流体及其物理性质

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流体及其物理性质

• 流体
  • 定义关键词
    • 微小剪切力，连续变形
  • 类别
    • 可流动的液体
    • 可流动的气体
  • 特征
    • 仅能抵抗压力，不能承受拉力，不能抵抗拉伸变形
    • 应变速率与应力成正比
    • 只要有应力存在，将连续变形，应力去除后，它也不能恢复到原来的形状。
• 连续性介质假设
  • 意义
    • 取流体微团来代替流体的分子作为研究流体的基本单元
  • 合理性
    • 流体微团虽小但包含着为数众多的分子，流体分子之间的间隙极其微小。
  • 范围
    • 对于大部分工程技术问题都成立
    • 不成立：火箭在高空非常稀薄的气体中飞行以及高真空技术中，其分子间距与设备尺寸可以比拟。
• 流体特性
  • 密度
  • 重度
    • 单位体积流体所具有的重量
    • 注：流体的密度 ρ 与地理位置无关，而流体的重度 γ 由于与重力加速度 g 有关，所以它将随地理位置的变化而变化
  • 比重（无量纲量）
    • 在工程上，液体的比重或比密度是指液体的重度或密度与标准大气压下 4℃纯水的重度或密度之比，用 S 表示
  • 比容（又称比体积）
    • 流体密度的倒数
  • 压缩性
    • 定义
      • 在一定的温度下，流体的体积随压力升高而缩小的性质称为流体的压缩性。
    • 体积压缩系数 βp
      • 它表示当温度保持不变时，单位压力增量所引起的流体体积 的相对缩小量，
      • βp : 流体的体积压缩系数(m2/N), dp : 流体的压力增量(Pa), dV/V : 流体体积的相对变化量, dρ/ρ : 流体密度的相对变化量
    • 体积弹性系数（体积弹性模量）E
  • 膨胀性
    • 定义
      • 在一定的压力下，流体的体积随温度升高而增大的性质称为流体的膨胀性。
    • 体积膨胀系数 βΤ
      • 它表示当压力保持不变时，温度升高 1K 所引起的流体体 积的相对增加量。
      • βT ： 流体的体积膨胀系数，也称温度膨胀系数或热膨胀系数(1/℃或 1/K) dT ： 流体温度的增加量(K)
  • 理想气体状态方程
  • 可压缩/不可压缩流体的判别
    • 通常把液体看成是不可压缩流体，气体看成是可压缩流体。（不绝对）
    • 气体的可压缩性通常用马赫数来度量。
      • • u ： 气体的流速(m/s) a ： 在该气体温度下，声音在气体内的传播速度，即当地音速(m/s)
      • 当 M＜0.3 的情况下，流动的气体， 可按不可压缩流体处理
    • 直接采用流体密度的变化率来度量
      • 当流体在流动过程中，其密度变化小于 3~5%时可作为不可压缩流体来处理，否则，将作为可压缩流体处理
  • 粘性
    • 定义
      • 所谓流体的粘性是指流体在流动时，流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力，以抵抗其相对运动的性质。
    • 本质
      • 流体的粘性是由流体分子之间的内聚力和分子不规则热运动的动量交换综合构成的
    • 影响因素
      • 压力
        • 在通常的压力下，压力对流体的粘性影响很小，可忽略不计。在高压下，流体(包括液体和气体)的粘性随压力的升高而增大。
      • 温度
        • 液体的粘性随温度的升高而减小，气体的粘性随温度的升高而增大。
• 牛顿内摩擦定律
  • • T ： 流体层接触面上的内摩擦力(N)； A ： 流体层间的接触面积(m2)； μ ： 与流体的物理性质有关的比例系数，称为动力粘性系数或动力粘度，简称为粘度，有时也称为绝对粘度。在一定的温度和压力下，动力粘度为一常数。它的单位为帕·秒或千克/(米·秒) du/dy : 垂直于流动方向上的速度梯度(1/s)
  • • 流体层之间单位面积上的内摩擦力称为内摩擦切应力或称粘性切应力，用 τ 表示
  • ν ：运动粘性系数或称运动粘度(m2/s)
• 流体类型
  • 粘性流体
    • 牛顿流体
      • 运动流体的内摩擦切应力与速度梯度间的关系符合于牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体，
    • 非牛顿流体。
      • 塑性流体(宾海姆流体)
      • 假塑性流体和胀塑性流体
      • 屈服假塑性流体
      • 时关性流体
  • 理想流体
    • 自然界中各种流涕都是具有粘性的。所谓理想流体，是一种假想的、完全没有粘性的流体。实际上这种流体是不存在的。
• 流体的表面性质
  • 表面张力
    • 液体自由表面有明显的欲成球形的收缩趋势，引起这种收 缩趋势的力称为液体的表面张力。 表面张力，实际上是一种拉力，我们将单位长度上所受到的这种拉力定义为表面张力系数，用σ表示，它的单位是N/m
    • 表面张力所引起的附加法向压力，可由拉斯公式求得。
  • 毛细现象
    • • 沿液面与管壁的接触角为 θ，管径为 d，液体密度为 ρ，表面张力系数为 σ，
      • 接触角 θ 角取决于液、气的种类、管壁材料等因素。通常，对于水和洁净的玻璃 θ＝0°，水银和洁净的玻璃 θ＝139°