流体物理性质与运动物理量的描述讲义

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1、L1流体的主要物理性质一.连续介质假设处于流体状态的物质，无论是液体还是气体，都是由大量不断运动着的分子所组成。从微观角度来看，流体是离散的。但流体力学是研究物体的宏观运动的，它是大量分子的平均统计特性Q1753年，欧拉采取了一个基木假设认为：流体质点（或流体微团）连续地毫无间隙地充满着流体所在的整个空间，这就是连续介质假设。在大多数情况下，利用该基本假设得到的计算结果和实验结果符合得很好。必须指出，连续介质模型也有一定的是适用范围。以气体作用于物体表面上的力为例。在标准情况下，“加3的空气包含有2.67X1019个分了，分了间平均自由程火=7x10

2、化加，与所研究的在气体中的物体特征尺度L相比及其微小。按气体分子运动观点，由于作热运动的大量气体分子不断撞击物体表面的结果，产生了作用于物体表面上的力。它是大量气体分了共同作用的统计平均结果，而不是个别分了的具体运动决定，因而不必详细地研究个别分子的运动，而将气体看成连续介质以宏观的物理量来表征大量分子的共性。但当气体体分子平均自由程与物体特征尺寸可以比拟时，这时就不能再应用连续介质的概念而必须考虑气体分子的结构了。用连续介质假设简化时，只要研究描述流体宏观状态的物理量，如密度、速度、压强等。二.流体的易流动性流体不能承受拉力，流体在静止时也不能承受

3、切向剪应力。即使是很小的切向力。只要持续施加，都能使流体发生任意大的变形。流体的这种宏观性质称易流动性，也正因此流体没有固定的形状。三.流体的压缩性与膨胀性可压缩性一流体在外力作用下，其体积或密度可以改变的性质。流体的压缩性常用压缩系数Q表示它表示在一定温度下，增大一个压力吋，流体体积的相对缩小量，即严-1空"丄空“P或Pdp其中卩一一单位质量流体的体积，即比容;Q——单位体积的质量，即密度。压缩系数的倒数即流体的体积弹性模量E,它是单位体积的相对变化所需要的压力增量。工程中常用体积弹性模量来衡量压缩性的大小。E值越大流体就越不易被压缩。E的单位与压

4、强相同为Rz。热膨胀性一一流体在温度改变时，其体积或密度可以改变的性质。流体的膨胀性常用热膨胀系数Q表示，它表示咋一定压力下升高一个单位温度时，流体体积的相对膨胀量，即冷务或轨气体与液体不同，具有明显的压缩性和热膨胀性。如考虑等温条件下的气体压缩过程，在温度不过低，压强不过高吋，由理想气体状态方程可得:—=RT=const=pvp由上式可知，当压强增加，气体密度增大，体积缩小。气体比液体压缩性大得多，但若压力差较小，运动速度较小，且温度不大，则实际上气体的体积变化也不大，仍可认为是不可压流体。一.流体的输运性质流体由非平衡态转向平衡态时物理量的传递性

5、质，称为流体的输运性质。如流体各层的动量传递，使速度均匀；各处的能量传递，使温度均匀；各部分的质量传递，使密度均匀。流体的输运性质，从微观上看，其发生是通过分子的热运动及分子的相互碰撞，在分子的无规则运动中，通过输运、碰撞、交换，各自物理量而形成新的平衡态。1.动量输运一一粘滞现象粘性一流体所具有的抵抗变形的性质。流体是不能承受切向力的，在很小的切向力作用下，流体会连续不断地变形。但不同的流体在相同的切应力作用下，其变形的速度是不同的。①牛顿内摩擦定律17世纪牛顿在其名著《口然哲学的数学原理》中研究了流体的粘性。设有两块相距很近的平板，板间充满流体，

6、下板固定，上板以匀速U运动，与平板接触的流体附着于平板表面，带动两板间流体作相对运动。板间流体速度分布规律为此时，慢层流体在较快层流动带动下运动。快层对慢层产生一个拉力，使慢层加速；反之，慢层对快层产生一个阻力，是快层减速。这一对力是在流体内部产生的，称之为内摩擦力。为了确定内摩擦力，牛顿在1686年由试验提出流体内摩擦定律。经实验验证和后来的分子运动理论表面，外力F的大小与流体性质有关,与流速梯度和接触面积A成正比，而与接触面上的压力无关。F^piA—h设君为单位面积上的内摩擦力即粘滞切应力，则FUT=—=口—AhdU当速度不是直线规律时，任一点的

7、速度梯度为妙，则dudu上式为牛顿内摩擦定律，式中，“为动力粘滞系数，莎为速度梯度。粘性内摩擦力产生的原因，从分子微观运动来看，是由分子间的相互吸引力和分子不规则运动的动量交换量方面原因造成的。对于液体,分子间距小，低速运动时，不规则运动弱，粘性的产生主要取决于分子间的引力。而气体分子间距较大，吸引力很小，不规则运动强烈，粘性力产生的原因主要取决于不规则运动的动量交换。②粘性（滞）系数或粘度牛顿内摩擦性质中的比例系数“表征了流体抵抗变形的能力，即流体粘性的大小，称为流体的动力粘度，或简称粘度。它是流体粘性大小的度量，其大小与流体的物理性质及温度有关。

8、气体温度升高吋，热运动加剧，动量交换加快，粘性增大。液体与之相反，温度升高时，分子间隙增大，吸引力减小，分子