流体的物理性质课件.ppt
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- 流体 物理性质 课件
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1、|流体的易流动性有形和无形|流体的惯性密度、重度、比体积、比重|输运性质(含粘性)|可压缩性和膨胀性|表面张力与毛细现象Physical characteristics一点上的流体密度(一点上的流体密度(densitydensity)一点上的流体重度(一点上的流体重度(specific weightspecific weight)一点上的流体比体积或比容一点上的流体比体积或比容 (specific volumespecific volume))/(lim30mkgVMdVdMVMV均质流体)/(lim30mNVGdVdGVGV均质流体)/(13kgmMVvv均质流体zyxoMVGVMGA流体微
2、团质点P(x,y,z)流体的流体的 的换算关系的换算关系v、gvg1其中,g=9.8m/s2|流体的密度与哪些因素有关?流体的种类压强和温度组成成份空间位置|举例:大气和海水15km6km比重(比重(specific gravityspecific gravity)vvMMGGDWWWWW物体的重量与同体积的 蒸馏水的重量之比。以下标w代表 蒸馏水的相应物理量,则比重:C4C4蒸馏水的比重为1,在SI制中蒸馏水的密度蒸馏水的重度蒸馏水的比体积C4C4C4C4)/(10003mkgW)/(98103mNW)/(001.03kgmvW密度、重度密度、重度 、比体积与流体比重的关系、比体积与流体比重
3、的关系DvDD001.098101000,记住:289K即 ,空气密度 标准大气压barpmkg013.1/226.13C20|动量输送粘性 viscosity 相邻层的动量交换引起|热能输送热传导 heat conduction 温度分布不均引起|质量输送扩散 diffusion 质量或密度分布不均引起固体力学中的摩擦力固体力学中的摩擦力流体中的摩擦力流体中的摩擦力固体力学中的摩擦力计算固体力学中的摩擦力计算流体中的摩擦力计算流体中的摩擦力计算固体力学中的摩擦力作用固体力学中的摩擦力作用流体中的摩擦力作用流体中的摩擦力作用|注意对比流体与固体的不同|动量输送粘性 viscosity 流体在运
4、动状态下具有抵抗由于相对运动引流体在运动状态下具有抵抗由于相对运动引起的剪切变形的能力,从而在内部产生切应力的起的剪切变形的能力,从而在内部产生切应力的这种性质叫作流体的粘性。是流动产生机械能损这种性质叫作流体的粘性。是流动产生机械能损失的根源。失的根源。流体的粘性来源于流体分子之间的内聚力内聚力和相邻流动层之间的动量交换动量交换。|粘性作用的描述流体处于平衡状态时,其粘性无从表现,只有当流体运流体运动动时,流体的粘性才能显示出来。xyUFokyu F1.Physical characteristicsViscosityAFThe shear changes the cuboid into a
5、 parallelepiped.The force F acting tangential on the area A is called shear stress (tau).After the time t the upper area has traveled a distance D to the right.This causes the vertical sides of the fluid element to tilt and to elongate.The deformation is described by the strain,the ratio of displace
6、ment D over separation height H.The change of strain with respect to time is the strain rate or shear velocity.HDHVHtDtHDdtd1A fluid is a substance that deforms continuously when subjected to a shear stress(=a force tangent to a surface that is divided by the area of that surface).1.Physical charact
7、eristicsViscosityA fluid is a substance that deforms continuously when subjected to a shear stress(=a force tangent to a surface that is divided by the area of that surface).t1:element of mattert2 t1:constant shear stress deforms elementThe deformation of a solid element under constant shear stress
8、is fixed.A fluid element under constant shear stress keeps on deforming,it flows.Difference between Fluid and Solidt3 t2:constant shear stress deforms elementfluid3 2 vsolid3=2 22The shear changes the quadrilateral into a parallelogram.|牛顿内摩擦定律平板拖拽实验发现:平板拖拽实验发现:AUFAUFUN2与两板之间的微小距离成反比:推动上板的外力F与其运动速度U
9、及摩擦面积A成正比:比例常数与充入两板之间的流体种类及其温度压强状况有关。xyUFokyu 流体的粘性UAFU切应力切应力速度梯度设速度分布为设速度分布为)(yuu dydu则切应力|流体微团的剪切角变形率)(yuu duuuuydy)(yoyyx注意:固体是怎样的?注意:固体是怎样的?dydtduddtg)(dydudtd D C A Bdydxuduu D1 C1 A1 B1ddydtdu|牛顿内摩擦定律一般形式设速度分布为)(yuu)()(yuffdyduf)(则切应力最简单形式注意:固体是怎样的?注意:固体是怎样的?G在固体中 在流体中|牛顿内摩擦定律的物理意义牛顿内摩擦力定律表明:牛
10、顿内摩擦力定律表明:2、切应力的大小取决于剪切角的变形率;与固体的切应力取决于剪切角显然不同。1、相邻两层的内摩擦力与正压力无关。与固体力学里的摩擦力显然不同。3、只要切应力不为零,变形率就不为零,这是流体易流性的数学表达形式。5、速度梯度不会趋于无穷大,而是保持有限值。因为总有一层流体与固体壁面之间无相对滑动。4、只要速度梯度为零,切应力就为零,流体必然静止。|牛顿流体和非牛顿流体满足简单牛顿内摩擦定律的是牛顿流体,否则是满足简单牛顿内摩擦定律的是牛顿流体,否则是非牛顿流体非牛顿流体切应力切应力变形率变形率dydu屈屈服服应应力力B理想塑性流体理想塑性流体(Bingham fluid)dyd
11、uB胀塑性流体胀塑性流体1n,ndyduk拟塑性流体拟塑性流体1n,ndyduk牛顿流体牛顿流体dydu1.非时变性非牛顿流体非时变性非牛顿流体2.时变性非牛顿流体时变性非牛顿流体切切应应力力时间时间t触稠流体触稠流体触变流体触变流体3.粘弹性流体粘弹性流体射流胀大射流胀大爬杆效应爬杆效应无管虹吸无管虹吸速度分布速度分布牛顿流体牛顿流体 非牛顿流体非牛顿流体触稠流体:触稠流体:随时间增大随时间增大触变流体:触变流体:随时间减小随时间减小|流体的粘度)(:22222sPasmNTLMLTTMLLFTTLLLFdydu单位)(:223smTLLMTLM单位动力粘度dydu/代表单位速度梯度下的切应
12、力,动力学量纲代表单位速度梯度下的切应力,动力学量纲动力粘度与液体密度的比值,运动学量纲动力粘度与液体密度的比值,运动学量纲运动粘度动力粘度大的流体,其运动粘度一定大?利用牛顿内摩擦定律利用牛顿内摩擦定律计算流体的粘性摩擦力计算流体的粘性摩擦力时,只要缝隙尺寸较小时,只要缝隙尺寸较小,不论任何速度曲线总,不论任何速度曲线总可以近似地看成是直线可以近似地看成是直线,用平均的速度梯度近,用平均的速度梯度近似地代表液流与固体接似地代表液流与固体接触表面处的速度梯度。触表面处的速度梯度。|牛顿内摩擦定律应用举例a1.1.同心环形缝隙中的直线运动同心环形缝隙中的直线运动 如图,假定缝隙 ,则缝隙中液流的
13、速度分布规律 近似为直线关系。d)(ruu Udrdu 速度梯度为速度梯度为U 切应力为切应力为ldA 摩擦面积为摩擦面积为UldAF 流体对柱塞的摩擦力为流体对柱塞的摩擦力为ldUFUN2柱塞克服摩擦力所需要的功率为柱塞克服摩擦力所需要的功率为2.2.同心环形缝隙中的回转运动同心环形缝隙中的回转运动 如图,同心缝隙 ,速度分布 假定近似为直线规律 。d)(ruu 2dU2dUdrdu轴表面速度梯度为轴表面速度梯度为2d切应力为切应力为ldA摩擦面积为摩擦面积为22ldAF流体作用在轴表面上的摩擦力为流体作用在轴表面上的摩擦力为423lddFT流体作用在轴上的摩擦力矩为流体作用在轴上的摩擦力矩
14、为423ldFUTN轴克服摩擦力所需要的功率为轴克服摩擦力所需要的功率为3.3.圆盘缝隙中的回转运动圆盘缝隙中的回转运动如图,直径为d的圆盘以转速n或角速度 回转,因缝隙很小 ,各层流体的速度分布 可近似假定为直线规律。B点半径为r。30/nd)(zuu rUdzduB B点的速度梯度为点的速度梯度为r上盘下表面切应力为上盘下表面切应力为rdrdA2B B点微元摩擦面积为点微元摩擦面积为drrdAdF22流体对微元表面的摩擦力流体对微元表面的摩擦力drrrdFdT32流体对微元表面的摩擦力矩流体对微元表面的摩擦力矩322432/0ddrrTd流体对上圆盘的总摩擦力矩流体对上圆盘的总摩擦力矩32
15、24dTN上盘克服摩擦所需要的功率上盘克服摩擦所需要的功率例题例题1-21-2如图长如图长L=10cmL=10cm、直径直径d=8cmd=8cm的柱塞在缸的柱塞在缸筒中作往复运动,在柱塞与缸筒的同心环形间隙筒中作往复运动,在柱塞与缸筒的同心环形间隙=0.5=0.5mmmm中充满动力粘度中充满动力粘度 的油液。柱塞的油液。柱塞位移为简谐运动规律位移为简谐运动规律 柱塞最大行程柱塞最大行程a=20cma=20cm,柱塞往复频率为每分钟柱塞往复频率为每分钟n=360n=360次。忽略柱塞惯性力,试求柱塞克服液体摩次。忽略柱塞惯性力,试求柱塞克服液体摩擦所需要的平均功率。擦所需要的平均功率。taxsi
16、nsPa09.0|粘度的测定直接测定法:借助于粘性流动理论中的基本公式。直接测定法:借助于粘性流动理论中的基本公式。间接测定法:如图。间接测定法:如图。(1 1)测待测流体在)测待测流体在t to oC C下下流出流出V V所需时间为所需时间为T T1 1秒。秒。(2 2)测蒸馏水在)测蒸馏水在2020o oC C下下流出流出V V所需时间为所需时间为T T2 2秒。秒。比值比值称为待测流体在称为待测流体在t to oC C时的时的恩氏度。恩氏度。利用恩氏粘度计的经验利用恩氏粘度计的经验公式,求出流体在公式,求出流体在t to oC C时的时的 。恩式粘度计ETT21/,),/(10)31.6
17、31.7(26smEE)(10)31.631.7(3sPaDEEUGDdl 例题例题1-31-3如图如图,为转筒式粘度计为转筒式粘度计示意图,在两个同心圆筒之间充满示意图,在两个同心圆筒之间充满待测液体,外筒匀速旋转,带动缝待测液体,外筒匀速旋转,带动缝隙中的液体,并给内筒一个摩擦力隙中的液体,并给内筒一个摩擦力矩。为保持内筒不动,通过连接在矩。为保持内筒不动,通过连接在内筒外表面上的钢丝滑轮法码组施内筒外表面上的钢丝滑轮法码组施加一个平衡力矩。已知内筒外直径加一个平衡力矩。已知内筒外直径d=70mmd=70mm,外筒内直径外筒内直径D=72 mmD=72 mm,同心同心环形缝隙与端面缝隙尺寸
18、相等,内环形缝隙与端面缝隙尺寸相等,内筒在液体中的深度筒在液体中的深度l=15cml=15cm,外筒转外筒转速速n=36r/minn=36r/min。对三种液体(重油、对三种液体(重油、原油、轻油)分别测得其平衡砝码原油、轻油)分别测得其平衡砝码重量为重量为G=1NG=1N、0.1N0.1N、及及0.010.01N N。试求试求这三种液体的动力粘度。这三种液体的动力粘度。dmmdD12 解解:这是包括同心环形缝隙及圆盘缝隙在内的一 个回转运动的问题,缝隙 环形缝隙是外筒旋转、内筒固定,在外筒处液体圆周速度 、内筒处液体圆周速度为零。环形缝隙中的速度梯度2DUdrdu2DU2Ddrdu2Ddld
19、lF液体中的切应力 液体作用在内筒侧表面上的摩擦力 液体作用在内筒端面上的摩擦力矩3242dT 4221lDddFT液体作用在内筒侧面上的摩擦力矩 2dGT 砝码对内筒的平衡力矩 21TTT324242dlDdG根据内筒的例句平衡条件 可得CGdDldG)8(162)8(162dDldC称仪器常数解出sPa21.0sPa021.0sPa0021.0代入已知条件可得:重油的动力粘度 原油的动力粘度 轻油的动力粘度|粘度的变化规律液体粘度随温度和压强按指数律变化一般随温度的升高而减小。液体粘度的变化规律液体粘度的变化规律|液体粘度液体粘度受压强的影响不很显著,受温度的影响非常明显。气体的都明显。气
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