粘性流体力学
4-粘性流体力学与层流流动
4-粘性流体力学与层流流动粘性流体力学是研究粘性流体运动规律的一门学科，可根据流体的不同分为牛顿流体和非牛顿流体。
层流流动是流体流动方式的一种，指流体流动时粒子之间的运动具有良好的有序性，且互相之间影响很小，层流流动的特性和规律是粘性流体力学研究的一部分。
粘性流体力学中，我们用一种称为“粘度”的物理量来描述流体的内部阻力。
粘度描述了流体粒子之间难以滑动的程度，粘度越大，表明流体相对运动的内阻力越大。
在粘性流体中，如果微观粒子的速度变化较大，则会产生较大的粘性阻力。
层流流动中，流体按照一定的竖直方向上的速度分布进行平稳流动。
由于粘度的存在，不同速度层面上的流体在相互掠过时，会因相对速度而受到阻力，这就形成了一种剪切应力。
在一定条件下，流体会形成种类众多、形态各异的流动类型，如平面层流，管道层流等等。
在粘性流体力学里，层流流动是一种非常稳定的流动现象，诸如颗粒的路径稳定、流速和压力分布稳定等。
层流流动中流体中各个流层都是并行流动的，并且相邻流层间的速度差别通常不大，这使得层流流动中的流动失稳和湍动现象较少出现，从而能够获得相当准确的数学描述和解析解。
然而，尽管层流流动在粘性流体力学中处于重要地位，但并不是所有流体流动都能达到层流状态。
在实际生产和生活中，许多流体常常处于层流与湍流的过渡状态，这就需要进行深入的研究来对这些过渡状态进行理解和把控。
研究粘性流体力学和层流流动有着重要的理论意义和实际价值。
这些研究成果广泛应用在化工、高分子材料、土壤水动力学、生物医学等诸多领域，如液态塑料的注塑工艺、血液的流动、河流的径流等等。
以上是简单介绍粘性流体力学与层流流动的相关知识，希望能帮助大家对这两个概念有一个更深入的理解。
粘性流体力学与层流流动的研究充满了挑战，需要我们用严谨的科学态度和持续的努力去不断深化研究，推动这一门学科的进步。
在现代物理科学与工程技术中，粘性流体力学与层流流动的研究定会有更广阔的应用前景，值得我们进一步探索和研究。
工程流体力学-粘性流体的一维定常流动
动量守恒方程是流体运动的基本方程之一，表示流体在运动过程中动量的增加或减少等于作用在流体 上的外力之和。
详细描述
动量守恒方程的数学表达式为ρdudt=−p+ρg+τx+F,其中p表示流体的压强，g表示重力加速度，τx表示 由于粘性作用在x方向上的应力，F表示作用在流体上的外力。
能量守恒方程
总结词
化提供了重要支持。
能源利用
能源领域如火力发电、 水力发电等涉及到大量 的流体流动问题。通过 一维定常流动理论，可 以深入理解流体在涡轮 机内的流动规律，提高
能源利用效率。
生物医学
在生物医学领域，血液 、淋巴液等生物流体也 存在着一维定常流动的 现象。研究这些流动有 助于深入了解人体生理 机制，为疾病诊断和治
边界层。
边界层的分离
当流体经过弯曲的壁面或突然扩大 的区域时，边界层可能会与壁面分 离。分离后的边界层会形成涡旋， 影响流体的流动特性。
边界层的厚度
边界层的厚度与流体的粘性、流速 和壁面的粗糙度有关。了解边界层 的厚度对于控制流体流动和减小阻 力具有重要意义。
射流流动的实例分析
射流的定义
射流是指流体从一定口径的喷嘴喷出后形成的流动。射流的特性与 喷嘴的口径、流体性质和出口压力有关。
一维定常流动的特性
01
流体参数不随时间变化而变化，只与空间位置有关。
02
流体参数沿流程方向不发生变化，只与流程位置有 关。
03
流体参数在垂直方向上均匀分布，不随高度变化而 变化。
05
粘性流体的一维定常流动 的实例分析
管道流动的实例分析
管道流动的特点
在管道中，流体受到壁面的限制，呈现出一定的流动规律。 由于粘性作用，流体的速度在靠近管壁处较小，而在中心 区域较大。
4-粘性流体力学与层流流动
4-粘性流体力学与层流流动流体力学是研究流体运动规律的科学分支，可以分为粘性流体力学和非粘性流体力学。
其中，粘性流体力学主要研究的是流体内部分子间相互作用所引起的黏性阻力，并分析流体在受力作用下的运动规律。
而层流流动则是粘性流体力学中的一种重要流动现象。
粘性流体力学是流体力学中的一个重要分支，其研究的对象为具有黏性的流体。
黏性流体的粘度是描述流体黏性大小的物理量，它决定了流体的黏滞阻力大小。
黏性流体的运动可以分为层流流动和湍流流动两种模式。
层流流动是指黏性流体在导体内部或流道内的流动方式，其特点是流动速度场呈现规则性，流体各层之间的速度梯度较小。
在层流流动中，黏性阻力主要通过分子间的黏性作用传递，流体流动稳定，流线连续而平行。
层流流动通常发生在低速、长管道或细颗粒填充床中。
而湍流流动则是流体在高速或复杂几何形状中的流动方式，其特点是速度场无规则变化，存在涡旋和漩涡结构。
湍流流动中的黏性阻力主要由于流体内部不同速度层之间的相互作用而产生，流体流动不稳定，流线不连续而交织。
黏性流体力学的研究内容主要包括流体的黏性阻力、黏性作用力、流体的流速场分布以及流体稳定性等方面。
其中，黏性阻力表示了黏性流体在流动中克服黏性阻力所需的力大小。
黏性作用力是流体分子间的相互作用力，它决定了流体的粘性大小。
流体的流速场分布是指研究流体在不同位置的速度大小和方向，可以通过流体力学方程和边界条件来描述。
流体的稳定性是指流体在外界干扰下能保持稳定的能力，其稳定性不仅由黏性力作用决定，还与流动条件、流体特性以及外界干扰因素有关。
层流流动是黏性流体力学中一种较为重要的流动现象。
层流流动的特点是流体各层之间的速度梯度较小，流线连续而平行，黏性阻力主要通过分子间的黏性作用传递。
层流流动对于一些工程问题具有重要意义，比如管道中的油水输送、微流体操控以及骨科手术中的关节润滑等。
在这些应用中，层流流动可以有效减小黏性阻力，降低能源消耗，提高流体运输效率。
粘性流体力学知识点汇总
粘性流体力学知识点汇总粘性流体力学涉及到了流体的黏度、黏滞力和黏滞性等概念。
在本文中，我们将逐步思考和总结一些重要的粘性流体力学知识点。
1.流体的黏度黏度是流体抵抗剪切变形的能力，也可以理解为流体内部分子间相互作用力的一种体现。
黏度的大小决定了流体的流动性质。
一般来说，黏度越大的流体，其运动越困难，黏滞力越高。
2.层流和湍流在流体运动中，当流体的运动是有序的、分层的，流动速度沿着一个方向变化较小时，称为层流。
相反，当流体的运动是混乱的、无序的，流动速度沿着各个方向都有明显的变化时，称为湍流。
湍流比层流的黏滞力大，能量损失也较大。
3.流体的黏滞力黏滞力是流体内部分子之间的摩擦力，它使得流体在流动过程中出现阻力。
黏滞力与流体黏度有关，黏度越大，黏滞力也就越大。
黏滞力对于流体的流动速度和形状变化起着重要的作用。
4.斯托克斯定律斯托克斯定律描述了小球在粘性流体中的运动规律。
根据斯托克斯定律，当小球在粘性流体中运动时，流体对小球的阻力与小球的半径、流体的黏度和小球的速度成正比。
这个定律对于研究微小颗粒在流体中的运动十分重要。
5.纳维-斯托克斯方程纳维-斯托克斯方程是描述流体运动的基本方程之一。
它通过描述流体的连续性、动量守恒和能量守恒来描述流体的运动规律。
纳维-斯托克斯方程是非线性的偏微分方程，求解非常困难，因此通常需要借助数值方法进行求解。
6.流体流动的雷诺数雷诺数是描述流体流动状态的一个重要无量纲参数。
它由流体的惯性力与粘性力的比值得出，可以判断流体流动的稳定性。
当雷诺数较小时，流体流动呈现层流状态；当雷诺数较大时，流体流动呈现湍流状态。
7.流体黏度的测量方法测量流体黏度的常用方法包括粘度计法、旋转式粘度计法和圆柱旋转法等。
这些方法通过测量流体在不同条件下的流动性质，从而得到流体的黏度。
总结：粘性流体力学是研究流体的黏滞性和流动性质的一个重要分支。
本文逐步思考了一些粘性流体力学的知识点，包括流体的黏度、黏滞力和黏滞性等概念，层流和湍流的区别，斯托克斯定律和纳维-斯托克斯方程等基本原理。
流体力学中的流体粘性分析
流体力学中的流体粘性分析流体力学是机械工程领域中一个重要的分支，研究的是流体的运动和力学行为。
其中，流体的粘性是流体力学中一个重要的参数，对于流体的运动状况和性质具有显著影响。
本文将深入探讨流体粘性的分析及其在流体力学中的应用。
首先，我们需要了解粘性的概念。
粘性是指流体内部分子之间的相互作用力所导致的内摩擦力，是流体流动阻力的基本成因。
粘性较高的流体具有较大的内摩擦力，因此在流动过程中更容易形成无穷小的剪切应力。
而粘性较低的流体则具有较小的内摩擦力，流动时相对容易滑动，形成较小的剪切应力。
要分析流体粘性，我们可以通过研究流体的运动方式和流动特性来进行。
在流体力学中，粘性的分析通常依赖于牛顿第二定律和流体连续性方程，通过这些方程我们可以推导出粘性流体的运动方程。
在这个过程中，维度分析和相似性理论是非常重要的工具，可以帮助我们得到流体粘性的定量描述。
流体粘性的分析结果在工程实践中具有广泛的应用。
比如，在汽车设计中，对于车辆的阻力和燃油消耗有着直接影响的就是气体的粘性。
如果能减小气体的粘性，车辆的阻力将减小，从而提高燃油效率。
另外，粘性在计算机模拟和工艺设计中也有着重要的应用。
例如，在模拟油管输送过程中，对于油管内部流体的粘性分析能够直接影响输油速度和整个过程的效率。
流体粘性的研究对于我们理解自然界中的很多现象也非常重要。
例如，水滴落在玻璃上时的展开形状、液体在管道中的流动特性等等，这些现象都与流体的粘性密切相关。
另外，流体粘性的研究对于生物学和医学领域也有着重要意义。
比如，血液的流动过程和心血管系统的研究，需要考虑血液的粘性以及血管内部流体的行为。
流体力学中的流体粘性分析是一个复杂的课题，需要深入理解流体运动规律和力学原理。
通过数学模型的建立和实验数据的分析，我们可以得到流体粘性的定性和定量描述。
这为工程应用和科学研究提供了重要的依据。
同时，未来的研究也需要进一步深入挖掘流体粘性的实质，提出更加准确和可靠的粘性模型，为流体力学领域的发展做出更多贡献。
八章粘性流体力学基础
任意平面上应力 pn n P = ni pijej
n是该平面单位法向量 nx cos(n,i),ny cos(n, j),nz cos(n,k) 重规例复定Pn的：ip量用ijpije，e1nie,1e表jp21,e示j 3代该n替2P量pi 2i,各jj,pki，项jne3j下相p3 j标加用1,n2i,e3j代pij替xn,1nnyne32,1jz(((p，eee1111jppp一132111n项2eeee中22j2pppp1下232222j 标eene33符33pepp1j32号33p3)))3 j
2
第八章 粘性流体力学基础
8.1.3 应力张量分析
Sx sxx sxy sxz
变形速率张量 S iSx jSy kSz S y syx syy syz
Sz
szx
szy
szz
即：S sijeiej
式 中：
sij
牛顿流体平行平板层流流动实验： xy
du dy
（三）偏应力τ与变形速率S的线性关系式
aS b ij aS ij b ij
牛顿流体平行平板层流流动实验： xy
du dy
xy
a (u 2 y
v x
)
0
xy
a 2
u y
a
2
又： pm ( p11 p22 p33 ) / 3 3 pm pii 0
第八章 粘性流体力学基础 1.粘性流体动力学问题的建立； 2.粘性流动的基本特性； 3.粘性流体运动的相似律； 4.几个典型问题的解析求解和近似求解:
粘性流体力学第一章
有关三维边界层和边界层分离计算仍在不断发展。
有关湍流计算的模式理论等仍适用边界层的计算， 有关边界层流动的研究也是这些理论和方法发展的动 力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
边界层的实验测量
在湍流边界层计算的发展中，边界层的实验测量， 其中最主要的是对速度分布规律的研究，这方面的 成果有普朗特（Prandtl 1933年）的内层律，卡门 的外层律（Karman 1930年），克劳塞（Clauser 1954年，1956年）压力梯度对外层律影响的修正， 科尔斯（Coles）的尾迹律, 以及1960年代克兰 （Kline）开始用氢气泡技术观察到的边界层猝发 (burst)现象。
粘性流体力学的发展 两种基本流态——层流、湍流 和雷诺数 流体的传输性质 应变率张量和应力张量 广义牛顿定律
第一节 粘性流体力学的发展
1、研究流体粘性的意义
流体存在着粘性，粘性是流体阻止其本身流动 的性质。当流场中存在速度梯度时，流体就会 产生阻力，这就是粘性。
在求解运动物体在流体中的阻力，以及涡旋的 扩散、热量的传递等问题时，粘性会起主导作 用不能忽略。
D. Catherall et al（1966）首先提出了二维边界层 积分型逆解法。在二维边界层上主要应用East（1977）的 逆解法。
三维边界层在分离现象、判别和模拟方面比二维复杂， J. Cousteix(1981)提出了三维边界层的逆解法。以后Le Ballear（1981），Delery J and Formery（1983）， Radwan S. F. （1984）和Edwards D.E.（1987）等都进 行边界层逆解法的计算，并取得了满意的结果。
粘性流体力学讲解
z
-px
、v、px、p y、pz、f
牛顿第二定律：
x -py
z
M
z
y
py
p y y
y
ma F
x
y
px
p x x
x
-pz
Dv Dt
x
y
z
f
x
y
z
p x
y
z
(p x
p x x
x)
y
z
p y
x
z
(p
y
p y y
y)
x
z
Dv Dt
fy
1
p y
2v
Dw Dt
fz
1
p z
2w
Discussion:
Dv f 1 p 2 v v
Dt
3
1. 物理意义：单位质量流体惯性力、质量力、压力合力和 粘性力平衡。粘性力包括剪应力与附加法向应力。
0
du
dy
yh
dp h dx
y
h
o -h
umax x
dp 0 dx
压力梯度使速度剖面为抛物型——层流运动的特征。
7.3.2往复振荡平板引起的层流流动
平板运动引起粘性效应的扩散。 流场速度分布：
y o u=Ucos t
u U eky cosky t ——粘性扰动波。 y 2
dp 0 dx
速度分布： （Couette流动）
《工程流体力学》第七章 粘性流体动力学
2.附面层位移厚度d*: 设物面P点附面层厚度d ，在垂直于纸面方向取单位宽度，
则该处通过附面层的质量流量：
通过同一面积理想流体流量：
ro, Vo —— 附面层外边界处理想
流体的密度和速度
以d*高度作一条线平行于物面，
使两块阴影处面积相同：
即在流量相等条件下将理想流体流动区从物面向外移动了
流体绕物体流动，整个流场分为三个区域：
1)附面层： 流速：由壁面上零值急剧增加到自由来流速度同数量级值 沿物面法线方向：速度梯度很大
即使流体粘性系数小：粘性应力仍可达到一定数值
由于速度梯度很大： 使得通过附面层物体 涡旋强度很大，流体 是有旋的
2)尾迹流： 附面层内流体：离开物体流入下游，在物体后形成尾迹流
各物理量都是统计平均值， \ 瞬时物理量＝平均物理量＋脉动物理量， 对整个方程进行时间平均的运算。
一、常用时均运算关系式：
时均运算规律：
推论：脉动量对空间坐标各阶导数的时均值=0。
二、连续方程：对二维流动，瞬态运动连续方程 进行时均运算：
\ 可压缩紊流运动连续方程：
进行时均运算： 上两式相减：
\ 附加法向应力
法向应力： l： 比例系数，与体积变化率有关
三个法向应力平均值的负值：为粘性流体在该点压强
最后得表面应力与变形率之间的关系：
第二节 粘性流体运动的基本方程
一、连续方程：
粘性流体运动：服从质量守恒定律 连续方程：不涉及力的作用 仍能得出与理想流体相同形式的方程
二、运动微分方程： 粘性流体中：微元六面体 微元六面体中心：c
三、雷诺方程： 二维不可压缩粘性流，不考虑质量力，N-S为：
对上式进行时均运算：
粘性流体力学
∂n w
式中 T w 是物面上的温度。 q w 为通过单位面积传递给流体 的热量。 ∂T / ∂n 为沿物面外法线方向的温度梯度。
5.粘性流体运动的涡量传输方程
为了讨论漩涡在粘性流体中运动的性质和规律， 有必要建立涡量传输方程。涡量传输方程是从运动 方程派生出来的，便于说明粘性流体中涡旋的产生、 发展和衰减的现象。 根据数学中的场论知识，速度矢量V的随体导数 2 可写为 DV ∂V ∂V V
不可压缩粘性流体的N-S方程在柱坐标系下形式为
∂vr ∂vr vθ ∂vr vθ2 ∂vr vr 2 ∂vθ 1 ∂p 2 + vr + − + vz = fr − +ν ∇ vr − 2 − 2 ∂t ∂r r ∂θ r ∂z ρ ∂r r r ∂θ ∂vθ ∂vθ vθ ∂vθ vr vθ ∂vθ vθ 2 ∂vr 1 1 ∂p 2 + vr + + + vz = fθ − +ν ∇ vθ − 2 + 2 ∂t ∂r r ∂θ r ∂z ρ r ∂θ r r ∂θ ∂vz ∂vz vθ ∂vz ∂vz 1 ∂p + vr + + vz = fz − +ν∇2 vz ∂t ∂r r ∂θ ∂z ρ ∂z
同理，可分别计算沿y方向和z方向净流出控 制体的质量分别为 ∂ ( ρ v) δ xδ yδ zδ t
∂y ∂(ρw)
∂z
(1.2 )
δ xδ yδ zδ t
(1.3 )
Байду номын сангаас
同时，在δ t 时间内控制体内的流体质量减少 了
∂ρ - δ xδ yδ zδ t ∂t
粘性流体力学基本方程组
牛顿流体具有剪切应力和剪切速率成线性关系的特性，这种 关系可以用本构方程来表示。
牛顿流体的本构方程
本构方程
本构方程是描述流体应力与应变之间 关系的方程，对于牛顿流体，其本构 方程为剪切应力等于粘性系数乘以剪 切速率。
本构方程的意义
本构方程是粘性流体力学中的基本方 程之一，它描述了流体在受到外力作 用时内部应力的产生和分布情况。
有限差分法
将流场离散化为网格，用差分表达式近似代 替微分方程中的导数项，从而将微分方程转 化为差分方程进行求解。
有限元法
将流场离散化为单元，用有限元近似表示流场中的 物理量，通过求解有限元方程得到流场中的数值解 。
有限体积法
将流场离散化为体积，每个体积单元上的物 理量通过中心值或平均值表示，通过求解离 散方程得到流场中的数值解。
VS
详细描述
非牛顿流体在剪切力作用下不会表现出恒 定的剪切粘度，其流动行为受到许多因素 的影响，如温度、压力、浓度、分子间相 互作用等。
非牛顿流体的本构方程
总结词
本构方程是描述非牛顿流体在剪切力作用下 的应力与应变率之间关系的数学模型。
详细描述
非牛顿流体的本构方程通常由实验数据确定， 并可以用来预测流体在不同剪切力作用下的 流动行为。常见的本构方程包括幂律模型、 Carreau模型、Bingham模型等。
理论分析方法
01
02
03
数学建模
通过建立数学模型来描述 粘性流体的运动规律，包 括连续性方程、动量方程、 能量方程等。
解析求解
对建立的数学模型进行解 析求解，得到流体运动的 解析解，用于分析流体运 动的特性。
近似方法
在某些情况下，可以采用 近似方法来求解数学模型， 如摄动法、匹配渐近展开 等。
流体粘性对工程流体力学的重要性
流体粘性对工程流体力学的重要性流体力学是研究流体行为和力学规律的学科，而粘性是流体力学中的一个重要概念。
粘性是流体阻碍流动的特性，即粘滞阻力。
流体粘性对于工程流体力学具有重要性，它在许多工程领域发挥着关键作用。
本文将探讨流体粘性对工程流体力学的重要性，并以一些实际应用为例进行论证。
首先，流体粘性对于流体运动的描述和预测至关重要。
粘性影响了流体的速度分布、压力分布和流动模式。
在工程领域的流体力学分析中，我们常常需要通过数学和物理模型来预测流体的行为。
流体粘性是这些模型中必不可少的参数之一。
它的数值大小直接影响到模型预测的准确性。
因此，准确地描述和判断流体粘性对于工程流体力学的研究和应用具有重要意义。
其次，流体粘性对于流体阻力和摩擦损失的分析和优化具有重要作用。
在流体力学中，粘性会产生阻力，使流体对物体或管道内壁施加摩擦力。
在工程实践中，流体阻力和摩擦损失的减小是提高系统效率和降低能源消耗的关键目标。
通过对流体粘性的分析和优化，可以选择合适的流体，设计合理的管道和设备，减小阻力和损失，提高系统性能。
例如，在输送液体的管道系统设计中，需要考虑流体粘性，以使流体输送更加高效和经济。
此外，流体粘性对于工程中的流体传热现象也具有重要影响。
热传导是通过流体内部的分子运动实现的，在流动过程中，流体粘性会影响分子间的相互作用和热能传递效率。
比如，在工业设备和热交换器中，我们需要根据流体的热力学参数和流动条件来确定合适的流体，并对流体的传热性能进行分析和优化。
流体粘性的准确估计和理解对于热传导的分析和预测至关重要。
流体粘性也在液压和空气动力学等工程领域中起着重要作用。
液压系统中的粘性损失会降低液压设备的效率并增加能源消耗。
因此，在液压系统的设计和优化中，对流体粘性进行研究和评估是关键。
在空气动力学中，流体粘性会对飞行器的气动性能产生影响。
例如，在飞机机翼的设计中，需要考虑空气粘性的影响，以确保飞机的升力和阻力的平衡。
流体力学中的流体的黏滞性分布
流体力学中的流体的黏滞性分布流体力学是研究流体运动和力学性质的一门学科。
在流体力学中，黏性是流体的一种重要性质，它描述了流体内部分子间的摩擦力大小。
本文将详细介绍流体的黏性分布及其在流体力学中的应用。
一、黏性的定义和原理黏性是指流体内部分子间相对运动的阻力。
它是流体的基本性质之一，与流体分子的相互作用力有关。
当两个相邻的流体分子相对运动时，由于分子之间的相互作用力，会产生阻力，这就是黏性的体现。
黏性的大小与流体分子间的作用力有关，流体分子间的作用力越大，黏性也越大。
在低温下，分子间作用力较强，黏性较大；在高温下，分子间作用力较弱，黏性较小。
此外，流体的浓度、压力和流速等因素也会影响黏性的大小。
二、流体黏性的分布在流体力学中，流体的黏性分布可以分为均匀分布和非均匀分布两种情况。
1. 均匀分布均匀分布指的是在流体中，黏性是均匀分布的，即任意位置的流体分子之间的黏性相同。
这种情况下，流体的黏性可以通过测量黏度来描述。
黏度是指单位面积上流体流动一单位速度所需施加的力。
当黏度在整个流体中保持不变时，黏性分布呈均匀分布。
2. 非均匀分布非均匀分布指的是流体中的黏性不是均匀分布的，即流体分子之间的阻力不同。
这种情况下，流体的黏性随位置的不同而变化，称为非均匀黏性分布。
非均匀黏性分布常出现在流体在受外力作用下存在强烈的流动或者涡旋情况下。
三、流体黏性分布的应用流体的黏性分布在实际应用中起着重要作用，特别是在流体力学和工程领域。
1. 流体力学研究黏性分布对于流体力学研究具有重要影响。
通过研究流体黏性分布特征，可以深入了解流体在不同条件下的流动规律，从而为流体力学理论的建立和计算模型的优化提供依据。
2. 工程应用在工程中，了解流体的黏性分布对于流体的输送和控制具有重要意义。
例如，在石油输送领域，了解流体的黏性分布可以优化管道布局和输送速度，提高输送效率和减少能源消耗。
另外，在飞机和汽车设计中，黏性分布也是重要考虑因素之一，可以影响飞行和行驶的稳定性和能效。
流体力学中的流体粘性和黏滞性
流体力学中的流体粘性和黏滞性流体力学中的流体粘性和黏性流体力学是研究流体运动和流体力学性质的科学领域。
在流体力学中，流体粘性和黏性是两个重要的概念。
本文将详细介绍流体粘性和黏性的概念、特点以及其在不同领域的应用。
一、流体粘性的概念和特点流体粘性是指流体内部分子间相互摩擦的性质。
当一个力作用于流体时，流体分子会相互移动并产生内部的相对运动，即流体内部会产生剪切应力。
而流体粘性就是流体对剪切应力的抵抗能力。
1. 流体的黏性流体的黏性是流体粘性的一种表现形式。
黏性是指流体内部分子的相互作用力导致的粘滞效应。
当流体受到外力作用时，分子之间会互相摩擦并产生内部的扰动。
流体的黏性可以通过流动的阻力和黏滞系数来描述。
黏滞系数越大，流体的黏性越大，流动受阻越明显。
2. 流体的牛顿性和非牛顿性根据流体黏性的不同特性，流体可以分为牛顿流体和非牛顿流体。
牛顿流体是指在剪切应力作用下，流体的黏滞系数保持不变的流体。
在牛顿流体中，流体的黏滞系数与流体的剪切速率无关。
水和空气是典型的牛顿流体。
非牛顿流体是指在剪切应力作用下，流体的黏滞系数随剪切速率的变化而变化的流体。
在非牛顿流体中，流体的黏滞系数会随着剪切应力的增加而减小或增加。
例如，墨汁和牛奶都是非牛顿流体。
二、流体粘性和黏性的应用流体的粘性和黏性在多个领域都有着广泛的应用。
1. 工程领域的应用在工程领域中，流体粘性和黏性的研究对于设计和优化各种结构和系统至关重要。
例如，汽车工程师需要考虑空气对车辆运动的阻力，以及黏性对车辆行驶稳定性的影响。
同时，在船舶和飞机设计中，黏性的考虑也是十分重要的。
2. 传热领域的应用流体的粘性和黏性对于传热过程有着明显的影响。
在传热装置中，如换热器和冷却剂管道中，黏滞系数决定了热传递的速率和传热效率。
而流体的黏性也直接影响着粘弹性材料的应用，如胶水、涂料等。
3. 地球科学中的应用流体粘性和黏性的研究对于地球科学领域的地壳运动、地震活动以及火山喷发等现象的解释和预测具有重要意义。
粘性流体力学—层流
粘性流体力学—层流粘性流体力学是一门研究物质在流动中受到的内部摩擦力影响的学科，属于流体力学的一部分。
在粘性流体中，流体分子之间存在着相互作用力，导致了流体被剪切时引入了一个内部摩擦力，这个内部摩擦力导致了流体的多种非线性行为。
粘性流体学研究的重点是了解这些非线性行为的本质，并且开发出数学模型，以便更好地描述、预测和控制流体的行为。
粘性流体力学涵盖了许多理论和应用领域，如化学、材料科学、生物医学、能源工程等。
由于粘性流体力学涉及到复杂的非线性问题，因此在不同的流动情况下表现出不同的行为模式，其中最常见的模式之一是层流。
在层流中，流体的运动是分层的，即类似于分层运动的油漆。
流动呈现出的速度和压力分布是有序的，流体分子之间的相互作用导致了流体层的间隔，并降低了交换混合的概率。
层流的行为特征对于液体管道和计量设备具有非常重要的应用价值，如在石油和天然气工业中测量粘度和流量，以及在药品和食品工业中进行计量。
层流的基本特点是流体分子之间存在着相互作用力，这种相互作用力导致了层流内部的运动范围是在一定范围内的，并且层流界面十分清晰。
由于粘性流体的摩擦，流体分子的速度分布变得均匀，因此层流中的速度和压力分布是稳定的。
这就是说，速度和压力是稳定分布的，不会随着液流的时间而改变。
与之相对应的是，皮肤效应是指粘性流体在表面上的速度受到了加强，这意味着粘性流体会发生局部的加速，以使其进入更快的运动，进而在液体中形成一种流动形态。
粘性流体的皮肤效应对层流行为的变化起到了很大的影响，因为它会导致流体的运动逐渐发展为不规则的湍流模式。
在流体的流动中，湍流是一种非常常见的运动形式。
在高速运动的流体中，湍流的产生和发展常常是无法避免的。
所以，对于粘性流体来说，湍流的研究也是粘性流体力学的一个重要方面。
与层流不同，湍流的密度和能量分散在流体中，并且不易预测。
在实际应用中，正确预测流体湍流特性的正确性对于对流动的控制和优化非常关键。
粘性流体力学 课件
都是稳定的相态，都呈现出流动性(或易变形性) 区别：密度，体积弹性(可压缩性)
1. 物质结构
1.2 物质的微观性质
• 宏观性质的差异直接与“物质的分子热运动状态和分子间 的相互作用” 有关。
任何物质都不是连续体，而是由处于分离状态的大量粒子所组 成，即分子、原子，它们之间存在相互作用力 物质呈现一定的宏观状态，是由于某种平均能量水平的大量分 子，在分子制约下所采用的排列方式和运动方式的宏观表现
第一章
流体与流体的物理性质
1. 物质结构 2. 连续介质假设 3. 流体的物理性质
3.1 流体的可压缩性与热膨胀性 3.2 流体的输运性质 3.3 表面张力与毛细现象
1. 物质结构
1.1 物质的宏观形态，它的形状及其组成微元之 间相对位置的变化也是微小的。
1. 物质结构
1.2 物质的微观性质
• 固、液、气的微观性质比较
固体 d0 强 <<1 有序 弱 量子统计 液体 d0 中等 ~1 部分有序 强 量子统计+经典 统计 气体 10 d0 弱 >>1 无序 强 经典统计
分子间距 分子间作用力 分子随机热运动振幅 与d0的比值 分子排列 可运动性(mobility) 需用的统计类型
Repulsion
d0
d
Attraction
• 对于简单分子组成的物质，常温常压下，分子间距的量级
气相分子，d~10d0 液相和固相分子， d~d0
1. 物质结构
1.2 物质的微观性质
• 气体
当d>>d0，分子力为弱相互作用，此时，只要分子的平均动能足够 大，单个分子就能克服邻近分子的吸引力而处于一种自由运动状 态，也就是说分子在邻近分子力场中具有的势能远小于分子本身 具有的动能，势能可以被忽略。 在偶尔的场合下，高能量分子也可能在运动过程中与其他分子十 分靠近，出现分子间短暂的强相互作用，通常，这种偶然出现的 强相互作用过程被称为碰撞 对于分子热运动平均能量高的物质，在分子碰撞以外的绝大部分 时间，分子都处于自由状态，大量分子的自由运动就呈现出高度 混乱的情景，这种宏观状态称作气体
流体力学中的黏性与剪切应力
流体力学中的黏性与剪切应力黏性和剪切应力是流体力学中两个重要的概念。
黏性是指流体内部发生形变时所表现出的内摩擦力，是流体流动阻力的来源之一。
剪切应力则是流体内部各层之间由于速度差异而产生的应力，其大小与流体黏性密切相关。
本文将就黏性和剪切应力在流体力学中的作用进行探讨。
一、黏性在流体力学中的作用黏性是导致流体内部发生形变时所产生的内摩擦力，其大小取决于流体的黏度。
黏度越大，流体的黏性越高，流体阻力也就越大。
在流体运动中，黏性对流体的运动方式和速度分布起着重要的影响。
黏性会导致流体内部产生粘滞效应，即在流体流动中，靠近壁面的部分速度较慢，而靠近中心的部分速度较快。
这是因为黏性力阻碍了流体各层之间的相对滑动。
黏性还会使流体在流动过程中发生能量耗散，导致流体的损失。
二、剪切应力与黏性的关系剪切应力是指流体内部各层之间由于速度差异而产生的应力，也可以称为切变力。
剪切应力是流体流动的基本力学性质之一，其大小与流体的黏性有直接关联。
在流体流动时，剪切应力随着流体黏度的增加而增大。
这是因为黏度较大的流体对剪切形变的阻力较大，故剪切应力也相应增大。
剪切应力还与流体的流动状态有关。
当流体层之间的相对速度变化较大时，剪切应力也会增大。
而当流体层之间的相对速度变化较小时，剪切应力较小。
三、黏性与剪切应力的实际应用黏性和剪切应力的概念在实际应用中有着广泛的应用。
以下几个例子将展示它们的具体应用：1. 高黏度液体的输送与储存：黏度较高的液体在输送和储存过程中会产生较大的黏性阻力，因此需要考虑黏性对流体流动的影响，以避免能量的损失和系统的不稳定。
2. 润滑油的选择与优化：黏度是润滑油的一个重要性能指标，润滑油应具有适当的黏度以满足机械设备的工作要求。
过高或过低的黏度都会导致润滑效果下降或润滑不良。
3. 管道流体的阻力计算：在管道中，液体流动时面临着黏性阻力和剪切应力，因此需要计算流体在管道中的黏性与剪切应力，以确定管道的阻力以及流体输送的效率。
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《粘性流体力学》
阎 超
北京航空航天大学
阎超简介
江苏徐州人，清华大学毕业，后在法国留学。博士学位，教 授、博士导师 专业：空气动力学、流体力学 研究方向：计算流体动力学（CFD）、导弹飞船等航天飞行 器总体布局及气动仿真、CFD软件系统开发及其应用 、复 杂流动的数值模拟研究 电话：010－82317019（o） E-mail: chyan@ 办公室：国家CFD实验室320房间 业余爱好:爬山、郊游、运动（羽毛球、乒乓球、高尔夫、游 泳）、桥牌。
谢 谢！
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授课方法：讲课为主；安排一定自由学时由学 生自己选择粘性流体力学的若干问题，自己查 资料、文献，并写出论文；根据学生论文，安 排讨论等交流； 考试方法：笔试占总成绩60％；上述论文和平 时作业占总成绩40％； 希望大家大胆提问、勇于质疑。
主要参考书目
阎超、钱翼稷、连祺祥，“粘性流体力学”， 北京航空航天大学出版社，2005年版 陈懋章 编著 “粘性流体动力学基础” 高等教 育出版社，1993版或2002版 庄礼贤、尹协远、马晖扬 编著 “流体力学” 中国科学技术大学出版社，1997版