第02讲绪论-作用在流体上的力

《第02讲绪论-作用在流体上的力》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第二讲绪论（2）(Introduction)主要内容：1.流体的分类2.流体界面现象3.作用在流体上的力1粘性流体分类（1）理想流体与粘性流体一般流体的μ很小，当du/dy不大时，可忽略剪切应力，这种流体称为理想流体（IdealFluid）。否则称为真实流体。（2）牛顿流体和非牛顿流体粘性系数为常数且满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。大多数气体和分子结构简单的液体都是牛顿流体，如空气、水、汽油、煤油、甲苯、乙醇等。剪切应力和变形速率之间不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。如牛奶、咖啡、糖水、聚合物溶液、含悬浮微粒杂质或纤维

2、物的流体等。牛顿流体和非牛顿流体的剪切应力与变形速率之间的关系可统一表示为：dumτ=K()dy其中K表示粘度，m为流体特征数。对于牛顿流体：K=μ,m=1对于非牛顿流体中聚合物溶液：m<1对于非牛顿流体中含悬浮物的液体：m>1非牛顿流体塑性流体(Bingham流体)：泥浆、血浆、牙膏假塑性流体：橡胶、纸浆、血液、牛奶屈服-假塑性流体：典型钻井液膨胀性流体：面团、淀粉糊2流体的界面现象多相体系中，相之间存在着界面(Interface)。习惯上气-液、气-固界面称为表面(Surface)。互不掺混的两种液体之间也存在界面。流体和

3、固体或者流体与另一种互不掺混的流体交界面上的力学和热力学现象称为界面现象。（1）气、液两相街面上的表面张力液体中的气泡，空气中的水滴，在没有外力场作用下，总是呈圆球形，这表明在热平衡时，液滴表面好像有一张紧的薄膜包裹着，如果将界面分割成两部分，则分割线上必有某种张力使界面处于平衡，这种张力称为表面张力(SurfaceTension)。单位长度上的表面张力称为表面张力系数。一般流体的表面张力系数都很小，例如在293K下水的表面张力系数为72.75×10-3N·m-1，乙醇为22.32×10-3N·m-1所以，只有在液体或气体的质

4、量较小时，表面张力现象比较明显。表面张力的产生界面上的分子与介质内部的分子受力不同。以水为例，内部水分子受周围水分子作用力的合力为零，而在水表面，水分子受空气分子的吸引力远小于水分子对它的吸引力，所以合力不为零，其合力垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力是分子力的一种表现，是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。（2）气-液-固三相界面上的接触角三种互不侵入的介质共存时，界面交于一曲线，称为接触线。接触线上，三个表面张力的合力为零。γ12+γ23+γ31=0接触线上

5、流体界面的法向量和固壁面法向量间的夹角称为接触角。表面张力的方向与液面相切，并接触线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。浸润与非浸润现象液体与固壁的接触角越小，称该液体在该固壁上越容易湿润。水与玻璃的接触角小于90o，水银和玻璃的接触角大于90o，约为150o。当接触角θ＝0时，称完全浸润(CompleteWetting)；θ＝π，称非浸润(Non-Wetting)。由于气、固、液三种界面之间的浸润作用，垂直细管中常出现凹凸液面，称为毛细现象(Capillarity)。（3）

6、流－固界面上的速度连续性对于粘性流体，流-固界面上的粘性力远大于表面张力，所以在流体力学的研究中是不考虑表面张力的。此时，界面上流体的速度等于固体运动的速度：yv=vbUu+du这表明粘性流体在与固体的接触面上无滑bdyu移，称为无滑移条件(Non-SlipCondition)x对于理想流体，不存在剪切应力，界面上允许流体有切向滑移，但流体不能穿透界面，即流－固界面上，速度在法线方向上的投影相等：yv⋅n=v⋅nv=vbnbn该式称为理想流体在界面上的不可穿透条bu件(ImpenetrableCondition)。x3作用在流

7、体上的力作用在流体上的力，按物理成因可分为惯性力、重力、粘性力、压力和电磁力等。按力的作用方式可分为质量力、表面力和表面张力等。3.1质量力外界作用在流体的质心上的力称为质量力(MassForce)。或者说外界作用在流体质点上的力称为质量力，质量力也称为体积力(BodyForce)。重力(Gravity)、惯性力(InertiaForce)均为质量力。质量力的表示与推导：流体是连续分布的，研究的区域可能是无穷大的，因此质量力常用单位质量流体的质量力来表示。在流体中取分离体，体积为V，边界为S。在分离体内任取一微元体积ΔV，其质

8、量为Δm，承受的质量力为ΔF，M(x,y,z)是ΔV内的一点，则ΔV收缩到M点时的极限：ΔF1ΔFdFf(x,y,z)=lim=lim=Δm→0ΔmρΔm→0ΔVρdV称为M点处流体的单位质量力。根据牛顿第二定律：，dF=dm⋅a可知：f=a由此可见，单位质量力等于质量力引起