流体力学第二章-y

第二章 流体的力学性质
流体定义
在微小剪切力的持续作用下能够连续变形的物质
流体的特征
易变性与粘性 表面张力
可压缩性
2018/10/26 1
2.1 流体的易变形性与粘性 一、流体的易变形性）重点、难点
流体与固体的区别：
直观差别：
固体具有确定的形状； 流体的形状取决于与流体相接触的边界。 力学角度：如下

流体在静止时不能承受切向力,不管多 小的切向力,只要连续施加,都会使流体 发生任意大的变形,叫易流动性。
在流体上只要有剪切应力存在，它将变 形不止（连续变形），这就是流体易变 形性的表现。

2.1.2物质三态的基本特征

流体和固体的区别:
从力学分析的角度上看，在于它们对外力抵 抗的能力不同 固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗 拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力,不 能抵抗拉伸变形。
2018/10/26
15
2.1 流体的易变形性与粘性
u0
F F，
dy du
流体的粘性实验
2018/10/26 16
牛顿实验

2.1 流体的易变形性与粘性
发现：紧靠上板的液体粘附在其表面 上而与之以相同的速度v0向前运动； 紧靠下板的液体，也因粘附作用而与 下板一起保持不动，而两板之间的液 体，则由于粘滞作用，从上到下速度
流体的粘性是由流动流体的内聚力和分子的动量交 换所引起的 分子间吸引力：分子间相互拖动(或称为内聚力)。 分子不规则运动：分子迁移(引起分子动量交换)。

对于气体：

分子活动空间大，主要是不规则运动引起分子团间 相互掺混；

对于液体：

分子间吸引力起主要作用，阻碍分子离开瞬时形成 的平衡位置。
逐渐由大变小，直至为零。
2.2.1粘性,理想流体

2.1 流体的易变形性与粘性
粘性:

流体所具有这种抵抗两层流体相对滑动速度, 或普遍讲抵抗变形的性质叫做粘性。 流体在运动时,对相邻两层流体间的相对运动, 即相对滑动速度有抵抗作用,这种抵抗力称为 粘性应力。

粘性应力:

粘性产生的原因

2.1 流体的易变形性与粘性
2018/10/26 2
2.1.1什么是流体

首先看固体：可以一定的变形抵抗外力的作用。
固体在确定的切应力作用下，将产生确定的变形。
2.1.1什么是流体

其次看流体：流体在外部剪力的作用下连续 的变形

或者讲,流体只有在流动的情况下才能抵抗 剪力的作用
流体在切应力作用下，将产生连续不断的变形
2.1.1什么是流体
液体
气体
难压缩 受容器限制
压力
压力
10倍分子 引力斥力都很小,无 易被压 受容器限制 直径 平衡位置 缩
2018/10/26
10
2.1 流体的易变形性与粘性 二、流体的粘性
1、流体的粘性
对于固体而言，在剪切力作用下，固体产生相 应的变形。在弹性变形范围内，变形角、剪切弹性 模数和切应力的关系满足胡克定律。

2.1.2物质三态的基本特征

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 ，不存在自由界面。

2.1.2物质三态的基本特征
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。

2.1.1什么是流体

从分子力角度解释:
固体分子间的作用较强，当外界有力作用于 固体时,它可以作微小变形,然后承受住切应力 不再变形; 而在液体和气体中,分子间的作用较弱或很弱, 只要很小的切应力,都可使它们产生任意大的 变形。

固பைடு நூலகம்,液体和气体力学性质比校
分子间距 固体 约为分子 直径 约为分子 直径 分子力和分子位置 引力斥力平衡 束缚于晶格结构 引力斥力平衡 但平衡位置可动 压缩性 很难 形状 固定形状 受力 压力,拉力 剪力
对于流体而言，处于连续变形过程中的流体具 有抵抗剪切应力能力。 下面考察剪切应力和连续变形之间的关系。
2018/10/26 11
2.1 流体的易变形性与粘性
流体的粘性定义：流体运动时，微团之间
具有抵抗相互滑移运动的属性。
牛顿在《自然哲学的数学原理》（1687）中指出： 相邻两层流体作相互运动时存在内摩擦作用， 称为粘性力。
库伦用实验（1784）证实流体存在内摩擦。
2018/10/26
12
2.1 流体的易变形性与粘性 库仑实验
库伦把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将 圆板绕中心旋转一角度后放开，靠金属丝的扭转作 用，圆板开始往复摆动。由于液体的粘性作用，圆 板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库伦分别测量了 普通板、涂蜡板和细沙板三种圆板的衰减时间。
两板间的流体可以看作分成了无数个平行于 平板的流体层，层与层之间存在着速度差。 由于流体分子间存在吸引力，速度较快的流 体层会拖着慢层向前运动。 速度较快的流体层中的流体，其在x方向的 动量也大，该层流体分子中的一部分由于无 规则热运动进入速度较慢的流体层，通过碰 撞将动量传递给后者，使其产生一个加速力 ；
粘性产生的原因

2.1 流体的易变形性与粘性
同时，运动较慢的流体层亦有同样数 量分子进入运动较快的流体层，而对 后者产生一个大小相等、方向相反的 减速力。 这种传递一层一层进行，直至壁面。 流体向壁面传递动量的结果是产生了 壁面处的摩擦力。
归纳如下：


2.1 流体的易变形性与粘性
产生粘性的物理原因:
普通板 涂腊板 细沙板
2018/10/26
三种圆板 的衰减时 间那个大？ 那个小？
13
2.1 流体的易变形性与粘性 三种圆板的衰减时间均相等！
阻力的来源不是圆板与液体之间的相互摩擦， 而是液体内部的摩擦。
2018/10/26 14
2.1 流体的易变形性与粘性

流体粘性所产生的两种效应


流体内部各流体微团之间会产生粘性力； 流体将粘附于它所接触的固体表面。
2.1 流体的易变形性与粘性 二、流体的粘性
2、牛顿内摩擦定律
与垂直于流动方向的速度梯度du/dy成正比 摩擦力 F 与接触面的面积A成正比 与流体的种类有关 与接触面上压强P 无关
2018/10/26
22
2.1 流体的易变形性与粘性 二、流体的粘性
2、牛顿内摩擦定律
du 数学表达式 F A dy du 写成等式为 F A dy