流体力学1章-流体的物理性质课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,流体力学,教 材,张兆顺，崔桂香.流体力学（第二版）.北京：清华大学出版社，2006,参 考 书,1吴望一.流体力学.北京：北京大学出版社，1983,2费祥麟.高等流体力学.西安：西安交通大学出版社，1989,3潘文全.流体力学基础.北京：机械工业出版社，1980,4朱之樨，王希麟.流体力学理论例题与习题.北京：清华大学出版社，,流体力学基本内容,1.牛顿流体动力学基础；,2.理想不可压流体动力学基础及典型求解；,3.不可压流体动力学基础气体动力学；,4.粘性流体动力学基础：,4.1 粘性流体层流流动典型问题求解；,4.2 湍流基础：湍流描述、湍流模型、湍流典型问题求解；,4.3 边界层理论：边界层理论、层流边界层、湍流湍流边界层；,第一章 流体的物理性质,1.1 流体的连续介质模型,流体力学研究流体的宏观运动，宏观运动尺度远远大于微观分子运动尺度。单个分子运动对宏观运动没有影响，将流体视为,连续介质。,流体力学研究流体的,宏观运动,以及它们与周围物体的,相互作用,。,流体力学实质是学习研究流体,宏观运动的数学及物理方法,连续介质力学模型,1.流体是连续分布的物质，可以无限分割为具有均布质量的宏观微元体,流体微团，,是研究流体运动的最小单元；,3.微元体内流体状态服从热力学关系（化学反应和离解等非平衡热力学过程的流体流动除外）；,连续介质力学模型,第一章 流体的物理性质,2.流体的力学和热力学状态参数在时空中连续分布，无限可微（激波等面除外）。,流体微团的性质,1.流体微团体积 相对于被考察的流体运动尺度 L无限小，,2.流体微团体积 相对于分子平均自由程,l,无限大，。,第一章 流体的物理性质,例如：流体中的质量分布,设,s,为采样盒子边长，,Ms,为盒内流体质量，盒中流体密度,当,l,s 时，分子随机行为显著；,当 Ls,l,时，统计平均恒定，密度均匀；,当s L 时，表现宏观不均匀性。,流体微团的密度,第一章 流体的物理性质,微团具有宏观无限小尺度，(在空间上可以一个点标记?，)微团的体积和表面积在宏观上都是无限小，发生在体积内和表面上的物理过程都属于宏观的力学和热力学过程。当不需要考虑该微团体积及其变形，只研究其位移和各物理量状态时，就可将此微团看成,质点,。,工程上大多数流体力学力学问题都可用连续介质流动模型。,流体质点,：可以忽略线性尺度效应（如膨胀、变形等）的最小,单元（或最小微团）,在空间上可以一个点标记；,流体微团,：由大量流体质点组成的具有尺度效应、质量均匀分,布的微小的流体团。,第一章 流体的物理性质,1.2 作用在流体上的体积力和表面力,说明,：,1,.应力和作用面方向有关，同一点不同方向作用面上应力不同；,2,.,约定,：作用面的法向量以指向域外为正；,3,.一般，并不垂直于作用面，可以分解,为法向分量 ，与平行于作用面的两个互相垂直的分量 和 ；并约定（n,t,s,)组成右手直角坐标系。,4,.,正应力,：沿作用面法线方向的应力分量,5,.,剪应力,、：沿作用面切线方向的应力分量,第一章 流体的物理性质,1.2 作用在流体上的体积力和表面力,应力性质,：,1,.相邻两微元面上的表面力是作用力与反作用力；,2,.,相邻微元面上的正应力和切应力值都相等。,令,应力,一点的应力张量及其性质,只要知道通过一点三个互相垂直坐标面上的应力值（T,1,、T,2,、T,3,），就可以确定该点任,意方向面上的应力。称（T,1,、T,2,、T,3,）为该点的,应力状态。,第一章 流体的物理性质,1.2 作用在流体上的体积力和表面力,一点的应力张量及其性质,一点应力状态T可以表示为,下标中，第一个指力作用面的外法线方向，第二个指力的作用方向。,n,1,、n,2,、n,3,是应力作用面单位法向量方向余弦（，）,定义：,应力张量T,第一章 流体的物理性质,1.2 作用在流体上的体积力和表面力,任意面上应力,或,应力张量T 是二阶张量，它有九个分量,且,应力张量的对称性,即一点应力张量只有六个独立分量,理想流体的应力张量,理想流体,：,=0的流体，因此,p,ij,=0(其中,i,j,)，只承受压应力。,应力张量,第一章 流体的物理性质,1.2 作用在流体上的体积力和表面力,单位张量,（其中,i,j,时，,ij,=0；,i,=,j,时，,ij,=1）,理想流体任意面上应力T,n,1.3 流体的易流性和压缩性,流体的易流性,易流性,：静止流体不承受剪应力，任何微小的剪应力驱使流体,持续流动。静止流体只承受压力,流体粘性,：流体运动时，微团之间具有抵抗相互滑移运动的属性,表明,：任意面上应力为正应力，且应力分量均为-,p,第一章 流体的物理性质,1.3 流体的易流性和压缩性,动力粘性系数,：是流体粘性大小的量度，单位N.s/m,2,流体的易流性,运动粘性系数,：=/，单位m,2,/s,对空气和水这类流体，设在厚度为y的薄层流体运动中，上下层速度差是u，则作用在流体薄层面上的剪应力,xy,牛顿切应力公式,符合牛顿切应力公式的流体称作,牛顿流体,。一般气体和分子结构简单的液体都是牛顿流体。不符合该式的流体称作,非牛顿流体,。,第一章 流体的物理性质,1.3 流体的易流性和压缩性,压缩性,：由于压强变化而引起流体密度的变化称为压缩性,流体的压缩性,气体,：气体具有明显的可压缩性，气体压力、密度、温度之 间关系可用热力学状态方程描述,p=p(,T),液体,：一般，液体密度几乎不随压强变化，但温度升高时，密度稍有降低,=,o,1-(1-T,o,),式中,是,膨胀系数，,是单位温升时液体密度的相对变化率，通常 10,-3,K,-1,完全气体,服从状态方程,密度为常数,的流体称作,不可压缩流体,。不可压流体是对流场中密度变化较小的真实流体所作的一种,抽象模型,。,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,界面现象,：流体和固体或流体和另一互不掺混流体界面处的力学和热力学现象称为界面现象，界面性质有,流固界面上流体温度、速度和压力的连续性:,不计界面上表面张力,理想流体,，流动界面上不存在剪应力，即界面上允许流体有相对滑动，则,流固界面上，二者处于平衡状态，满足平衡条件，即,温度相等：,应力分量相等，方向相反：,速度相等：,压力相等,法向速度相等,又称理想流体界面不可穿透条件,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,互不掺混流体界面上的表面张力和界面上的应力平衡条件,当液滴在气体中运动、气泡在液流中运动以及油滴在水中运动时，需要考虑界面上的力平衡。需引入,表面张力,的作用。,在无外力场作用下，空气中平衡的液滴总是呈圆球形的。这表明在热力学平衡时，液体表面象一张紧的薄膜包着液滴。若将界面切开，在分割线上必定有某种张力使界面处于力的平衡状态，这就是,表面张力,。表面张力位于界面的切平面内，和分割线垂直。,规定：,界面的法向量指向凸面外法线方向。,单位长度上的表面张力为,表面张力系数,，用,表示。与界面两侧介质分子结构有关，还与界面的温度有关。一般说来，它应是坐标位置的函数。为简化问题，常常将它当常数处理。,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,互不掺混流体界面上的表面张力和界面上的应力平衡条件,作用在微元表面A上张力合力,如图，在a点处取两条相互正交的微元弧长,s1,、,s2,，它们在该点的曲率半径分别为R,1,、R,2,，表面张力合力指向微元曲面的曲率中心。,规定,：指向曲率中心的方向为正法线方向，单位向量为n,s2,s1,a,R,1,R,2,n,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,互不掺混流体界面上的表面张力和界面上的应力平衡条件,单位面积上的表面张力的合力大小为,s2,s1,a,R,1,R,2,n,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,互不掺混流体界面上的表面张力和界面上的应力平衡条件,力平衡要求界面上正应力满足,曲率中心所在一侧的压力一定高于另一侧面的压力，差值为单位面积上的表面张力的合力，,“,+,”表示界面凸面一侧的正应力（介质B）;,“,-,”表示界面凹面一侧的正应力（介质A）,理想流体,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,互不掺混流体界面上的表面张力和界面上的应力平衡条件,曲面为球面,流场中，三种互不侵入的介质共存时，每两种介质的界面交于一曲面，当其中一个曲面为固体壁面时，界面之间交线为,接触线,。,流体处于平衡时，界面交线（或接触线）上三个表面张力的合力为零。,接触角：,接触线上流体界面与固体壁的夹角。是流体界面法线与固体壁面法线间的夹角。,时，,流体界面在固体壁上的接触角,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,图中，流体 1 与固壁的接触角为,1,，流体 2 与固壁的接触角为-,1,。接触角的大小取决于固壁材料与流体性质。,如介质 1 为水，介质 2 为空气，固壁是玻璃，水和玻璃的接触角90，约150,接触角愈小，该液体在固体壁面上愈容易湿润,规定,：在流体界面上法线指向被考察的流体一侧；在固壁上法线指向固壁内侧。,第一章 流体的物理性质,1.4 流体的界面现象和性质,毛细现象,：垂直细管中，液体高于或低于周围连通液面的现象。,=0,，称液体和固壁完全浸润；,=180,，液固之间完全不浸润,