第一章_流体及其主要物理性质

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。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， 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 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 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 很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处 理。
流体
有无固定的体 积？ 流体 气体 液体 无 有
固体
是否容易 被压缩？ 易 不易
能否形成 自由表面？ 否 能
• 问题的提出
二、 流体质点与流体的连续介质模型 （连续介质假设）
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
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

液体和气体的区别：
（1）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 意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。

液体和气体的共同点： 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动，故二者统称为流体。
•
液体、气体与固体的区别
呈现流动性？
2.数值模拟
流体流动的数值模拟是近代流体力学，数值 数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强 大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具， 应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各 类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究， 以解决各种实际问题。计算流体力学的基本特 征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定 理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体 动力学实验，在科学研究和工程技术中产生了 巨大的影响。
四、流体力学的研究方法及其应用
流体力学研究流体这样一个连续介质的宏观
运动规律以及它与其它运动形态之间的相互作用，
其研究方法有理论研究、数值计算和实验三种，
三种方法取长补短，相互促进，彼此影响，从而
促使流体力学得到飞速的发展。
1.理论研究
理论研究一般说来包括下列几个主要步骤： 1).通过实验和观察，对流体的物理性质及运 动的特性进行分析研究，根据不同问题分析哪 些是主要因素，哪些是次要因素，然后抓住主 要因素，忽略次要因素，对流体及其运动进行 简化和近似，设计出合理的理论模型。 2).对上述理论模型，根据物理上已经总结出 来的普遍定律（牛顿定律、热力学定律）以及 有关的实验公式，建立描述流体流动规律的封 闭方程组以及与之相应的初始条件和边界条件。
理论、计算、实验这三种方法各有利弊，相
互促进。实验用来检验理论结果和计算结果的正 确性和可靠性，并提供建立运动规律及理论模型 的依据。理论则能指导实验和计算，可以把部分 实验结果推广到一整类没有做的实验现象中，计 算可以弥补理论和实验的不足。
4.应用
流体力学在生产部门中有着非常广泛的应 用，可以这样说，目前已很难找出一个技术部 门，它与流体力学没有或多或少的联系。 航空工程和造船工业中，飞机和船的外形设 计；在水利工程中，大型水利枢纽，水库，水 电站，洪峰预报，河流泥沙；动力机械中蒸气 透平，喷气发动机，压缩机，水泵；在石油工 业中，油气集输，油、气、液的分离，钻井泥 浆循环，注水，压裂，渗流；金属冶炼和化学 工业等。
没有固定的形状，液体的形状取决于盛装它的容器；气体完 全充满容器。 流体具有可压缩性；液体可压缩性小，水受压从1个大气压增 加至100个大气压时，体积仅减小0.5%；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。
3、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。

流体和固体的区别: 从力学分析的意义上看，在于它们对外 力抵抗的能力不同。
六、教学基本要求
1）.正确理解流体力学中的一些基本概念和流动的基 本特征； 2）.掌握研究流体运动的一些基本方法； 3）.熟练掌握平衡流体的压强分布规律以及流体作用 在壁面上的总压力的计算； 4）.熟练掌握连续性方程、伯努利方程、动量方程， 对工程中的一般流体流动问题具有分析和计算的能力； 5）.正确理解量纲分析和相似原理对实验的指导意义； 6）.掌握流体在圆管中层流、紊流运动阻力和水头损 失的计算与实验研究方法，能够运用基本公式和图表对简 单串、并联管路进行分析和计算；
（2）根据流体是否具有粘性，可分为： 实际流体：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。 理想流体：是指忽略粘性的流体，在运动时也不能抵 抗剪切变形。 问题：理想流体的特征是: A、粘度是常数；
B、不可压缩；
C、无粘性； D、符合pV=RT。
（3）牛顿流体、非牛顿流体
牛顿流体（newtonian fluids）：是指任一 点上的切应力都同剪切变形速率呈线性函数 关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体 称为牛顿流体。
(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）。
(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。
(d)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
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 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 一个常数。 d d t=0的流体称为不可压缩流体，而密度为 常数的流体称为不可压均质流体。 气体的压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变 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1℃体积就 比0℃时的体积膨胀1/273。所以，通常把气体看成是可压 缩流体，即它的密度不能作为常数，而是随压强和温度的 变化而变化的。我们把密度随温度和压强变化的流体称为 可压缩流体。
非牛顿流体：不符合上述条件的。
§1-2 流体的主要物理性质
一、流体的密度 1、密度 一切物质都具有密度，流体也不例外。 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。 流体的密度定义：单位体积流体所具有的质量，用符号ρ
来表示。
对于流体中各点密度相同的均质流体，其密度 M （1-1） V 式中： ρ—流体的密度，kg/m3； M —流体的质量，kg； V—流体的体积，m3。
五、本课程的性质、目的与和任务
本课程是机械设计制造及其自动化专业的 专业基础课。主要任务是：通过各种教学环节， 使学生掌握流体力学的基本知识、原理和计算方 法，包括流体的基本性质，流体平衡及运动的基 本规律，简单的管路计算，能运用基本理论分析 和解决实际问题，并掌握基本的实验技能，为从 事专业工作、科研和其他专业课的学习打下基础。
固体由于其分子间距离很小，内聚力很大，
所以它能保持固定的形状和体积，能承受一定数
量的拉力、压力和剪切力，而流体则不同，由于 其分子间距离较大，内聚力很小，它几乎不能承 受拉力和抵抗拉伸变形；在微小剪切力作用下， 流体很容易发生变形或流动，所以流体不能保持
固定的形状。
自然界的物质存在形式有五种状态，即固态、 液态、气态、等离子态和凝聚态，其中液态、气
1).客观上存在宏观上足够小而微观上足够大的小 分子团，这个小分子团在几何上为一个点，此点 称为流体质点；
2).流体由连续排列的流体质点组成，质点间无 间隙； 3).流场中某空间点在某瞬时的流动参数，由该 瞬时占据该空间点的流体质点的宏观参数确定。 4).流体的一切宏观参数一般是时间的连续函数； 5).研究流体的宏观流动可应用数学分析工具。
W —4℃时水的密度，kg/m3。
表1-1和表1-2列出了一些常用液体、气体在标准大气压强 下的物理性质。
表1-1
液体种类 纯水 海水 20%盐水 乙醇 （酒精） 苯 四氯化碳 氟利昂-12 甘油 汽油 煤油 原油 润滑油 氢 氧 水银 温度 t （℃） 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 -257 -195 20
3).利用各种数学工具（在流体力学中主要 是偏微分方程，常微分方程，复变函数，近似 计算等），准确地或近似地解出方程组。 4).对求解结果进行分析，揭示物理量的变 化规律，并将它和实验或观察资料进行比较， 确定解的准确度及适用范围。 理论研究的特点在于科学的抽象，从而能 够利用数学方法求出理论结果，清晰地揭示出 物质运动的内在规律。
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： 可压缩流体（compressible flow）： 流体密度随压强变化不能忽略的流体。 不可压缩流体（incompressible flow）： 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。
对于各点密度不同的非均质流体，在流体的空间中某点 取包含该点的微小体积 V ，该体积内流体的质量为m 则该点的密度为 M dM lim （1-2） V 0
V dV
比容： 密度的倒数 流体的相对密度
v
1

（1-5）
流体的相对密度是指某种流体的密度与4℃时水的密度的 比值，用符号d来表示。 d f W 式中： f —流体的密度，kg/m3；
流体流动的数值模拟能够解决理论研究中无
法解决的复杂流动问题。与实验相比，所需费用 和时间都比较少，而且有较高的精度。有些问题 在实验室内无法进行实验，但采用数值模拟方法 却可以对它进行研究。其有效性依赖于数学方程 的准确性。
3.实验研究
在实验研究在流体力学中有着广泛的应用，
它的主要特点是它能在所研究问题完全相同或大 体相同的条件下进行观察，其结果一般说来是可 靠的。但是实验方法往往受模型尺寸的限制，相 似准则不能完全满足。
第一章 流体及其主要物理性质
§1-1 流体的概念 §1-2 流体的主要物理性质
§1-3 作用在流体上的力
§1-1 流体的概念
一、流体的定义和特征 1、定义：指具有流动性且自身不能保 持一定形状的物体，如气体和液体。
流
动
Байду номын сангаас
•即 流 体 受 切 应
力时产生的变形
2、特征
流体只能承受压力，不能承受拉力，在即使是很小剪切力的 作用下也将流动（变形）不止，直到剪切力消失为止。
工程流体力学
主讲:朱新通
长江大学机械工程学院
绪
论
一、流体力学的研究对象
流体力学以流体为对象，研究流体静止和 运动的基本规律以及流体与固体的相互作用的 一门科学，是力学的一个分支。它包括流体静 力学和流体动力学，流体静力学研究流体静止
时力的平衡规律，流体动力学研究流体的运动
特性及运动时的力学规律。
二、流体的特点
的分子平均自由程时，可将流体视为在 时间和空间连续分布的函数。
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。只研究连续介质的力学规律。 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 以利用连续函数这一数学工具来研究问题。 这一假定由瑞士学者欧拉（Euler）1753年首先建立， 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。 研究液体运动时，可利用连续函数分析方法
态即属于流体。
流体具有如下特点： 1).没有固定形状； 2).无论有怎样小的切应力，流体将持续发 生切应变，即易流动性； 3).静止流体内不存在切应力。
三、连续介质模型
流体是由大量分子组成，分子之间有间隙，每个 分子都在不断地作不规则的热运动。就微观结构而言， 流体内部有空隙，且不连续。但是在一般情况下，即 使在很小的流体体积内，仍有大量的分子。流体力学 的一切宏观参数（密度、温度、压强）都是大量分子 行为的统计平均值。当从宏观角度研究流体的机械运 动时，就认为流体物质是连续。在流体力学中，把流 体质点作为最小的研究对象，每个质点都含有大量的 分子，故分子随机出入该微小体积不会影响宏观特性， 能保持宏观力学特性。因此，有理由认为流体是连续 介质。连续性介质模型特点：