流体及其主要物理性质省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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 流体概念流体概念1-2 1-2 流体主要物理性质流体主要物理性质1-3 1-3 作用在流体上力作用在流体上力第1页 1 1、定定义义：指指含含有有流流动动性性且且本本身身不不能能保保持一定形状物体，如气体和液体持一定形状物体，如气体和液体。一、流体定义和特征一、流体定义和特征流流 动动即即流流体体受受切切应应力时产生变形力时产生变形1-1 1-1 流体概念流体概念第2页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作作用下也将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止。用下也将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止。没没有有固固定定形形状状，液液体体形形状状取取决决于于盛盛装装它它容容器器；气气体体完完全全充充满满容器。容器。流流体体含含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。流体含有显著流动性；气体流动性大于液体。流体含有显著流动性；气体流动性大于液体。第3页3、物质三态、物质三态在地球上，物质存在主要形式有：固体、液体和气体。在地球上，物质存在主要形式有：固体、液体和气体。n流体和固体区分流体和固体区分:从力学分析意义上看，在于它们对外从力学分析意义上看，在于它们对外力抵抗能力不一样。力抵抗能力不一样。n液体和气体区分：液体和气体区分：（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）液体有一定体积，存在一个自由液面；气体能充满任意）液体有一定体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状容器，无一定体积，不存在自由液面。形状容器，无一定体积，不存在自由液面。n液体和气体共同点：液体和气体共同点：二者均含有易流动性，即在任何微小二者均含有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动，故二者统称为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。第4页n有没有固定体积？能否形成能否形成自由表面？自由表面？n是否轻易被压缩？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、气体与固体区分液体、气体与固体区分第5页 微观上：流体分子距离存在以及分子运动微观上：流体分子距离存在以及分子运动 随机性使得流体各物理量在时间和空随机性使得流体各物理量在时间和空 间上分布都是不连续。间上分布都是不连续。宏观上：当所讨论问题特征尺寸远大于流体宏观上：当所讨论问题特征尺寸远大于流体 分子平均自由程时，可将流体视为在分子平均自由程时，可将流体视为在 时间和空间连续分布函数。时间和空间连续分布函数。问题提出问题提出二、二、流体质点与流体连续介质模型流体质点与流体连续介质模型（连续介质假设）（连续介质假设）第6页 宏宏观观（流流体体力力学学处处理理问问题题尺尺度度）上上看看，流流体体质质点点足足够够小小，只只占据一个空间几何点，体积趋于零。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分分子子团团，包包含含了了足足够够多多流流体体分分子子，以以致致于于对对这这些些分分子子行行为为统统计计平平均均值值将将是是稳稳定定，作作为为表表征征流流体体物物理理特特征征和和运运动动要要素素物物理理量量定定义在流体质点上。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分子组成，分子之间存在空流体是由大量做无规则运动分子组成，分子之间存在空隙，但在标准情况下，隙，但在标准情况下，1cm3液体中含有液体中含有3.31022个左右分子，相个左右分子，相邻分子间距离约为邻分子间距离约为3.110-8cm。1cm3气体中含有气体中含有2.71019个左个左右分子，相邻分子间距离约为右分子，相邻分子间距离约为3.210-7cm。第7页宏观：宏观：考虑宏观特征，在流动空间和时间上所采取一切特征尺度考虑宏观特征，在流动空间和时间上所采取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。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，含有一定质量流体微元。相比微不足道又含有大量分子，含有一定质量流体微元。（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流体或固体。质点连续地充满所占空间流体或固体。连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满它所占据整个空间一连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满它所占据整个空间一个连续介质，且其全部物理量都是空间坐标和时间连续函数一个个连续介质，且其全部物理量都是空间坐标和时间连续函数一个假设模型：假设模型：u=u(t,x,y,z)。第8页 问题提出问题提出流体质点运动过程是连续；表征流体一切特征可看成流体质点运动过程是连续；表征流体一切特征可看成 是时间和空间连续分布函数是时间和空间连续分布函数流流 体体 介介 质质 是是 由由 连连 续续 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、宏宏 观观 假假 设设，它它 为为 数数 学学 工工 具具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。水力学中使用连续介质假设是合理。特例特例航天器在高空稀薄空气中运行航天器在高空稀薄空气中运行血液在毛细血管中流动血液在毛细血管中流动 第9页连续介质假设模型是对物质分子结构宏观数学抽象，就连续介质假设模型是对物质分子结构宏观数学抽象，就象几何学是自然图形抽象一样。象几何学是自然图形抽象一样。除了稀薄气体与激波绝大多数工程问题，均可用连续介质除了稀薄气体与激波绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析。模型作理论分析。只研究连续介质力学规律。只研究连续介质力学规律。问题：问题：按连续介质概念，流体质点是指按连续介质概念，流体质点是指:A、流体分子；、流体分子；B、流体内固体颗粒；、流体内固体颗粒；C、几何点；、几何点；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,又又含有大量分子微元体。含有大量分子微元体。优点：优点：排除了分子运动复杂性。物理量作为时空连续函数，则能够排除了分子运动复杂性。物理量作为时空连续函数，则能够利用连续函数这一数学工具来研究问题。利用连续函数这一数学工具来研究问题。第10页由瑞士学者欧拉（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。假如液体视为连续介质，则液体中一切物理量（如假如液体视为连续介质，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）坐标和时间连续函数。间）坐标和时间连续函数。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。第11页三、流体分类三、流体分类（1）依据流体受压体积缩小性质，流体可分为：）依据流体受压体积缩小性质，流体可分为：可压缩流体可压缩流体（compressibleflow）：）：流体密度随压强改变不能忽略流体。流体密度随压强改变不能忽略流体。不可压缩流体不可压缩流体（incompressibleflow）：）：流体密度随压强改变很小，流体密度可视为常数流体。流体密度随压强改变很小，流体密度可视为常数流体。(a)严格地说，不存在完全不可压缩流体。严格地说，不存在完全不可压缩流体。(b)普通情况下液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。普通情况下液体都可视为不可压缩流体（发生水击时除外）。(c)对于气体，当所受压强改变相对较小时，可视为不可压缩流体。对于气体，当所受压强改变相对较小时，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。第12页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基本属性。任何流体都是能够压缩，只压缩性是流体基本属性。任何流体都是能够压缩，只不过可压缩程度不一样而已。液体压缩性都很小，伴随压不过可压缩程度不一样而已。液体压缩性都很小，伴随压强和温度改变，液体密度仅有微小改变，在大多数情况下，强和温度改变，液体密度仅有微小改变，在大多数情况下，能够忽略压缩性影响，认为液体密度是一个常数。能够忽略压缩性影响，认为液体密度是一个常数。=0流体称为不可压缩流体，而密度为常数流体称为流体称为不可压缩流体，而密度为常数流体称为不可压不可压均质流体均质流体。气体压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变时，气体压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变时，完全气体体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为完全气体体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原来二分之一；当压强不变时，温度升高原来二分之一；当压强不变时，温度升高1体积就比体积就比0时体积膨胀时体积膨胀1/273。所以，。所以，通常把气体看成是可压缩流体，通常把气体看成是可压缩流体，即它密度不能作为常数，而是随压强和温度改变而改变。即它密度不能作为常数，而是随压强和温度改变而改变。我们把我们把密度随温度和压强改变流体称为可压缩流体。密度随温度和压强改变流体称为可压缩流体。第13页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，都不是绝正确。都不是绝正确。在实际工程中，要不要考虑流体压缩性，在实际工程中，要不要考虑流体压缩性，要视详细情况而定。比如，研究管道中水击和水下爆炸时，要视详细情况而定。比如，研究管道中水击和水下爆炸时，水压强改变较大，而且改变过程非常快速，这时水密度改水压强改变较大，而且改变过程非常快速，这时水密度改变就不可忽略，即要考虑水压缩性，把水看成可压缩流体变就不可忽略，即要考虑水压缩性，把水看成可压缩流体来处理。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，压强和温度改变都很小，其密度改变很小，个流动过程中，压强和温度改变都很小，其密度改变很小，可作为不可压缩流体处理。再如，当气体对物体流动相对可作为不可压缩流体处理。再如，当气体对物体流动相对速度比声速要小得多时，气体密度改变也很小，能够近似速度比声速要小得多时，气体密度改变也很小，能够近似地看成是常数，也可看成不可压缩流体处理。地看成是常数，也可看成不可压缩流体处理。第14页（2）依据流体是否含有粘性，可分为：）依据流体是否含有粘性，可分为：实际流体：实际流体：指含有粘度流体，在运动时含有抵抗剪切指含有粘度流体，在运动时含有抵抗剪切变形能力，即存在摩擦力变形能力，即存在摩擦力。理想流体：理想流体：是指忽略粘性流体，在运动时也不能抵抗是指忽略粘性流体，在运动时也不能抵抗剪切变形。剪切变形。问题：问题：理想流体特征是理想流体特征是: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。第15页（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）：是指任一点上切应力都同剪切变形速率呈线性函数关点上切应力都同剪切变形速率呈线性函数关系流体，即遵照牛顿内摩擦定律流体称为牛系流体，即遵照牛顿内摩擦定律流体称为牛顿流体。顿流体。非牛顿流体非牛顿流体：不符合上述条件。：不符合上述条件。第16页1-2 1-2 流体主要物理性质流体主要物理性质一、流体密度一、流体密度1、密度、密度一切物质都含有质量，流体也不例外。质量是物质基本一切物质都含有质量，流体也不例外。质量是物质基本属性之一，是物体惯性大小量度，质量越大，惯性也越大。属性之一，是物体惯性大小量度，质量越大，惯性也越大。流体密度是流体主要属性之一，它表征流体在空间某点质量密集流体密度是流体主要属性之一，它表征流体在空间某点质量密集程度。程度。流体密度定义流体密度定义：单位体积流体所含有质量，用符号单位体积流体所含有质量，用符号来表来表示。示。对于流体中各点密度相同均质流体，其密度对于流体中各点密度相同均质流体，其密度式中：式中：流体密度，流体密度，kg/m3；M 流体质量，流体质量，kg；V流体体积，流体体积，m3。（1-1）第17页对于各点密度不一样对于各点密度不一样非均质流体非均质流体，在流体空间中某点取，在流体空间中某点取包含该点微小体积包含该点微小体积，该体积内流体质量为，该体积内流体质量为则该则该点密度为点密度为 流体相对密度流体相对密度流体相对密度是指某种流体密度与流体相对密度是指某种流体密度与4时水密度比值，用符时水密度比值，用符号号d来表示。来表示。式中：式中：流体密度，流体密度，kg/m3；4时水密度，时水密度，kg/m3。表表1-1和和表表1-2列出了一些惯用液体、气体在标准大气压强列出了一些惯用液体、气体在标准大气压强下物理性质。下物理性质。（1-21-2）比容：比容：密度倒数密度倒数（1-51-5）第18页表表1-1在标准大气压下惯用液体物理性质在标准大气压下惯用液体物理性质第19页表表1-1在标准大气压下惯用液体物理性质在标准大气压下惯用液体物理性质第20页表表1-2在标准大气压和在标准大气压和20惯用气体性质惯用气体性质第21页表表1-2在标准大气压和在标准大气压和20惯用气体性质惯用气体性质第22页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）第23页二二流体压缩性和膨胀性流体压缩性和膨胀性 1 1、流体压缩性、流体压缩性在一定温度下，流体体积随压强升高而缩小性质在一定温度下，流体体积随压强升高而缩小性质称为称为流体压缩性。流体压缩性大小用体积压缩系数流体压缩性。流体压缩性大小用体积压缩系数来表来表示。它表示当温度保持不变时，单位压强增量引发流体体示。它表示当温度保持不变时，单位压强增量引发流体体积相对缩小量，即积相对缩小量，即式中式中流体体积压缩系数，流体体积压缩系数，m2/N；流体压强增加量，流体压强增加量，Pa；原有流体体积，原有流体体积，m3；流体体积增加量，流体体积增加量，m3。（1-8）第24页因为压强增加时，流体体积减小，即因为压强增加时，流体体积减小，即与与改变改变方向相反，故在上式中加个负号，以使体积压缩系数方向相反，故在上式中加个负号，以使体积压缩系数恒为正值。恒为正值。试验指出，液体体积压缩系数很小，比如水，当试验指出，液体体积压缩系数很小，比如水，当压强在压强在(1490)107Pa、温度在、温度在020范围内时，范围内时，水体积压缩系数仅约为二万分之一，即每增加水体积压缩系数仅约为二万分之一，即每增加105Pa，水体积相对缩小约为二万分之一。表水体积相对缩小约为二万分之一。表1-4列出了列出了0水水在不一样压强下在不一样压强下值。值。表表1-40水在不一样压强下水在不一样压强下值值第25页气体压缩性要比液体压缩性大得多，这是因为气体气体压缩性要比液体压缩性大得多，这是因为气体密度伴随温度和压强改变将发生显著改变。对于完全气密度伴随温度和压强改变将发生显著改变。对于完全气体，其密度与温度和压强关系可用热力学中状态方程表体，其密度与温度和压强关系可用热力学中状态方程表示，即示，即式中式中气体绝对压强，气体绝对压强，Pa；气体密度，气体密度，kg/m3；热力学温度，热力学温度，K；气体常数，气体常数，J/(kgK)。惯用气体气体常数见惯用气体气体常数见表表1-2。在工程上，不一样压强和温度下气体密度可按下式计算：在工程上，不一样压强和温度下气体密度可按下式计算：（1-9）第26页式中式中为标准状态为标准状态(0,101325Pa)下某种气体密度。如下某种气体密度。如空气空气1.293kg/m3；烟气；烟气1.34kg/m3。为在温度为在温度t、压强、压强N/下，某种气体密度。下，某种气体密度。第27页2 2、流体膨胀性、流体膨胀性在一定压强下，流体体积随温度升高而增大性质在一定压强下，流体体积随温度升高而增大性质称称为流体膨胀性。流体膨胀性大小用体积膨胀系数为流体膨胀性。流体膨胀性大小用体积膨胀系数来来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引发流体体积相对增加量，即发流体体积相对增加量，即式中式中流体体积膨胀系数，流体体积膨胀系数，1/，1/K；流体温度增加量，流体温度增加量，K；原有流体体积，原有流体体积，m3；流体体积增加量，流体体积增加量，m3。（1-101-10）第28页试验指出，液体体积膨胀系数很小，比如在试验指出，液体体积膨胀系数很小，比如在9.8104Pa下，温度在下，温度在110范围内，水体积膨胀系数范围内，水体积膨胀系数=1410-61/；温度在；温度在1020范围内，水体积膨胀系数范围内，水体积膨胀系数=15010-61/。在常温下，温度每升高。在常温下，温度每升高1，水体积相，水体积相对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如90100，也只增加万分之七。其它液体体积膨胀系数也是很小。也只增加万分之七。其它液体体积膨胀系数也是很小。流体体积膨胀系数还取决于流体体积膨胀系数还取决于压强压强。对于大多数液体，。对于大多数液体，随压强增加稍为减小。水随压强增加稍为减小。水在高于在高于50时也随压强增加时也随压强增加而减小。而减小。在一定压强作用下，水体胀系数与温度关系如表在一定压强作用下，水体胀系数与温度关系如表1-3所表示。所表示。第29页 表表1-3水体水体胀胀系数系数（1/）第30页3.3.体积模量体积模量E E流体压缩性在工程上往往用体积模量来表示。流体压缩性在工程上往往用体积模量来表示。体积模量体积模量E是体积压缩率倒数。是体积压缩率倒数。E与与 随温度和压强而改变，但改变甚微。随温度和压强而改变，但改变甚微。n说明：说明：a.E越大，越不易被压缩越大，越不易被压缩b.流体种类不一样，其流体种类不一样，其和和E值不一样。值不一样。c.同一个流体同一个流体 和和E值随温度、压强改变而改变。值随温度、压强改变而改变。第31页普通工程设计中，水普通工程设计中，水E=2109Pa，dp不大不大条件下，水压缩性可忽略，对应水密度可视条件下，水压缩性可忽略，对应水密度可视为常数。为常数。单位：单位：(m2N-1)=Pa-1液体被压缩时，质量并没有改变，故液体被压缩时，质量并没有改变，故 第32页 例例1-1 1-1 温度为温度为200C、体积为、体积为2.5m3水，当温度升至水，当温度升至800C时，其体积增加多少？时，其体积增加多少？解：解：200C时：时：1=998.23kg/m3800C时：时：2=971.83kg/m3即：即：则：则：第33页例例1-21-2 使水体积减小使水体积减小0.1%及及1%时，应增大时，应增大压强各为多少？（压强各为多少？（E=MPa）dV/V=-0.1%=-106（-0.1%）=2106Pa=2.0MPa dV/V=-1%=-106（-1%）=20 MPa 第34页 例例1-31-3 输水管长输水管长l=200m，直径，直径d=400mm，作水压试，作水压试验。使管中压强到达验。使管中压强到达55at后停顿加压，后停顿加压，经历经历1小时小时，管中，管中压强降到压强降到50at。如不计管道变形，问在上述情况下，经管。如不计管道变形，问在上述情况下，经管道漏缝流出水量平均每秒是多少？水体积压缩系数道漏缝流出水量平均每秒是多少？水体积压缩系数 =4.8310-10m2/N。解解:水经管道漏缝泄出后，管中压强下降，于是水水经管道漏缝泄出后，管中压强下降，于是水体膨胀，其膨胀水体积体膨胀，其膨胀水体积水体膨胀量水体膨胀量5.955.95L即为经管道漏缝流出水量，即为经管道漏缝流出水量，这是在这是在1 1小时内流出。小时内流出。设经管道漏缝平均每秒流出水体积以设经管道漏缝平均每秒流出水体积以Q 表示，则表示，则 第35页三三流体粘性和牛顿内摩擦定律流体粘性和牛顿内摩擦定律 1 1、流体粘性、流体粘性粘性是流体抵抗剪切变形一个属性。由流体力学特点可粘性是流体抵抗剪切变形一个属性。由流体力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力连续作知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力连续作用下，流体要发生连续不停地变形。但不一样流体在相同剪用下，流体要发生连续不停地变形。但不一样流体在相同剪切力作用下其变形速度是不一样，它反应了抵抗剪切变形能切力作用下其变形速度是不一样，它反应了抵抗剪切变形能力差异，这种能力就是流体力差异，这种能力就是流体粘性粘性。第36页 流体粘性流体粘性 流体流动时产生内摩擦力性质称为流体流体流动时产生内摩擦力性质称为流体粘性粘性。流体内摩擦概念最早由牛顿（流体内摩擦概念最早由牛顿（I.Newton,1687I.Newton,1687，），）提出。由库仑（提出。由库仑（C CA ACoulomb,1784Coulomb,1784，）用试，）用试验得到证实。验得到证实。库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝扭转作用，圆板开始放开，靠金属丝扭转作用，圆板开始往返摆动，因为液体粘性作用，圆板往返摆动，因为液体粘性作用，圆板摆动幅度逐步衰减，直至静止。库仑摆动幅度逐步衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂蜡板和细沙板，分别测量了普通板、涂蜡板和细沙板，三种圆板衰减时间。三种圆板衰减时间。第37页三种圆三种圆板衰减时间均相等板衰减时间均相等。库仑得出结论。库仑得出结论:衰减原因，不是圆板与液体之间相互摩擦衰减原因，不是圆板与液体之间相互摩擦，而，而是液体内部摩擦是液体内部摩擦。第38页现经过一个试验来深入说明流体粘性。现经过一个试验来深入说明流体粘性。将两块平板相隔一定将两块平板相隔一定距离水平放置，其间充满某种液体，并使下板固定不动，上板以距离水平放置，其间充满某种液体，并使下板固定不动，上板以某一速度某一速度u0向右平行移动，如向右平行移动，如图图1-l所表示。因为流体与平板间有所表示。因为流体与平板间有附着力，紧贴上板一薄层流体将以速度附着力，紧贴上板一薄层流体将以速度u0跟随上板一起向右运动，跟随上板一起向右运动，而紧贴下板一薄层流体将和下板一样静止不动。两板之间各流体而紧贴下板一薄层流体将和下板一样静止不动。两板之间各流体薄层在上板带动下，都作平行于平板运动，其运动速度由上向下薄层在上板带动下，都作平行于平板运动，其运动速度由上向下逐层递减，由上板逐层递减，由上板u0减小到下板零。在这种情况下，板间流体流减小到下板零。在这种情况下，板间流体流动速度是按直线改变。动速度是按直线改变。显然，因为各流层速度不一样，流层间就显然，因为各流层速度不一样，流层间就有相对运动，从而产生切向作用力，称其为有相对运动，从而产生切向作用力，称其为内摩擦力内摩擦力。作用在两。作用在两个流体层接触面上内摩擦力总是成对出现，即大小相等而方向相个流体层接触面上内摩擦力总是成对出现，即大小相等而方向相反，分别作用反，分别作用第39页图1-1 流体粘性试验第40页图1-1 流体粘性试验第41页 牛顿在自然哲学数学原理中假设：牛顿在自然哲学数学原理中假设：“流体两部分因流体两部分因为缺乏润滑而引发阻力，同这两部分彼此分开速度成正比为缺乏润滑而引发阻力，同这两部分彼此分开速度成正比”。即在图中，粘性切应力为即在图中，粘性切应力为第42页在相对运动流层上。速度较大流体层作用在速度较小流体在相对运动流层上。速度较大流体层作用在速度较小流体层上内摩擦力层上内摩擦力F F，其方向与流体流动方向相同，带动下层，其方向与流体流动方向相同，带动下层流体向前运动，而速度较小流体层作用在速度较大流体层流体向前运动，而速度较小流体层作用在速度较大流体层上内摩擦力上内摩擦力F F，其方向与流体流动方向相反，妨碍上层流，其方向与流体流动方向相反，妨碍上层流体运动。通常情况下，流体流动速度并不按直线改变，而体运动。通常情况下，流体流动速度并不按直线改变，而是按曲线改变，如是按曲线改变，如图图1-1虚线所表示。虚线所表示。2 2、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律依据牛顿依据牛顿(Newton)试验研究结果得知，试验研究结果得知，运动流体所产运动流体所产生内摩擦力生内摩擦力(切向力切向力)F F 大小与垂直于流动方向速度梯度大小与垂直于流动方向速度梯度du/dy成正比，与接触面面积成正比，与接触面面积A成正比，并与流体种类相关，成正比，并与流体种类相关，而与接触面上压强而与接触面上压强P 无关。无关。内摩擦力数学表示式可写为内摩擦力数学表示式可写为第43页写成等式为写成等式为式中式中T流体层接触面上内摩擦力，流体层接触面上内摩擦力，N；A流体层间接触面积，流体层间接触面积，m2；du/dy垂直于流动方向上速度梯度，垂直于流动方向上速度梯度，1/s；动力粘度，动力粘度，Pas。流层间单位面积上内摩擦力称为切向应力，流层间单位面积上内摩擦力称为切向应力，则则式中式中切向应力，切向应力，Pa。（1-111-11）第44页 上式称为牛顿粘性定律，它表明：上式称为牛顿粘性定律，它表明：粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与速度梯度成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；粘性切应力与角变形速率成正比；百分比系数称动力粘度，简称粘度。百分比系数称动力粘度，简称粘度。牛顿粘性定律已取得大量试验证实。牛顿粘性定律已取得大量试验证实。粘性切应力由相邻两层流体之间粘性切应力由相邻两层流体之间速度梯度速度梯度决定决定,而而 不是由速度决定不是由速度决定.粘性切应力由粘性切应力由流体元流体元角变形速率角变形速率决定，而不是由变形决定，而不是由变形量决定量决定.牛顿粘性定律指出：牛顿粘性定律指出：流体粘性只能影响流动流体粘性只能影响流动快慢快慢，却不能停顿流动。，却不能停顿流动。第45页式中：流速梯度式中：流速梯度代表流体微团剪切变形速率。代表流体微团剪切变形速率。线性改变时，即；线性改变时，即；,非线性改变时，非线性改变时，即是即是u对对y求导。求导。n证实：在两平板间取一方形流体微团，高度为证实：在两平板间取一方形流体微团，高度为dy，dt时间后，时间后，流体微团从流体微团从abcd运动到运动到abcd。由图得：由图得：n说明：说明：流体切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。流体切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。所以所以,液体粘性可视为液体抵抗剪切变形特征，液体粘性可视为液体抵抗剪切变形特征，剪切变形越大，所产生内摩擦力越大，对相对运动液层抵抗剪切变形越大，所产生内摩擦力越大，对相对运动液层抵抗越大。越大。第46页从式从式可知，当速度梯度等于零时，内摩擦力可知，当速度梯度等于零时，内摩擦力也等于零。所以，当流体处于静止状态或以相同速度运动也等于零。所以，当流体处于静止状态或以相同速度运动(流流层间没有相对运动层间没有相对运动)时，内摩擦力等于零，时，内摩擦力等于零，此时流体有粘性，此时流体有粘性，流体粘性作用也表现不出来流体粘性作用也表现不出来。当流体没有粘性。当流体没有粘性(=0)时，内时，内摩擦力等于零。摩擦力等于零。在流体力学中还常引用动力粘度与密度比值，在流体力学中还常引用动力粘度与密度比值，称为运动粘称为运动粘度度，用符号，用符号表示，即表示，即式中式中运动粘度，运动粘度，m2/s。惯用液体和气体动力粘度见惯用液体和气体动力粘度见表表1-1和表和表1-2。表表1-5和和表表1-6分分别给出了水和空气不一样温度时粘度。一些惯用气体和液体别给出了水和空气不一样温度时粘度。一些惯用气体和液体动力粘度和运动粘度随温度改变见动力粘度和运动粘度随温度改变见图图1-2和和图图1-3。第47页 3 3、影响粘性原因、影响粘性原因 流体粘性随压强和温度改变而改变。流体粘性随压强和温度改变而改变。在通在通常压强下，压强对流体粘性影响很小，可忽略常压强下，压强对流体粘性影响很小，可忽略不计。不计。在高压下，流体在高压下，流体(包含气体和液体包含气体和液体)粘性粘性随压强升高而增大。随压强升高而增大。流体粘性受温度影响很大，流体粘性受温度影响很大，而且液体和气体粘性随温度改变是不一样。而且液体和气体粘性随温度改变是不一样。液液体粘性随温度升高而减小，气体粘性随温度升体粘性随温度升高而减小，气体粘性随温度升高而增大。高而增大。第48页 造成液体和气体粘性随温度造成液体和气体粘性随温度不一样改变原不一样改变原因是因为组成它们粘性主要原因不一样。因是因为组成它们粘性主要原因不一样。分子分子间吸引力是组成液体粘性主要原因间吸引力是组成液体粘性主要原因，温度升高，温度升高，分子间吸引力减小，液体粘性降低；分子间吸引力减小，液体粘性降低；组成气体组成气体粘性主要原因是气体分子作不规则热运动时，粘性主要原因是气体分子作不规则热运动时，在不一样速度分子层间所进行动量交换。在不一样速度分子层间所进行动量交换。温度温度越高，气体分子热运动越强烈，动量交换就越越高，气体分子热运动越强烈，动量交换就越频繁，气体粘性也就越大。频繁，气体粘性也就越大。第49页 流体粘性形成原因流体粘性形成原因:(1)(1)两层液体之间粘性力主要由分子内聚力形成两层液体之间粘性力主要由分子内聚力形成(2)(2)两层气体之间粘性力主要由分子动量交换形成两层气体之间粘性力主要由分子动量交换形成当两层当两层液体作相对运动时，两层液体分子液体作相对运动时，两层液体分子平均距离加大，吸引力随之减小，这就是平均距离加大，吸引力随之减小，这就是分子内聚力。分子内聚力。第50页粘粘 度度全称为全称为动力粘度动力粘度,依据牛顿粘性定律可得依据牛顿粘性定律可得.有时候用有时候用:poise(泊泊)=dyne scm-2 工程中经常用到运动粘度，用下式表示 单位:(m2/s)单位：单位：Nsm-2 Pas 1 poise=0.1 Nsm-2=0.1 Pas 单位：单位：m2s-1 用有时候用有时候:cm2s-1 1 cm2s-1=1 stokes=0.0001 m2s-11 mm2s-1=10-2 stokes=10-6 m2s-1第51页壁面不滑移假设壁面不滑移假设因为流体易变形性，流体与固因为流体易变形性，流体与固壁可实现分子量级粘附作用。壁可实现分子量级粘附作用。经过分子内聚力使粘附在固壁经过分子内聚力使粘附在固壁上流体质点与固壁一起运动。上流体质点与固壁一起运动。库仑试验间接地验证了壁面不滑移假设；库仑试验间接地验证了壁面不滑移假设；壁面不滑移假设已取得大量试验证实，被称为壁面不滑移假设已取得大量试验证实，被称为:壁面不滑移条件壁面不滑移条件。第52页 4 4、理想流体假设、理想流体假设如前所述，实际流体都是含有粘性，都是粘性流体。如前所述，实际流体都是含有粘性，都是粘性流体。不不含有粘性流体称为理想流体含有粘性流体称为理想流体，这是客观世界上并不存在一个，这是客观世界上并不存在一个假想流体。在流体力学中引入理想流体假设是因为在实际流假想流体。在流体力学中引入理想流体假设是因为在实际流体粘性作用表现不出来场所体粘性作用表现不出来场所(像在静止流体中或匀速直线流像在静止流体中或匀速直线流动流体中动流体中)，完全能够把实际流体当理想流体来处理。在许，完全能够把实际流体当理想流体来处理。在许多场所，想求得粘性流体流动准确解是很困难。多场所，想求得粘性流体流动准确解是很困难。对一些粘性对一些粘性不起主要作用问题，先不计粘性影响，使问题分析大为简化，不起主要作用问题，先不计粘性影响，使问题分析大为简化，从而有利于掌握流体流动基本规律。至于粘性影响，则可依从而有利于掌握流体流动基本规律。至于粘性影响，则可依据试验引进必要修正系数，对由理想流体得出流动规律加以据试验引进必要修正系数，对由理想流体得出流动规律加以修正。修正。第53页另外，即使是对于粘性为主要影响原因实际流动问题，另外，即使是对于粘性为主要影响原因实际流动问题，先研究不计粘性影响理想流体流动，而后引入粘性影响，先研究不计粘性影响理想流体流动，而后引入粘性影响，再研究粘性流体流动更为复杂情况，也是符合认识事物由再研究粘性流体流动更为复杂情况，也是符合认识事物由简到繁规律简到繁规律。基于以上诸点，在流体力学中，总是先研究。基于以上诸点，在流体力学中，总是先研究理想流体流动，而后再研究粘性流体流动。理想流体流动，而后再研究粘性流体流动。第54页表表1-5 1-5 水粘度与温度关系水粘度与温度关系 水：水：空气：空气：常温常压下，水和空气粘度系数分别为常温常压下，水和空气粘度系数分别为第55页 表表1-6 1-6 空气粘度与温度关系空气粘度与温度关系 常温常压下，水和空气粘度系数分别为常温常压下，水和空气粘度系数分别为第56页1-2 1-2 流体动力粘度流体动力粘度第57页图图1-3 1-3 流体运动粘度流体运动粘度第58页例：例：一底面积为一底面积为45x50cm2，高为高为1cm木块，木块，质质量为量为5kg，沿涂有润滑油斜面向下作等速运动，沿涂有润滑油斜面向下作等速运动，木块木块运动速度运动速度u=1m/s，油层厚度，油层厚度1mm，斜坡角，斜坡角22.620(见图示见图示)，求油粘度，求油粘度。解解：木木块块重重量量沿沿斜斜坡坡分分力力F与与切切力力T平衡时，等速下滑平衡时，等速下滑第59页例例1-41-4一平板距另一固定平板一平板距另一固定平板=0.5mm，二板水平放置，二板水平放置，其间充满流体，上板在单位面积上为其间充满流体，上板在单位面积上为=2N/m2力作用下，以力作用下，以u=0.25m/s速度移动，求该流体动力粘度。速度移动，求该流体动力粘度。解解由牛顿内摩擦定律由牛顿内摩擦定律（1-10）因为两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，因为两平板间隙很小，速度分布可认为是线性分布，可用增量来表示微分可用增量来表示微分（Pas）第60页例例1-51-5长度长度L=1m，直径，直径d=200mm水平放置圆柱体，置于内径水平放置圆柱体，置于内径D=206mm圆管中以圆管中以u=1m/s速度移动，已知间隙中油液相对密度速度移动，已知间隙中油液相对密度为为d=0.92，运动粘度，运动粘度=5.610-4m2/s，求所需拉力，求所需拉力F为多少？为多少？解解间隙中油密度为间隙中油密度为（kg/m3）动力粘度为动力粘度为（Pas）由牛顿内摩擦定律由牛顿内摩擦定律因为间隙很小，速度可认为是线性分布因为间隙很小，速度可认为是线性分布（N）第61页第62页四四液体表面张力和毛细现象液体表面张力和毛细现象 1 1、表面张力、表面张力当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张力，出现一些特殊现象，比如空气中雨滴呈球状，液体面张力，出现一些特殊现象，比如空气中雨滴呈球状，液体自由表面好像一个被拉紧了弹性薄膜等。自由表面好像一个被拉紧了弹性薄膜等。表面张力形成主要取决于分界面液体分子间吸引力，也称表面张力形成主要取决于分界面液体分子间吸引力，也称为内聚力。在液体中，一个分子只有距离它约为内聚力。在液体中，一个分子只有距离它约10-7cm半径范半径范围内才能受到周围分子吸引力作用。在这个范围内液体分子围内才能受到周围分