流體的性質(zhì)及其流動1第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

本篇的重點在于從傳輸?shù)慕嵌?，研究流體的運動規(guī)律。主要掌握流體流動的連續(xù)方程、伯努力方程和動量傳輸方程在冶金和材料熱加工過程中的應用。要學習流體的動量傳輸?shù)膯栴}，首先就要了解流體的基本性質(zhì)及其流動特點和有關(guān)的定義。2第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體的性質(zhì)及其流動

Chapter1PropertiesofFluids

andFluidFlow3第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1流體的概念及性質(zhì)

ConceptsandPropertiesofFluids1.流體的定義(DefinitionofFluids)

工程上將只能抵抗壓力而在一定的切應力作用下會產(chǎn)生連續(xù)不斷變形（即流動）的物質(zhì)統(tǒng)稱為流體。

流體包括：氣體和液體4第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)介質(zhì)模型

由于任何流體在原子/分子的微觀尺度上看，流體物質(zhì)的性質(zhì)是間斷的。而我們所研究的流體的動量傳輸，以及流體的熱量和質(zhì)量問題，如密度、壓力、速度、溫度和成分則是宏觀尺度的物理量是由大量分子/原子的行為和作用的平均效果。因而可以認為我們所研究的動量傳輸介質(zhì)—流體的所有物理性質(zhì)和物理量處處稠密且是連續(xù)的，這樣就可以用連續(xù)函數(shù)的解析方法（微積分學）研究流體的靜力學和動力學。5第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月工程上遇到的流體不只局限于氣體和液體，許多固液、氣液混合物，如泥漿、凝固狀態(tài)的金屬液也具有流動性，滿足流體的定義。關(guān)于對這些特殊流體的復雜流動及動量傳輸規(guī)律的研究屬于流變學的范疇。6第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

定量描述流體的流動行為及動量傳輸，需要了解和定義流體有關(guān)的物理性質(zhì)和參數(shù)。

(1)密度：單位體積的流體所具有的質(zhì)量式中：—流體的密度[kg/m3]；

—流體的質(zhì)量[kg]；

—流體的體積[m3]；

2.流體的主要物理性質(zhì)

PhysicalPropertiesofFluids

7第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

比體積：(單位質(zhì)量流體所具有的體積)

一般情況下，流體的密度是可變的（受T,P,CL影響）在某些情況下，密度的變化會對流動狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響，如：溫度梯度和濃度梯度影響下的自然對流。8第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

(2)流體的壓縮性：在壓力P的作用下，流體體積特性能改變。流體的壓縮特性的大小，可由體積壓縮系數(shù)K表示。

式中：—原有的體積[m3]；

—體積的改變量[m3]；（壓力變化引起的）

—壓力的變化量[pa]；

—體積壓縮系數(shù)[pa

-1]；9第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)流體的熱膨脹性：由溫度變化引起的流體體積變化的特性，其定義為：

式中：—溫度的變化量[°C]；

—流體的熱膨脹系數(shù)[°C

-1]；

液體的和很小，如水的和都在10-4~10-5的數(shù)量級10第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

（4）氣體的壓縮特性和熱膨脹特性氣體的壓縮特性和熱膨脹特性都比液體大得多，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

PV=RT

P／＝RT式中：

T—絕對溫度

P—絕對壓力

R—氣體常數(shù)（287Nm/(kgK)）

V—比體積

—氣體密度11第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

氣體的體積膨脹特性和熱膨脹特性可分別由等溫過程、等壓過程和絕熱過程的密度變化表達式表示：(1)等溫過程(2)等壓過程(3)絕熱過程

其中，(對于空氣k=1.4)—絕熱指數(shù)12第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

雷諾(Reynold)于1882年進行了管內(nèi)的流體流動實驗（如圖）。由于在流體流動的過程中條件不同，可能具有兩種性質(zhì)完全不同的流動狀態(tài)，即：

層流(laminarflow)

紊流(turbulentflow)1.2流體的流動形態(tài)

TypesofFluidFlow13第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

決定管道里流體流動狀態(tài)的是一個稱之為雷諾數(shù)(ReynoldsNumber)的無量綱數(shù)群，用Re表示：式中：—管道內(nèi)流體的平均流速[m/s]；

—流體的密度[kg/m3]；

—圓管內(nèi)徑[m]；

—流體的動力粘度系數(shù)[pa.s]；

—流體的運動粘性系數(shù)[m2/s]；14第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

實驗表明：Re越大，流動狀態(tài)越趨向于紊流發(fā)展。流體由層流開始向紊流轉(zhuǎn)變的臨界Re數(shù)為：

Re臨=2100~2300

Re15第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月層流與紊流的速度分布

DistributionofLaminarandTurbulentVelocitiesinATube16第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

英國科學家牛頓(Newton)1686年指出：當流體的流層之間出現(xiàn)相對位移時，不同流動速度的流層之間會產(chǎn)切向粘性應力（摩擦力)。1.3牛頓流體粘性定律及粘性系數(shù)

Newton’sLawofViscosityandViscosities17第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月一、牛頓粘性定律

Newton’sLawofViscosity

牛頓提出了描述粘性流體不均勻流動時粘性阻力F與速度變化率之間的關(guān)系，即牛頓流體粘性定律的假說，可由下式表示：式中: F—粘性力[N]；

A—平板與流體的接觸面積[m2]；

Y—兩平板間的距離[m]；

Vx

—上平板的移動速度[m／s]18第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

顯然，比值Vx/Y為x方向的流動速度在y方向上的變化率，即速度梯度，可表示為dvx/dy，將上式改變形式，并引入系數(shù)，可得到如下微分形式的牛頓流體粘性定律表達式：式中： —表示在y方向上具有的速度梯度，流動方向為x方向的流體在單位面積上產(chǎn)生的粘性力，也稱為粘性切應力[N/m2][pa];

—比例常數(shù)，稱作動力粘性系數(shù)(dynamicviscosity)[pa.s][Ns/m2]正負號的選擇要保證計算得到的

yx為正值。牛頓流體粘性定律19第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

粘度系數(shù)表征流體抵抗連續(xù)變形的能力。由可知，在數(shù)值上表示單位速度梯度下流體產(chǎn)生的粘性切應力，是流體的一個物理參數(shù)，決定于流體的物理狀態(tài)和性質(zhì)，稱為動力粘度系數(shù)，在動量傳輸分析與計算中，常取運動粘度系數(shù)

(kinematicviscosity)ν：

ν=

/

ν單位為[m2/s]，

和ν通常是溫度的函數(shù)，壓力對它們也有一定的影響，在計算中常將動力粘度系數(shù)和運動粘度系數(shù)取為常數(shù)。粘度系數(shù)的物理意義20第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

牛頓流體粘性定律的形式改寫為：，這樣，為流動流體的動量密度梯度?？梢岳斫鉃閯恿繑U散系數(shù)(momentumdiffusivity)。由此，牛頓粘性定律還有另一層物理意義。即在動量密度梯度下粘性引起流體的粘性動量通量。 由于梯度方向是y方向，所以動量通量方向為y方向，即流體的動量由上部的高動量向下部低動量傳輸（動量的粘性擴散）。21第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月牛頓粘性定律有兩層物理意義:

由于流體粘性，在速度梯度下產(chǎn)生的粘性切應力，方向為x方向；在動量密度梯度作用下，產(chǎn)生y方向的動量傳輸，傳輸方向與梯度增加方向相反。

量綱：22第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二、粘性系數(shù)的影響因素

FactorsInfluencingViscosities

23第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

24第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月25第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4流體的分類

TypesofFlui