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1、2.1 流体的概念及 连续介质假设 2.2 流体的密度、重度、比体积与相对密度 2.3 流体的热膨胀性 和可压缩性 2.4 流体的粘性,第二章 流体的主要物理性质,2.1 流体的概念及连续介质假设,一、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。二、物质的物理属性比较 在常温常压下，物质可以分为固体、液体和气体三种聚集状态。它们都具有下列物质的三个基本属性：（1）由大量分子组成，（2）分子不断地作随机热运动，（3）分子与分子之间有相互作用力。I 从宏观上看同体积内所包含的分子数目：气体液体固体,II 同样分子间距上的分子相互作用力：气体液体固体气体分子的运动具有较大的自由程和随机性
2、，液体次之，而固体分子只能绕自身的位置作微小的振动III 固体、液体和气体宏观的表象差异 固体有一定的体积也有一定的形状；液体有一定的体积而无一定的形状；气体既无一定的体积也无一定的形状。IV 固体、液体和气体力学性能比较：固体可以承受拉力、压力和切应力；液体却只能承受压力，几乎不能承受拉力，在极小的切应力作用下就会出现连续的变形流动，它只呈现对变形运动的阻力，不能自行消除变形。这一特性称为流体的易流动性。,这是流体区别于固体的根本标志。气体与液体性能相近，主要差别是可压缩性的大小。气体在外力作用下表现出很大的可压缩性，而液体则不然。在通常的温度下水所承受的压强由0.1MPa增加到10MPa时
3、，其体积仅减少原来的0.5%，而气体的体积与压强按波义尔马略特定律成反比关系。可见气体的可压缩性比液体的大很多。,三、连续介质假设流体质点：包含有大量流体分子，并能保持其宏观力学性能的微小单元体。连续介质的概念：在流体力学中，把流体质点作为最小的研究对象，从而把流体看成是由无数连续分布、彼此无间隙地占有整个流体空间的流体质点所组成的介质连续介质模型的意义：（1）、流体质点在微观上是充分大的，而在宏观上又是充分小的。流体质点在它所在的空间就是一个空间点。当我们所研究的对象是比粒子结构尺度大得多的流动现象时，就可以利用连续介质模型。（2）、流体宏观物理量是空间点及时间的函数，这样就可以顺利地运用连
4、续函数和场论等数学工具研究流体平衡和运动的问题，这就是连续介质假设的重要意义。,2.2 流体的密度、重度、比体积与相对密度,流体具有质量和重量，流体的密度、重度、比体积与相对密度是流体最基本的物理量。单位体积的流体所具有的质量称为密度，以表示。对于均质流体，各点密度相同，即=m/V(2-1)式中 m流体的质量(kg)V质量为m的流体所占有的体积(m3)单位体积的流体所受的重力称为重度，以表示。对于均质流体，各点所受到的重力相同，即有=G/V(2-2)式中 G流体的所受的重力（N）V重力为G的流体所占有的体积(m3),流体的密度和重度有以下的关系：=g 或=/g(2-3)式中 g重力加速度，通常
5、取g=9.81m/s2。密度的倒数称为比体积，以表示=1/=V/m(2-4)它表示单位质量流体所占有的体积。对于非均质流体，因质量非均匀分布，各点密度不同。取包围空间某点A在内的微元体积V,设其所包含的流体质量为m,重量为G,则当V 0时,A点的密度、重度和比体积分别为(2-5)(2-6)(2-7),流体的相对密度是指流体的重度与标准大气压下4纯水的重度的比值，用d表示。d=流/水=流/水(2-8)很明显，比重是一个无量纲的纯数。几种常见物质在标准大气压下的物理性质见表2-1。,2.3 流体的热膨胀性和可压缩性 一、热膨胀性 在一定压强下，流体体积随温度升高而增大的性质称为流体的热膨胀性。热膨
6、胀性的大小用体积膨胀系数表示，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，即(2-9)式中 体积膨胀系数（1/K）V流体的体积（m3）V 流体体积的增加量（m3）T温度的增加量（K）液体的热膨胀性很小，一般可忽略不计。气体的热膨胀性相对很大，一般不可忽略，当气体压强不变时，温度每升高1K，体积便增大到273K时体积的1/273。因此，气体的热膨胀系数=1/273（1/K）,二、压缩性 在一定温度下，流体体积随压强升高而减少的性质称为流体的压缩性。压缩性的大小用体积压缩率表示，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，即(2-10)式中 体积压缩性系数(Pa-1)V流体的体积(
7、m3)V流体体积的变化量(m3)p流体压强的变化量(Pa)由于压强增大，体积缩小，p与V变化趋势相反，为保证为正值，上式右边加一负号。并且从的表达式可以看出，当压强变化相同时，体积变化率越大，也就越大，即流体越容易被压缩，而小的流体不易被压缩。因此，值标志着可压缩性的大小。,压缩率的倒数，称为体积模量，以K表示。气体状态方程：气体的情况比液体的复杂得多，一般需要同时考虑压强和温度对气体密度的影响，才能确定或K值。等温过程：p/=C，K=p；等熵过程：p/n=C，这里n为等熵指数，K=np。可压缩流体与不可压缩流体 可压缩流体：随T 和p变化量很小，可视为常量。不可压缩流体：随T 和p变化量很大
8、，不可视为常量特例：流速小于70m/s100 m/s气体可看作不可压缩流体。高温高压下的液体应考虑其压缩性。,2.4 流体的粘性一、粘性的定义及牛顿内摩擦定律粘性：流体流动时，在流体内部产生阻碍运动的摩擦力的性质叫流体的粘性。粘性产生机理：一是流体分子之间的吸引力产生阻力；二是流体分子作不规则的热运动的动量交换产生阻力。牛顿内摩擦定律：牛顿经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度变化（即速度梯度）成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关，而与接触面上的压强无关。这个关系式称为牛顿内摩擦定律。,设有两平行平板，相距为h，其间充满液体，如图2-1所示。假设下板固定，
9、上板在外力作用下以匀速0向右运动。与两板相接触的流体由于附着力的作用必粘附于,两平板上，具有与平板相同的运动速度。因此与上平板相接触的一层流体将以速度0随上板一起向右运动，而紧贴下板的一层流体将和下板一样静止不动。介于两板之间的各层流体将以自上而下逐层递减的速度向右运动。流动较快的流体层带动较慢的流体层，同时流动较慢的流体层又阻滞流动较快的流体层，从而在流体层之间产生内摩擦力,式中 F流体层接触面上的内摩擦力（N）A流体层之间的接触面积(m2)d/dn速度梯度(1/s)表示流体物理性质的一个比例常数(Pa s)若以单位面积上的内摩擦力（切应力）表示，则牛顿内摩擦定律可以表示为(2-13)考虑到
10、d/dn可正可负，为保证为正值，当d/dn0 时取正号，当d/dn0 取负号。通常把满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，此时不随d/dn而变化，否则称为非牛顿流体。本书主要讨论牛顿流体。,二、粘性的表示方法及其单位 流体粘性的大小以粘度来表示和度量，粘度可分为以下三种：1、动力粘度：动力粘度表示单位速度梯度下流体内摩擦应力的大小，它直接反映了流体粘性的大小。(2-14)在SI制当中，的单位为Ns/m2 或 Pas（称为帕秒）。过去沿用的动力粘度单位还有泊（P）或厘泊（CP），它们的换算关系为1Pas=10P=1000CP。2、运动粘度：在流体力学中，动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，以表
11、示。=/在SI制当中，的单位为m2/s。运动粘度的非法定单位还有cm2/s 称为斯（St），其百分之一称为厘斯（cSt）1m2/s=104St=106cSt,3、恩氏粘度E：恩氏粘度是一种相对粘度，它仅适用于液体。恩氏粘度值是被测液体与水的粘度的比较值。其测定方法是：将200mL的待测液体装入恩氏粘度计中，测定它在某一温度下通过底部2.8mm标准小孔口流尽所需的时间t1（s），再将200mL的蒸馏水加入同一恩氏粘度计中，在200 标准温度下，测出其流尽所需时间t2（约为50s），时间t1与t2 的比值就是该液体在该温度下的恩氏粘度。即E=t1/t2(2-16)恩氏粘度E 是无量纲常数。当E 2
12、时，它与运动粘度有如下的经验公式(2-17),三、粘度的变化规律流体粘度随温度和压强而变化，由于分子结构及分子运动机理的不同，液体和气体的变化规律是截然相反的。液体粘度大小取决于分子间的距离和分子引力。当温度升高或压强降低时液体膨胀，分子间距增加，分子引力减小，粘度降低。反之，温度降低，压强升高时，液体粘度增大。气体分子间距较大，内聚力较小，但分子运动较剧烈，粘性主要来源于流层间分子的动量交换。当温度升高时，分子运动加剧，所以粘性增大；而当压强提高时，气体的动力粘度和运动粘度减小。（=vl/3）,四、理想流体和实际流体具有粘性的流体叫实际流体（也叫粘性流体），理想流体就是假想的没有粘性（=0）的流体。这一假设的引入大大简化了分析，容易得到流体运动的规律。对那些粘性不起主要作用的问题，忽略粘性的影响所得到的结果，能比较精确地反映实际流动的情况。对于必须考虑粘性作用的问题，如流动的压力损失等，则可以专门对粘性的作用进行理论分析和实验研究，然后再对理想流体的分析结果进行修正和补充，得到实际流体的运动规律，这已被实践证明是行之有效的分析方法。,精品课件！,精品课件！,本章小结几个基本概念：流体、流体质点、连续介质假设、流体的热膨胀性、流体的可压缩性、流体的粘性。重点：流体的可压缩性计算、牛顿内摩擦定律的计算、粘度的三种表示方法。作业：2-3；2-6；2-7,
