流体及其物理性质finalupdate

0.81
19.2
原油
20 850-958 0.85-0.93
72
润滑油
20
918
0.92
—
氢
-257
72
0.072
0.21
氧
-195 1206
1.21
2.8
水银
20 13555
13.58
15.6
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表1-2 在标准大气压和20℃常用气体性质
气体
空气 二氧化碳 一氧化碳
氦 氢 氮 氧 甲烷 饱和水蒸汽
2. 陈卓如《工程流体力学》II. 高等教育出版社 2004.
3. (美) E.John Finnemore, Joseph B. Franzini 编著, 钱 翼稷, 周玉文等译. 流体力学及其工程应用. Tenth Edition. 机械工业出版社 . 2005.
了解流体力学吗？
1. 高尔夫球是光滑的飞得远还是有凹坑的？ 2. 汽车行驶过程中的阻力主要来自前部还是
后部？ 3. 飞机获得的升力主要来自于机翼的上表面
还是下表面？ 4. 鲨鱼皮泳衣 5. 纸飞机怎样折“留空”的时间长？
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显微镜下的鲨鱼皮肤
鲨鱼皮泳装
实验表明，快皮的纤维 可以减少3% 水的阻力！
研究对象：流体(Fluid),包括液体和气体。 • 液体——无形状，有一定的体积；不易压缩，存在
2. 重点：连续介质概念、黏性、牛顿内摩擦定律、质量力、 表面力。
一、流体的定义和特征
自然界物质存在的主要形态： 固态、液态和气态 液体和气体是流体 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
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流体的流动性
流体的流动性最直观的体现就是流体易于变形，没有固定的 形状。流体的流动性可以从受力特征和应力与应变的关系更 明确地体现出来。 1. 受力特征
➢ 流体的种类不同，其k值不同。气体压缩性大于液体。
➢ 同一种流体的k值随温度、压强的变化而变化。
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二、流体的压缩性和膨胀性
3、可压缩流体和不可压缩流体
不可压缩流体： 流体密度随温度、压强变化很小的流体
d dt 0 不可压均质流体： const
可压缩流体： 流体密度随温度、压强变化不能忽略的流体
• 流体的密度 • 流体的压缩性和膨胀性 • 流体的粘性
• 作用在流体上的力
基本要求和重点
1. 基本要求 • 掌握流体的定义及特征。 • 掌握流体连续介质假设的内容、必要性及合理性，了解
不可压缩流体假设及理想流体假设的必要性。 • 掌握流体的密度、压缩性和膨胀性、粘性、表面张力的
基本概念，能够运用牛顿内摩擦定律进行粘性切应力的 计算。 • 了解作用在流体上的力：表面力和质量力，理解其定义。
4. 积极参与教学活动
几点要求
• 作业: 避免眼高手低，独立完成!
– 布置的作业：单周的周三交
• 考勤: 不旷课
– 缺课20％不得参加考试 – 作业计入考勤
• 成绩
– 作业： 10% – 实验课报告：10% – 期末考试：80%
第二章 流体及其物理性质
• 流体的定义和特征 • 流体作为连续介质的假设 • 流体的主要物理性质
dV —流体体积的增加量，m3。
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二、流体的压缩性和膨胀性
1、流体的膨胀性
➢ 液体的体积膨胀系数很小
例如在9.8×104Pa下，1～10℃范围内，水的体积膨胀系数＝14×10-61/℃； 10～20℃范围内，150×10-6 1/℃。在常温下，温度每升高1℃，水的体积 相对增量仅为万分之一点五；温度较高时，如90～100℃，也只增加万分之 七。其它液体的体积膨胀系数也是很小的。
热能工程 环境工程：大气、水…… 水利工程 航空、航天、航海 汽车 冶金、发电（风力发电） 建筑设备 ……
课程安排
学时数： 72＝66（理论课）＋6（实验课） 课程性质：专业基础课
教 材：孔 珑《工程流体力学》III. 中国电力出版社 2007.
主要参考书：
1. 丁祖荣. 普通高等教育十五国家级规划教材：流体力学 （上中下）. 高等教育出版社. 2008.
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上节要点复习
1. 流体的定义和特征
– 流体和固体的区别 – 液体和气体的区别
2. 流体质点概念 3. 连续介质假设 4. 流体的主要物理性质：定义；公式
– 密度、相对密度 – 压缩性和膨胀性
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流体的定义和特征
自然界物质存在的主要形态： 固态、液态和气态 液体和气体是流体 流体定义
2. 应力与应变的关系
流体与固体的区别
原因： 由于分子间的作用力不同造成的
➢ 流体所含的分子数少 ➢ 分子间隙大 ➢ 流体分子间作用力小 ➢ 分子运动剧烈
固体
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流体
流动性 无固定形状
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液体与气体的区别
➢ 液体难于压缩；而气体易于压缩。
液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的； 气体分子距比分子平均直径约大十倍。
数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型， 选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、 特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序 计算，得出结果，用实验方法加以验证。
流体力学的发展与地位
课程内容
第二章 流体及其物理性质 第三章 流体静力学 第四章 流体运动学和流体动力学基础 第五章 相似原理和量纲分析 第六章 管内流动和水力计算 液体出流 第八章 理想流体的有旋流动和无旋流动 第九章 粘性流体绕过物体的流动 第七、十章 气体动力学基础
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流体的密度
流体重要属性，表征流体在空间某点质量的密集程度。
❖定义：单位体积流体所具有的质量
用符Baidu Nhomakorabeaρ来表示。
➢ 均质流体：
m
V
单位：kg/m3
➢ 非均质流体：
limmdm
V0 V dV
➢常见流体的密度：
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水——1000 kg/m3 空气——1.23 kg/m3 水银——136000 kg/m3
1 dV
dp V
—流体的体积压缩系数，m2/N；
d p —流体压强的增加量，Pa； V —原有流体的体积，m3； dV —流体体积的增加量，m3。
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二、流体的压缩性和膨胀性
❖体积模量K ： 压缩系数的倒数
工程上常用体积模 量衡量流体压缩性
❖说 明：
1 Vdp
dV
➢ k越大，越易被压缩
纯水
20
998
1
10.1
海水
20
1026
1.03
10.6
20%盐水 20
1149
1.15
—
乙醇（酒精） 20
789
0.79
11.6
苯
20
895
0.9
6.5
四氯化碳
20
1588
1.59
9.7
氟利昂-12 20
1335
1.34
—
甘油
20
1258
1.26
14900
汽油
20
678
0.68
2.9
煤油
20
808
const
0
273 273t
p 101325
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二、流体的压缩性和膨胀性
几点说明：
➢ 严格地说，不存在完全不可压缩的流体。
➢ 一般情况下的液体都可视为不可压缩流体，管路中 压降较大时，应作为可压缩流体。 （发生水击、水下爆破）。 ➢ 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。 （锅炉尾部烟道）
➢ 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。
液体有力求自身表面积收缩到最小的特性； 气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用
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思考
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二、流体质点的概念及连续介质假设
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二、流体质点的概念及连续介质假设
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流体粘性的表现
• 轮船在水里航行，需要动力； • 飞机在空气中飞行，需要动力； • 当用棒旋拨脸盆中部的水时，盆内的水体被
密度ρ （kg/m3）
1.205 1.84 1.16 0.166 0.0839 1.16 1.33 0.668 0.747
动力黏度 μ×105
（Pa·s） 1.8 1.48 1.82 1.97 0.9 1.76 2 1.34 1.01
气体常数 R
[J/(kg·K)] 287 188 297 2077 4120 297 260 520 462
自由（液）面。 • 气体——既无形状，也无体积，易于压缩。
研究任务：研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体 和周围物体之间的相互作用。
研究方法
理论分析: 根据实际问题建立理论模型，涉及微分体 积法、速度势法、保角变换法等；
实验研究方法: 根据实际问题利用相似理论建立实验 模型；选择流动介质；设备包括风洞、水槽、水洞、 激波管、测试管系等；
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流体质点的概念
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连续介质假设
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流体的主要物理性质
1. 密度、相对密度 2. 压缩性和膨胀性
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流体的黏性和牛顿内摩擦定律
• 流体粘性的表现 • 库伦实验 • 流体粘性成因 • 牛顿粘性定律 • 粘度
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➢ 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。
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例题1：已知哈锅1021/18.2YM型锅炉从给水泵出口到汽轮机主汽门前 的空间水容积是484 m3 。如果启动前作水压实验时，压力从 0.2MPa升 高至工作压力 19.6MPa，不考虑温度变化的影响，求需要补充多少m3 的水？
流体力学课程特点
• 概念多
– 掌握物理意义及其在流体力学中的应用
• 公式多
– 掌握来源、作用、适用范围、应用
• 系统性相对差 • 与工程实际比较接近 • 相对难度较大
学好流体力学的关键
1. 充分阅读教材，要反复阅读!
学好基础知识
2. 多做习题
应用基本原理来解决实际的工程问题
3. 预习，认真听讲，记笔记，下课复习——强调平 时努力的重要性
能流动的物质为流体？ 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
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流体和固体的区别
• 流体在静止时不能承受切向力； • 固体在静止时能承受切应力，发生微小变形以抗拒外力，
一直达到平衡为止。只要作用力保持不变，固体的变形就 不再发生变化。
• 液体和固体具有不同性质的原因在于：分子间的作用力不同。
➢ 流体的体积膨胀系数还取决于压强。对于大多数液体， 随压强的增加稍为减小。水的在高于50℃时随压强的增 加而减小，低于50℃时随压强的增加而增加。
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二、流体的压缩性和膨胀性
2、流体的压缩性
❖定义：T一定
P
V
当温度保持不变，单位压强增
❖体积压缩系数
量引起流体体积的相对缩小量
流体力学 Fluid Mechanics
2013年2月-5月
前言
1. 流体力学研究的对象、内容和意义 2. 流体力学的研究方法 3. 流体力学的发展与地位 4. 课程教学内容 5. 几点要求
课程的性质
《流体力学》是一门横跨各领域，各不同专业的重 要技术基础课。研究流体 静止（相对静止）和运动 的力学规律，并应用到实际工程领域中。
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液体与气体的区别
➢ 液体难于压缩；而气体易于压缩。
液体的分子距和分子的有效直径差不多是相等的； 气体分子距比分子平均直径约大十倍。
➢ 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。
液体有力求自身表面积收缩到最小的特性； 气体分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用
。
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流体的连续介质假设 (续)
❖适用范围： L / l >100 适用
L ——物体特征尺寸 l ——流体质点特征尺寸
➢ 火箭在高空稀薄气体中飞行 ➢ 激波 ➢ MEMS（微尺度流体机械系统）
不适用
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第三节 流体的主要物理性质
1. 流体的密度、相对密度 2. 流体的压缩性和膨胀性 3. 流体的黏性
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❖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
f — 流体的密度，kg/m3；
W — 4℃时水的密度，kg/m3。
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表1-1 在标准大气压下常用液体的物理性质
液体种类
温度 t （℃）
密度 ρ （kg/m3）
相对密度 d
动力黏度 μ×104 （Pa·s）
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二、流体的压缩性和膨胀性
1、流体的膨胀性
❖定义：P一定
T
V
❖体积膨胀系数 V
压强不变，升高一个单位温度 所引起流体体积的相对增加量
V
1 dt
dV V
V —流体的体积膨胀系数，1/℃，1/K；
d t —流体温度的增加量，℃，K； V —原有流体的体积，m3；