流体及其物理性质流体力学.ppt
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1、流体及其物理性质流体力学现在学习的是第1页,共43页B1.1.1 B1.1.1 流体的微观和宏观特性流体的微观和宏观特性流体团分子速度的统计平均值曲线流体团分子速度的统计平均值曲线流体分子微观运动流体分子微观运动 自身热运动自身热运动 流体团宏观运动流体团宏观运动 外力引起外力引起 统计平均值统计平均值临界体积临界体积B1.1.1 B1.1.1 流体的微观和宏观特性流体的微观和宏观特性现在学习的是第2页,共43页B1.1.2 B1.1.2 流体质点概念流体质点概念(1)(1)流体质点无线尺度,无热运动,只在外力作用下作宏观平流体质点无线尺度,无热运动,只在外力作用下作宏观平 移运动移运动;(1
2、)(1)流体元为由大量流体质点构成的微小单元(流体元为由大量流体质点构成的微小单元(x,y,z););为了满足数学分析的需要,引入为了满足数学分析的需要,引入流体质点流体质点模型模型 为了描述流体微团的旋转和变形引入为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元(流体元)流体质元(流体元)模型:模型:B1.1.2 B1.1.2 流体质点概念流体质点概念(2)(2)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。(2)(2)由流体质点的相对运动形成流体元的旋转和变形。由流体质点的相对运动形成流体元的旋转和变形。现在学习的是第3页,共43页B1.1.3 B1.1.
3、3 连续介质假设连续介质假设 连续介质假设连续介质假设:假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。:假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。连续介质假设是对物质分子结构的宏观数学抽象,就象几连续介质假设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。何学是自然图形的抽象一样。(1)(1)可用连续性函数可用连续性函数B(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和描述流体质点物理量的空间分布和 时间变化;时间变化;(2)(2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程,并用连续函由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程,并用连续函 数理论求解方程。数理论求解方程。除了稀薄
4、气体、激波外的绝大多数流动问题,均可用连续介质除了稀薄气体、激波外的绝大多数流动问题,均可用连续介质 假假设作理论分析。设作理论分析。B1.1.3 B1.1.3 连续介质假设连续介质假设现在学习的是第4页,共43页 液体保持了固体具有一定体积、难以压缩的特点,却在分子运动性方面发生了液体保持了固体具有一定体积、难以压缩的特点,却在分子运动性方面发生了巨大改变。分子在巨大改变。分子在“球胞球胞”之间聚散无常,并且凭借之间聚散无常,并且凭借“空洞空洞”,实现位置迁移。,实现位置迁移。18261826年苏格兰植物学家布朗(年苏格兰植物学家布朗(Robert Brown)Robert Brown)发现
5、花粉粒子在水面上作随机运动,发现花粉粒子在水面上作随机运动,就是液体分子迁移的证据。就是液体分子迁移的证据。气体无一定形状和体积。气体无一定形状和体积。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性流体的力学定义流体的力学定义:流体不能抵抗任何剪切力作用下的流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势剪切变形趋势(体积保持不变体积保持不变)。就就易变形性易变形性而言,液体与气体属于同类。而言,液体与气体属于同类。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-1)(8-1)流体的一般定义流体的一般定义:液体和气体的统称,它们没有一定液体和气体的统称,它们没有一定的形状,容易流动。(现代汉
6、语词典)的形状,容易流动。(现代汉语词典)现在学习的是第5页,共43页流体易变形性是流体的流体易变形性是流体的决定性决定性宏观力学特性,具体表现为:宏观力学特性,具体表现为:在受到剪切力持续作用时,固体的变形一般是微小的在受到剪切力持续作用时,固体的变形一般是微小的(如金属如金属)或有限的或有限的(如塑料如塑料),但流体却能产生很大的甚至无限大变形,但流体却能产生很大的甚至无限大变形(力作用时间无限力作用时间无限长长)。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-2)(8-2)现在学习的是第6页,共43页当剪切力停止作用后,固体变形能恢
7、复或部分恢复,流体当剪切力停止作用后,固体变形能恢复或部分恢复,流体则则不作不作任何恢复。任何恢复。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-3)(8-3)现在学习的是第7页,共43页固体内的切固体内的切应力由剪切变形量应力由剪切变形量(位移位移)决定,而流体内的切决定,而流体内的切应力与变形量无关,由应力与变形量无关,由变形速度变形速度(切变率切变率)决定。决定。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-4)(8-4)现在学习的是第8页,共43页通过搅拌改变均质流体微团的排列次序,通过搅拌改变均质流体微团的排列次序,不影响不影响它的宏观物理性质;它的宏观物理性质;强行
8、改变固体微粒的排列无疑将它彻底破坏。强行改变固体微粒的排列无疑将它彻底破坏。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-5)(8-5)现在学习的是第9页,共43页固体重量引起的压强只沿重力方向传递,垂直于重力方向的固体重量引起的压强只沿重力方向传递,垂直于重力方向的压强一般很小或为零;流体平衡时压强可等值地向压强一般很小或为零;流体平衡时压强可等值地向各个方向各个方向传递,传递,压强可垂直作用于任何方位的平面上。压强可垂直作用于任何方位的平面上。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-6)(8-6)现在学习的是第10页,共43页固体表面之间的摩擦是滑动摩擦,摩擦力与固体
9、表面状况有关;固体表面之间的摩擦是滑动摩擦,摩擦力与固体表面状况有关;B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-7)(8-7)流体与固体壁面可实现分子量级的接触,达到流体与固体壁面可实现分子量级的接触,达到壁面不滑移壁面不滑移。现在学习的是第11页,共43页流体流动时,内部可形成超乎想象的流体流动时,内部可形成超乎想象的复杂结构复杂结构(如湍流如湍流);固体受力时,固体受力时,内部结构变化相对简单。内部结构变化相对简单。B1.2 B1.2 流体的易变形性流体的易变形性(8-8)(8-8)现在学习的是第12页,共43页B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现 1.1.
10、流体粘性首先表现在相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用。流体粘性首先表现在相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用。流体流体内摩擦内摩擦的概念最早由牛顿(的概念最早由牛顿(I.Newton,1687I.Newton,1687)提出。)提出。牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理一书中指出:一书中指出:“流体的两部分由于缺乏流体的两部分由于缺乏润滑而引起的阻力(若其他情况一样),同流润滑而引起的阻力(若其他情况一样),同流体两部分彼此分开的速度成正比体两部分彼此分开的速度成正比”;“不过,流体的阻力正比于速度,与其说是物理实际,不如说是数不过,流体的阻力正比于速度,与其说是物理实际,不如说
11、是数学假设学假设”。B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现(6-1)(6-1)B1.3 B1.3 流体的粘性流体的粘性现在学习的是第13页,共43页 牛顿内摩擦假设在过了近一百年后,由库仑牛顿内摩擦假设在过了近一百年后,由库仑(C.A.Coulomb,1784)用实验得到证实。)用实验得到证实。库仑把一块薄圆板用库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中,细金属丝平吊在液体中,将圆板绕中心转过一角度后放开,靠金属丝的扭转作用,将圆板绕中心转过一角度后放开,靠金属丝的扭转作用,圆板开始往返摆动,由于液体的粘性作用,圆板摆动幅圆板开始往返摆动,由于液体的粘性作用,圆板摆动幅度逐渐衰减
12、,直至静止。库仑分别测量了度逐渐衰减,直至静止。库仑分别测量了三种圆板的衰减时间。三种圆板的衰减时间。普通板普通板涂腊板涂腊板细砂板细砂板B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现(6-2)(6-2)现在学习的是第14页,共43页三种圆三种圆板的衰减时间均板的衰减时间均相等相等。库仑得出结论。库仑得出结论:衰减的原因,不是圆板与液体之间的相互摩擦衰减的原因,不是圆板与液体之间的相互摩擦,而是液,而是液体内部的摩擦体内部的摩擦。B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现(6-3)(6-3)现在学习的是第15页,共43页 流体内流体内摩擦是两层流体间分子内聚力和分子动量
13、交换的宏观表现。摩擦是两层流体间分子内聚力和分子动量交换的宏观表现。当两层当两层液体作相对运液体作相对运动时,紧靠的两层液体动时,紧靠的两层液体分子的平均距离加大,分子的平均距离加大,产生吸引力,这就是产生吸引力,这就是分分子内聚力子内聚力。B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现(6-4)(6-4)现在学习的是第16页,共43页 气体分气体分子的随机运动子的随机运动范围大,流层之间的分范围大,流层之间的分子交换频繁。子交换频繁。相邻两流层之相邻两流层之间的间的分子动量交换分子动量交换表现为表现为力的作用,称为表观力的作用,称为表观切应力。气体内摩擦切应力。气体内摩擦力即以表观
14、切应力为力即以表观切应力为主主。B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现(6-5)(6-5)现在学习的是第17页,共43页2.2.壁面不滑移假设壁面不滑移假设由于流体的易变形性,流体与固由于流体的易变形性,流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动或静的流体质点与固壁一起运动或静止。止。B1.3.1流体的粘性流体的粘性 库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设;库仑实验间接地验证了壁面不滑移假设;壁面不滑移假设已获得大量实验验证,被称为壁面不滑移假设已获得大量实验验证,被称为 壁面不
15、滑移条件壁面不滑移条件。B1.3.1 B1.3.1 流体粘性的表现流体粘性的表现(6-6)(6-6)现在学习的是第18页,共43页B1.3.2牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿在牛顿在自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理中假设:中假设:“流体两部分由于缺乏润滑流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力,同这两部分彼此分开的速度成正比而引起的阻力,同这两部分彼此分开的速度成正比”。上式称为上式称为牛顿粘性定律牛顿粘性定律,它表明,它表明 牛顿粘性定律已获牛顿粘性定律已获 得大量实验验证得大量实验验证与固体的虎克定律作对比与固体的虎克定律作对比B1.3.2牛顿粘性定律牛顿粘性定律(3-1)粘性切应力与速度梯度成
16、正比;粘性切应力与速度梯度成正比;比例系数比例系数称绝对粘度,简称粘度。称绝对粘度,简称粘度。粘性切应力与角变形速率(简称切变率)粘性切应力与角变形速率(简称切变率)成正比;成正比;现在学习的是第19页,共43页哈根巴赫哈根巴赫(1859)(E.Hagenbach)纽曼纽曼(1859)(FNeuman)运用运用N-S方程方程求解圆管定常求解圆管定常层流流动层流流动圆管定常层流圆管定常层流实验实验流量流量理论公式理论公式流量流量实验公式实验公式完完全全吻吻合合牛顿粘性假设被称为牛顿粘性假设被称为牛顿粘性定律牛顿粘性定律哈根(哈根(1839)(GHagen)泊肃叶泊肃叶(1840)(J.L.Poi
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