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第01章流体的基本概念和物理性质
第一篇 工程流体力学 第一章 流体的基本概念和性质 第二章 流体静力学 第三章 流体动力学 第一章? 流体的基本概念和性质 第一节 流体的定义和连续介质假设 通俗定义:能流动的物质称为流体。 力学定义:在任何微小剪切力的持续作用下能够连续变形的物质,称为流体。 流体包括液体和气体。 二、流体的特性 流体区别于固体的主要特性:流动性 流动性:流体在静止时不能承受剪切力的性质 表现: 流体静止时不能承受切向力;? 流体无固定形状,由约束它的边界决定;? 气体和液体的异同 液体和气体的不同点: 气体易于压缩;而液体难于压缩; 液体有一定的体积,存在一个自由表面; 气体能充满任意形状的容器,无一定的体积,不存在自由表面。 流体是由大量做无规则运动的分子组成的,分子之间存在空隙,在标准条件下,1mm3气体含有2.7×1016个左右的分子,分子间距离是3.3×10-6mm。 流体连续介质假设:流体可看成是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质。 流体微团:体积为无穷小的微量流体,可看作流体质点。一般取其作为研究对象。 流体连续介质假设的意义: (1)从结构上看,流体由连续分布的流体质点组成; 流体连续介质假设的局限性: 当所研究问题的尺寸小于或相当于分子间距离时,假设不适用。 如:火箭在高空非常稀薄的气体中飞行;高真空技术中。 第二节 流体的压缩性和膨胀性 流体的膨胀性举例 自行车胎在烈日下暴晒会爆裂; 温度计内的液柱高度随温度的升高而增长; 烟囱能抽烟等 流体的压缩性举例 充气筒能给车胎充气,注射器进行注射等。 流体的压缩性举例 水击(水锤)现象 1. 概念:在液体有压管路中,某种原因突然使液流速度发生变化,同时引起压强大幅度波动的现象。 2. 产生原因 能量守恒观点:能量转化的过程 动量定理观点:动量转化为冲量的过程 内在原因:液体有惯性和压缩性 外在原因:液体流速突然发生变化 密度 密度差会形成自然循环、热对流和自然对流换热等现象。 一、流体的密度: 单位体积流体所具有的质量。 用符号ρ表示,单位为kg/m3 。 二、流体的压缩性和膨胀性 (一)流体的膨胀性 定义:在一定的压强下,流体的体积随温度的升高而增大的性质。 其大小可用体胀系数αv 表示: 关于体胀系数αv 液体的体胀系数很小; 如:水在98000Pa下,10~20℃内, αv =150×10-6 1/ ℃ 大多数液体αv随压强的增大而稍减小; 水在50℃以下, αv 随压强增大而增大; 水在50℃以上, αv 随压强增大而减小。 (二)流体的压缩性 流体的压缩性:在一定的温度下,流体的体积随压强升高而缩小的性质。 其大小用体积压缩率?和弹性模量Ev表示: 体积弹性模量Ev 流体的压缩性在工程上往往用体积弹性模量来表示,单位为N/ m2。 Ev=1/ ? 关于?和Ev : 液体的体积压缩率很小; 气体的压缩性要比液体的压缩性大得多; ?大的流体,其压缩性大; Ev大的流体,其压缩性小; 水的Ev很大,工程计算中估取 Ev=2.0GPa。 可压缩流体和不可压缩流体 一般情况下 通常把液体视为不可压缩流体。 通常在流速较高,压强变化较大的场合,气体视为可压缩流体,必须将密度视为变量。 在流速不高(比声速小得多时),压强变化较小,密度变化不大( )的场合,气体可视为不可压缩流体。如锅炉的尾部烟道中和空调系统通风管道中的气体等。 例1-1 有一采暖系统如图所示。水箱内温度40℃,压强1.013×105Pa,水泵从水箱吸水流量48m3/h,水泵出口水压4.933×105Pa,采暖锅炉出口水温90℃。查得40℃水的 Ev=2.02 ×109Pa;p1<107Pa, 40℃≤t0 ≤ 90 ℃, αv =5.4 ×10-4 1/ ℃。求泵出口水管体积流量和锅炉出水管体积流量。 解题分析: 第三节 流体的粘性 一、流体的粘性 1.流体的粘性:流体抵抗剪切变形的性质。 粘性阻碍各流层或微团间发生相对运动。 2.粘性作用而产生的力 粘滞力:流体各流层或微团间发生相对运动而产生的内摩擦力。 附着力:流体与固体间的摩擦力。 粘性实验 流体流过壁面时流速分布 根据实验研究知 运动的流体产生的内摩擦力F的大小 与垂直于流动方向的速度梯度dv/dy成正比; 与接触面的面积 A成正比; 与流体种类有关。 二、 牛顿内摩擦定律 一般用切向应力衡量内摩擦力的大小。 切向应力:流体层单位面积上的内摩擦力。 对牛顿内摩
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