第一节 流体的连续介质模型
一、流体
流体(Fluid):能够流动的物体,如液体和气体。 特征:不能保持一定的形状,而是有很大的流动性。 与固体比较:
1) 流体中,分子之间的空隙比在固体中的大,分子运动的范围也比在固体中的大,分子的移动与转动为其主要的运动形式。
固体中,分子绕固定位置振动是主要的运动形式。
2) 流体仅能抵抗压力,不能抵抗拉力或切力。流体受到切力作用时,就发生连续不断的变形,表现为流动。
固体可以抵抗压力、拉力和切力,在外力作用下通常发生较小变形,变形到一定程度后停止,直到破坏。 3)流体分类:液体与气体
液体:具有一定体积,与盛装液体的容器大小无关,可以有自由面。 气体:会膨胀而充满其所占的空间。
气体分子间距大,为可压缩流体。气体既没有一定形状也没有一定体积。一定量气体在较大容器内,由于分子的剧烈运动将均匀充满容器,而不能形成自由表面。 二、连续介质模型
在动量传输的研究中,不研究流体中个别分子的微观运动和分子之间的相互作用,如分子热运动、分子间的引力等,虽然分子间的相互作用在流体中是存在的。动量传输研究的是由大量分子组成的宏观体积流体(流体质点)的运动,把研究对象视为占有一定空间由无限多个流体微团(流体质点)稠密无间隙地组成的连续介质。流体内的物理量如密度、速度、压力、粘度等也是连续分布的,是空间的连续函数,这样就是用连续函数的解析方法来研究流体的动量传输了。
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第二节 流体的压缩性
一、状态方程
水的密度随温度升高略微降低,随压力增加而加大。不计温度的影响时,有下列的经验关系式。 二、压缩性和膨胀性
流体密度随压力而改变的性质称为压缩性,随温度而改变的性质称为热膨胀性。
液体的压缩性很小,通常可认为是不可压缩的。只在某些特殊情况时考虑,如液体所占的体积特别大,而压力的变化又很突然时(此时会出现水击现象),就必须考虑液体的压缩性;深海中不同层次的海水密度是会因所受压力的不同而变化的(即受到压缩作用)。 二、气体的压缩性和膨胀性
在压力不变的情况下,一定质量气体的体积随温度升高而膨胀。温度每升高1K,体积便增加273K时体积的1/273,这就是盖吕萨克定律。
第三节 流体的粘性
一、流体粘性的概念
流体在外力作用下流动时,流体分子间的内聚力会阻碍其分子的相对运动,即具有一定的内摩擦力,这种性质称为流体的粘性。粘性是流体的重要物理性质。或者,在作相对运动的两流体层的接触面上,存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动,流体的这种性质叫做流体的粘性,由粘性产生的作用力叫做粘性阻力或内摩擦力。静止的流体不表现出粘性。
由于分子作不规则运动,各流体层之间互有分子迁移掺混,快层分子进入慢层给慢层以向前的碰撞,交换能量,使慢层加速;慢层分子迁移到快层时,给快层以向后碰撞,形成阻力使快层减速。这是由于分子不规则运动的动量交换形成的粘性阻力。
当相邻流体层有相对运动时,快层分子的引力拖动慢层,而慢层分子引力阻滞快层,这是由于两层流体之间吸引力所形成的阻力。 二、牛顿粘性定律
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1686年牛顿指出,当流体的流层之间出现相对位移(即存在速度梯度)时,不同流动速度的流层之间会产生切向粘性力(摩擦力),切向粘性阻力的大小与速度梯度和接触面积成正比,并与流体的粘性有关。这就是牛顿粘度定律 切应力τyx又称为粘性动量通量。τyx有双脚标,第一个脚标y表示切应力的法线方向,第二个脚标x表示切应力的方向。(相当于一个物理量有两种物理意义,一种是切应力,一种是动量通量。)
牛顿粘度定律的物理意义:可用动量传输原理来解释,假设流体是一系列平行于平板的薄层,每个薄层具有相应的动量,同时导致直接位于其下的薄层的流动。因此,动量沿y方向进行传输。
第四章 作用在流体上的力
作用在流体上的力分为两类:质量力和表面力。 1. 质量力
这是超距离作用力,作用在流体的每个质点上。例如重力、惯性力、电磁力等。
2. 表面力
这是接触作用力,即周围流体或固体作用在该流体表面上的力,例如压力、摩擦力等等。
流体是连续介质,因此质量力和表面力都是连续的分布力,需要定义他们的分布强度,以便衡量其大小。
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