流体及其物理性质流体力学

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1、基础篇B1.流体及其物理性质B2.流动分析基础B3.微分形式的基本方程B4.积分形式的基本方程B5.量纲分析与相似原理B1.1.1流体的微观和宏观特性流体团分子速度的统计平均值曲线•流体分子微观运动自身热运动•流体团宏观运动外力引起统计平均值临界体积B1.1.1流体的微观和宏观特性B1.1.2流体质点概念(1)流体质点无线尺度，无热运动，只在外力作用下作宏观平移运动;(1)流体元为由大量流体质点构成的微小单元（δx，δy，δz）；为了满足数学分析的需要，引入流体质点模型•为了描述流体微团的旋转和变形引入流体质元（流体元）模型：B1.1

2、.2流体质点概念(2)将周围临界体积范围内的分子平均特性赋于质点。(2)由流体质点的相对运动形成流体元的旋转和变形。B1.1.3连续介质假设连续介质假设：假设流体是由连续分布的流体质点组成的介质。连续介质假设是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学是自然图形的抽象一样。(1)可用连续性函数B(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时间变化；(2)由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。•除了稀薄气体、激波外的绝大多数流动问题，均可用连续介质假设作理论分析。B1.1.3连续介质假设液体保持了固体

3、具有一定体积、难以压缩的特点，却在分子运动性方面发生了巨大改变。分子在“球胞”之间聚散无常，并且凭借“空洞”，实现位置迁移。1826年苏格兰植物学家布朗（RobertBrown)发现花粉粒子在水面上作随机运动，就是液体分子迁移的证据。气体无一定形状和体积。B1.2流体的易变形性流体的力学定义：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势(体积保持不变)。就易变形性而言，液体与气体属于同类。B1.2流体的易变形性(8-1)流体的一般定义：液体和气体的统称，它们没有一定的形状，容易流动。（现代汉语词典）流体易变形性是流体的决定性宏观力学特性

4、，具体表现为：在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般是微小的(如金属)或有限的(如塑料)，但流体却能产生很大的甚至无限大变形(力作用时间无限长)。B1.2流体的易变形性B1.2流体的易变形性(8-2)当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复，流体则不作任何恢复。B1.2流体的易变形性(8-3)固体内的切应力由剪切变形量(位移)决定，而流体内的切应力与变形量无关，由变形速度(切变率)决定。B1.2流体的易变形性(8-4)通过搅拌改变均质流体微团的排列次序，不影响它的宏观物理性质；强行改变固体微粒的排列无疑将它彻底破坏。B1.2流

5、体的易变形性(8-5)固体重量引起的压强只沿重力方向传递，垂直于重力方向的压强一般很小或为零；流体平衡时压强可等值地向各个方向传递，压强可垂直作用于任何方位的平面上。B1.2流体的易变形性(8-6)固体表面之间的摩擦是滑动摩擦，摩擦力与固体表面状况有关；B1.2流体的易变形性(8-7)流体与固体壁面可实现分子量级的接触，达到壁面不滑移。流体流动时，内部可形成超乎想象的复杂结构(如湍流);固体受力时，内部结构变化相对简单。B1.2流体的易变形性(8-8)B1.3.1流体粘性的表现1.流体粘性首先表现在相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用

6、。流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687）提出。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中指出：“流体的两部分由于缺乏润滑而引起的阻力（若其他情况一样），同流体两部分彼此分开的速度成正比”;“不过，流体的阻力正比于速度，与其说是物理实际，不如说是数学假设”。B1.3.1流体粘性的表现(6-1)B1.3流体的粘性牛顿内摩擦假设在过了近一百年后，由库仑（C.A.Coulomb,1784）用实验得到证实。库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆

7、板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了三种圆板的衰减时间。普通板涂腊板细砂板B1.3.1流体粘性的表现(6-2)三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。B1.3.1流体粘性的表现(6-3)流体内摩擦是两层流体间分子内聚力和分子动量交换的宏观表现。当两层液体作相对运动时，紧靠的两层液体分子的平均距离加大，产生吸引力，这就是分子内聚力。B1.3.1流体粘性的表现(6-4)气体分子的随机运动范围大，流层之间的分子交换频繁。相邻两流层之间的分子动量交换表现为力的作用，称为表观

8、切应力。气体内摩擦力即以表观切应力为主。B1.3.1流体粘性的表现(6-5)2.壁面不滑移假设由于流体的易变形性，流体与固壁可实现分子量级的粘附作用。通过分子内聚力使粘附在固壁上的流体质点与固壁一起运动或静止。B1.3.