 作用在流体上的力作用在流体上的力 1 1、定定义义:指指具具有有流流动动性性且且自自身身不不能能保保持一定形状的物体,如气体和液体持一定形状的物体,如气体和液体。一、流体的定义和特征一、流体的定义和特征流流 动动即即流流体体受受切切应应力时产生的变形力时产生的变形1-1 1-1 流体的概念流体的概念2 2、特征、特征 流流体体只只能能承承受受压压力力,不不能能承承受受拉拉力力,在在即即使使是是很很小小剪剪切切力力的的作用下也将流动(变形)
2、不止,直到剪切力消失为止。作用下也将流动(变形)不止,直到剪切力消失为止。没没有有固固定定的的形形状状,液液体体的的形形状状取取决决于于盛盛装装它它的的容容器器;气气体体完完全充满容器。全充满容器。流流体体具具有有可可压压缩缩性性;液液体体可可压压缩缩性性小小,水水受受压压从从1 1个个大大气气压压增增加至加至100100个大气压时,体积仅减小个大气压时,体积仅减小0.5%0.5%;气体可压缩性大。;气体可压缩性大。流体具有明显的流动性;气体的流动性大于液体。流体具有明显的流动性;气体的流动性大于液体。3、物质的三态、物质的三态在地球上,物质存在的主要形式有:固体、液体和气体。在地球上,物质存
3、在的主要形式有:固体、液体和气体。n流体和固体的区别流体和固体的区别:从力学分析的意义上看,在于它们从力学分析的意义上看,在于它们对外力抵抗的能力不同。对外力抵抗的能力不同。n液体和气体的区别:液体和气体的区别:(1)气体易于压缩;而液体难于压缩;气体易于压缩;而液体难于压缩;(2)液体有一定的体积,存在一个自由液面;气体能充满任液体有一定的体积,存在一个自由液面;气体能充满任意形状的容器,无一定的体积,不存在自由液面。意形状的容器,无一定的体积,不存在自由液面。n液体和气体的共同点:液体和气体的共同点:两者均具有易流动性,即在任何微两者均具有易流动性,即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流
4、动,故二者统称为小切应力作用下都会发生变形或流动,故二者统称为流体流体。有无固定的体有无固定的体积?积?能否形成能否形成自由表面?自由表面?是否容易是否容易被压缩?被压缩?流体流体气体气体无无否否易易液体液体有有能能不易不易 液体、气体与固体的区别液体、气体与固体的区别 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
5、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、二、流体质点与流体的连续介质模型流体质点与流体的连续介质模型(连续介质假设)(连续介质假设)宏宏观观(流流体体力力学学处处理理问问题题的的尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点足足够够小小,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。微微观观(分分子子自自由由程程的的尺尺度度)上上看看,流流体体质质点点是是一一个个足足够够大大的的分分子子团团,包包含含了了足足够够多多的的流流体体分分子子,以以致致于于对对这这些些分分子子行行为为的的统统计计平平均均值值将将是是稳稳定定的的,
6、作作为为表表征征流流体体物物理理特特性性和和运运动动要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微观:微观:流体是由大量做无规则运动的分子组成的,分子之间存流体是由大量做无规则运动的分子组成的,分子之间存在空隙,但在标准状况下,在空隙,但在标准状况下,1cm3液体中含有液体中含有3.31022个左右的分个左右的分子,相邻分子间的距离约为子,相邻分子间的距离约为3.110-8cm。1cm3气体中含有气体中含有2.71019个左右的分子,相邻分子间的距离约为个左右的分子,相邻分子间的距离约为3.210-7cm。宏观:宏观:考虑宏观特性,在流动空间和时间上所采
7、用的一切特征尺考虑宏观特性,在流动空间和时间上所采用的一切特征尺度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。度和特征时间都比分子距离和分子碰撞时间大得多。(1)流体质点:)流体质点:也称流体微团,是指尺度大小同一切流动空间也称流体微团,是指尺度大小同一切流动空间相比微不足道又含有大量分子,具有一定质量的流体微元。相比微不足道又含有大量分子,具有一定质量的流体微元。(2)流体连续介质模型:)流体连续介质模型:连续介质:连续介质:质点连续地充满所占空间的流体或固体。质点连续地充满所占空间的流体或固体。连续介质模型:把流体视为没有间隙地充满它所占据的整个空间连续介质模型:把流体视为没有间隙地充满它
8、所占据的整个空间的一种连续介质,且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续的一种连续介质,且其所有的物理量都是空间坐标和时间的连续函数的一种假设模型:函数的一种假设模型:u=u(t,x,y,z)。问题的提出问题的提出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流 体体 介介 质质 是是 由由 连连 续续 的的 流流 体体 质质 点点 所所 组组 成成,流流 体体 质质 点点 占占满空间而没有间隙。满空间而没有间隙。连续介质假设连续介质假设连连续续介介质质假假设设是是近近似似的的、宏
9、宏观观的的假假设设,它它为为数数学学工工具具的的应应用用提提供供了了依依据据,在在其其它它力力学学学学科科也也有有广广泛泛应应用用,使使用用该该假假设设的的力力学学统统称称为为“连连续续介介质质力力学学”。除除了了个个别别情情形形外外,在在水力学中使用连续介质假设是合理的。水力学中使用连续介质假设是合理的。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 连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象,连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象,就象几何学是自然图形的抽象一样。就象几何学是自然图形的抽象一样。除了稀薄气体与激波
10、的绝大多数工程问题,均可用连续介除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题,均可用连续介质模型作理论分析。质模型作理论分析。只研究连续介质的力学规律。只研究连续介质的力学规律。问题:问题:按连续介质的概念,流体质点是指按连续介质的概念,流体质点是指:A、流体的分子;、流体的分子;B、流体内的固体颗粒;、流体内的固体颗粒;C、几何的点;、几何的点;D、几何尺寸同流动空间相比是极小量、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又又含有大量分子的微元体。含有大量分子的微元体。优点:优点:排除了分子运动的复杂性。物理量作为时空连续函数,则可排除了分子运动的复杂性。物理量作为时空连续函数,则可以利用连续函数这一数学工具
11、来研究问题。以利用连续函数这一数学工具来研究问题。由瑞士学者欧拉(由瑞士学者欧拉(Euler)1753年首先建立,年首先建立,这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。如果液体视为连续介质,则液体中一切物理量(如如果液体视为连续介质,则液体中一切物理量(如速度、压强和密度等)可视为空间(液体所占据空速度、压强和密度等)可视为空间(液体所占据空间)坐标和时间的连续函数。间)坐标和时间的连续函数。研究液体运动时,可利用连续函数分析方法。研究液体运动时,可利用连续函数分析方法。三、流体的分类三、流体的分类(1)根据流体受压体积缩小的性质,流体可分为:)根据流体受
12、压体积缩小的性质,流体可分为:可压缩流体可压缩流体(compressibleflow):):流体密度随压强变化不能忽略的流体。流体密度随压强变化不能忽略的流体。不可压缩流体不可压缩流体(incompressibleflow):):流体密度随压强变化很小,流体的密度可视为常数的流体。流体密度随压强变化很小,流体的密度可视为常数的流体。(a)严格地说,不存在完全不可压缩的流体。严格地说,不存在完全不可压缩的流体。(b)一般情况下的液体都可视为不可压缩流体(发生水击时除外)。一般情况下的液体都可视为不可压缩流体(发生水击时除外)。(c)对于气体,当所受压强变化相对较小时,可视为不可压缩流体。对于气体
13、,当所受压强变化相对较小时,可视为不可压缩流体。(d)管路中压降较大时,应作为可压缩流体。管路中压降较大时,应作为可压缩流体。可压缩流体和不可压缩流体可压缩流体和不可压缩流体压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可以压缩的,压缩性是流体的基本属性。任何流体都是可以压缩的,只不过可压缩的程度不同而已。液体的压缩性都很小,随只不过可压缩的程度不同而已。液体的压缩性都很小,随着压强和温度的变化,液体的密度仅有微小的变化,在大着压强和温度的变化,液体的密度仅有微小的变化,在大多数情况下,可以忽略压缩性的影响,认为液体的密度是多数情况下,可以忽略压缩性的影响,认为液体的密度是一个常数。一个常数。=0的流体
14、称为不可压缩流体,而密度为的流体称为不可压缩流体,而密度为常数的流体称为常数的流体称为不可压均质流体不可压均质流体。气体的压缩性都很大。从热力学中可知,当温度不变气体的压缩性都很大。从热力学中可知,当温度不变时,完全气体的体积与压强成反比,压强增加一倍,体积时,完全气体的体积与压强成反比,压强增加一倍,体积减小为原来的一半;当压强不变时,温度升高减小为原来的一半;当压强不变时,温度升高1体积就比体积就比0时的体积膨胀时的体积膨胀1/273。所以,。所以,通常把气体看成是可压缩通常把气体看成是可压缩流体,流体,即它的密度不能作为常数,而是随压强和温度的变即它的密度不能作为常数,而是随压强和温度的
15、变化而变化的。我们把化而变化的。我们把密度随温度和压强变化的流体称为可密度随温度和压强变化的流体称为可压缩流体。压缩流体。把液体看作是不可压缩流体,气体看作是可压缩流体,把液体看作是不可压缩流体,气体看作是可压缩流体,都不是绝对的。都不是绝对的。在实际工程中,要不要考虑流体的压缩性,在实际工程中,要不要考虑流体的压缩性,要视具体情况而定。例如,研究管道中水击和水下爆炸时,要视具体情况而定。例如,研究管道中水击和水下爆炸时,水的压强变化较大,而且变化过程非常迅速,这时水的密水的压强变化较大,而且变化过程非常迅速,这时水的密度变化就不可忽略,即要考虑水的压缩性,把水当作可压度变化就不可忽略,即要考
16、虑水的压缩性,把水当作可压缩流体来处理。又如,在锅炉尾部烟道和通风管道中,气缩流体来处理。又如,在锅炉尾部烟道和通风管道中,气体在整个流动过程中,压强和温度的变化都很小,其密度体在整个流动过程中,压强和温度的变化都很小,其密度变化很小,可作为不可压缩流体处理。再如,当气体对物变化很小,可作为不可压缩流体处理。再如,当气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时,气体的密度变化也体流动的相对速度比声速要小得多时,气体的密度变化也很小,可以近似地看成是常数,也可当作不可压缩流体处很小,可以近似地看成是常数,也可当作不可压缩流体处理。理。(2)根据流体是否具有粘性,可分为:)根据流体是否具有粘性,可分为
17、:实际流体:实际流体:指具有粘度的流体,在运动时具有抵抗剪指具有粘度的流体,在运动时具有抵抗剪切变形的能力,即存在摩擦力切变形的能力,即存在摩擦力。理想流体:理想流体:是指忽略粘性的流体,在运动时也不能抵是指忽略粘性的流体,在运动时也不能抵抗剪切变形。抗剪切变形。问题:问题:理想流体的特征是理想流体的特征是:A、粘度是常数;、粘度是常数;B、不可压缩;、不可压缩;C、无粘性;、无粘性;D、符合、符合pV=RT。(3)牛顿流体、非牛顿流体牛顿流体、非牛顿流体牛顿流体牛顿流体(newtonianfluids):是指任一):是指任一点上的切应力都同剪切变形速率呈线性函数点上的切应力都同剪切变形速率呈
18、线性函数关系的流体,即遵循牛顿内摩擦定律的流体关系的流体,即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。称为牛顿流体。非牛顿流体非牛顿流体:不符合上述条件的。:不符合上述条件的。1-2 1-2 流体的主要物理性质流体的主要物理性质一、流体的密度一、流体的密度1、密度、密度一切物质都具有质量,流体也不例外。质量是物质的基本一切物质都具有质量,流体也不例外。质量是物质的基本属性之一,是物体惯性大小的量度,质量越大,惯性也越大。属性之一,是物体惯性大小的量度,质量越大,惯性也越大。流体的密度是流体的重要属性之一,它表征流体在空间某点质量流体的密度是流体的重要属性之一,它表征流体在空间某点质量的密集程度。的
19、密集程度。流体的密度定义流体的密度定义:单位体积流体所具有的质量,用符号单位体积流体所具有的质量,用符号来表示。来表示。对于流体中各点密度相同的均质流体,其密度对于流体中各点密度相同的均质流体,其密度式中:式中:流体的密度,流体的密度,kg/m3;M 流体的质量,流体的质量,kg;V流体的体积,流体的体积,m3。(1-1)对于各点密度不同的对于各点密度不同的非均质流体非均质流体,在流体的空间中某点,在流体的空间中某点取包含该点的微小体积取包含该点的微小体积,该体积内流体的质量为,该体积内流体的质量为则该点的密度为则该点的密度为 流体的相对密度流体的相对密度流体的相对密度是指某种流体的密度与流体
20、的相对密度是指某种流体的密度与4时水的密度的比时水的密度的比值,用符号值,用符号d来表示。来表示。式中:式中:流体的密度,流体的密度,kg/m3;4时水的密度,时水的密度,kg/m3。表表1-1和和表表1-2列出了一些常用液体、气体在标准大气压强列出了一些常用液体、气体在标准大气压强下的物理性质。下的物理性质。(1-21-2)比容:比容:密度的倒数密度的倒数(1-51-5)表表1-1在标准大气压下常用液体的物理性质在标准大气压下常用液体的物理性质表表1-1在标准大气压下常用液体的物理性质在标准大气压下常用液体的物理性质表表1-2在标准大气压和在标准大气压和20常用气体性质常用气体性质表表1-2
21、在标准大气压和在标准大气压和20常用气体性质常用气体性质2 2、重度(容重)、重度(容重)均质液体:均质液体:或:或:则则(1-31-3)(1-61-6)(1-71-7)二二流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性 1 1、流体的压缩性、流体的压缩性在一定的温度下,流体的体积随压强升高而缩小的性在一定的温度下,流体的体积随压强升高而缩小的性质质称为流体的压缩性。流体压缩性的大小用体积压缩系数称为流体的压缩性。流体压缩性的大小用体积压缩系数来表示。它表示当温度保持不变时,单位压强增量引来表示。它表示当温度保持不变时,单位压强增量引起流体体积的相对缩小量,即起流体体积的相对缩小量,即式中式中流体的
22、体积压缩系数,流体的体积压缩系数,m2/N;流体压强的增加量,流体压强的增加量,Pa;原有流体的体积,原有流体的体积,m3;流体体积的增加量,流体体积的增加量,m3。(1-8)由于压强增加时,流体的体积减小,即由于压强增加时,流体的体积减小,即与与的的变化方向相反,故在上式中加个负号,以使体积压缩变化方向相反,故在上式中加个负号,以使体积压缩系数系数恒为正值。恒为正值。实验指出,液体的体积压缩系数很小,例如水,实验指出,液体的体积压缩系数很小,例如水,当压强在当压强在(1490)107Pa、温度在、温度在020的范围内的范围内时,水的体积压缩系数仅约为二万分之一,即每增加时,水的体积压缩系数仅
23、约为二万分之一,即每增加105Pa,水的体积相对缩小约为二万分之一。表,水的体积相对缩小约为二万分之一。表1-4列列出了出了0水在不同压强下的水在不同压强下的值。值。表表1-40水在不同压强下的水在不同压强下的值值气体的压缩性要比液体的压缩性大得多,这是由于气体的压缩性要比液体的压缩性大得多,这是由于气体的密度随着温度和压强的改变将发生显著的变化。气体的密度随着温度和压强的改变将发生显著的变化。对于完全气体,其密度与温度和压强的关系可用热力学对于完全气体,其密度与温度和压强的关系可用热力学中的状态方程表示,即中的状态方程表示,即式中式中气体的绝对压强,气体的绝对压强,Pa;气体的密度,气体的密
24、度,kg/m3;热力学温度,热力学温度,K;气体常数,气体常数,J/(kgK)。常用气体的气体常数见常用气体的气体常数见表表1-2。在工程上,不同压强和温度下气体的密度可按下式计算:在工程上,不同压强和温度下气体的密度可按下式计算:(1-9)式中式中为标准状态为标准状态(0,101325Pa)下某种气体的密度。下某种气体的密度。如空气的如空气的1.293kg/m3;烟气的;烟气的1.34kg/m3。为为在温度在温度t、压强、压强N/下,某种气体的密度。下,某种气体的密度。2 2、流体的膨胀性、流体的膨胀性在一定的压强下,流体的体积随温度的升高而增大在一定的压强下,流体的体积随温度的升高而增大的
25、性质的性质称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积称为流体的膨胀性。流体膨胀性的大小用体积膨胀系数膨胀系数来表示,它表示当压强不变时,升高一个来表示,它表示当压强不变时,升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量,即单位温度所引起流体体积的相对增加量,即式中式中流体的体积膨胀系数,流体的体积膨胀系数,1/,1/K;流体温度的增加量,流体温度的增加量,K;原有流体的体积,原有流体的体积,m3;流体体积的增加量,流体体积的增加量,m3。(1-101-10)实验指出,液体的体积膨胀系数很小,例如在实验指出,液体的体积膨胀系数很小,例如在9.8104Pa下,温度在下,温度在110范围内,水的体积膨胀系
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- 第一章 流体及其主要物理性质 流体 及其 主要 物理性质
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