流体力学流体性质

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1、流体力学流体力学基本概念基本概念1. 流体的定义流体的定义2. 研究流体的连续介质模型研究流体的连续介质模型3. 流体的基本物理性质流体的基本物理性质流体定义流体定义流体流体是气体和液体气体和液体的总称。 大气和水大气和水是最常见的两种流体 。流体力学中研究得最多的流体也是水和空气水和空气。流体的主要特性就是它的“流动性流动性”。 定义定义：流体就是在剪切外力的作用下会发生流体就是在剪切外力的作用下会发生 流动（持续变形）的物体流动（持续变形）的物体。流体在静止时不能承受剪切力流体在静止时不能承受剪切力，不管多么小的切向应力，只要持续地施加，都能使流体流动发生任意大的变形。流动性流动性流体在静

2、止时只有法向应力流体在静止时只有法向应力, 而没有切向应力而没有切向应力。 一般都是各向同性流体各向同性流体 这与分子结构、分子间作用力性质相关。 连续介质假设连续介质假设基本现象基本现象：流体由大量分子大量分子组成，分子间的真空区其尺度远大于分子本身。每个分子无休止地作不规则运动，相互间经常碰撞。因此流体的微观结构和运动无论在时间和空间上都充满着不均匀性，离散性离散性和随机性。 而流体的宏观结构和运动宏观结构和运动却都明显地表现出一定的均匀性、连续性和确定性均匀性、连续性和确定性。 连续介质假设连续介质假设基本思想基本思想：我们所研究的对象是物体的宏观运动宏观运动，即大量分子的平均行为分子的

3、平均行为，不必考虑单个分子的运动细节不必考虑单个分子的运动细节。因此当研究物体的变形、流动等宏观运动特征时，就可以将物体作为一种连续体对待将物体作为一种连续体对待。（要解决的是：应当用怎样怎样的方法去把一个由分子和原子组成的质点系统“等效地”代换为一个连续体，即应如何规定连续体的质量、能量、动量等物理量在空间的分布?）。 连续介质假设连续介质假设连续介质假设连续介质假设认为：真实流体可近似地看作是由紧凑连续分布的流体质点流体质点 所构成构成的连续介质的连续介质。 流体质点流体质点: 是大量流体分子的集合，而且要求流体质点微观上是充分地大，流体质点微观上是充分地大，以保证流体质点中包含足够多的分

4、子，对它们进行统计平均能取得稳定的宏观量值稳定的宏观量值，不会因少量分子出入流体质点而影响该宏观量值。在宏观上要充在宏观上要充分地小分地小,以致可以把流体质点流体质点近似地看成在几何在几何上没有维度的点上没有维度的点。 准平衡假设准平衡假设经宏观上这样选取尺度后，流体质点流体质点所具有具有的宏观物理量的宏观物理量，在流体域内是连续分布的连续分布的，从而才构成了各种物理量场物理量场， 注意：另一方面，对流体分子团（质点）进行统计平均的时间统计平均的时间dt, 也是微观上足够长，宏观上微观上足够长，宏观上足够短足够短。微观上，分子碰撞已经许多次，足够进行统计平均得到稳定的数值.而宏观上又足够的短，

5、可以看作为一个瞬间，一个时刻。 准平衡假设准平衡假设假设流体质点流体质点内所经历的热力过程热力过程是局部准局部准平衡过程平衡过程，即假设流体质点在偏离某一热力平衡状态后会立刻恢复平衡并达到新的平衡状态，具有时时确定并且随时间连续变化的具有时时确定并且随时间连续变化的宏观物理特性参数值宏观物理特性参数值。流体问题流体问题定义为：连续地充满整个流动空间的流体质点的运动问题。每个空间点和每个空间点和 每每个时刻都有确定的物理量（值）个时刻都有确定的物理量（值），它们是空是空间坐标和时间的连续函数间坐标和时间的连续函数。可以用数学分析、场论等数学工具来研究 流体质点流体质点流体质点具有时时确定并且随时

6、间连续变化的宏观物理特性参数值。 ) t , z, y, x(pp ) t , r () t , z, y, x() t , z, y, x(TT ) t , z, y, x(vv可以用数学分析、场论等数学工具来研究 流体质点尺度流体质点尺度事实合理性事实合理性空间空间 dx冰点温度和一个大气压下，10-9厘米3的体积中含有气体分子数为:2.71010个（分子）水: 31013个分子 时间时间 dt而在10-9厘米3体积内，10-6秒时间内，分子碰撞1014次，而驰豫时间为10-9秒左右。(驰豫时间为流体质点在失衡后达到新平衡的时间)连续介质假设对一般气体和液体，均成立。 流体微团流体微团流体

7、微团流体微团：尺度无穷小的流体质点系其中宏观物理特性值存在微分的差异微分的差异。 dxxppp0dxx0连续介质假设连续介质假设:说明说明另外，一个给定的体积能否看成流体质点，还依赖于所研究问题的空间尺度空间尺度。对于研究对象的宏观尺度和物质结构的微观尺度量级相当的情况，连续介质假设不适用不适用。如在分析空间飞行器和高层稀薄大气稀薄大气的相互作用时，飞行器尺度与空气分子平均程尺度相当。 流体宏观物理性质流体宏观物理性质 1. 易流动性易流动性 (已讲过已讲过)2. 惯性（质量、密度）惯性（质量、密度）3. 可压缩性可压缩性4. 粘性粘性5. 热传导热传导6. 扩散性扩散性7. 表面张力特性表面

8、张力特性 等等流体的宏观性质是微观性质的统计平均流体的宏观性质是微观性质的统计平均。 惯性惯性惯性惯性：物体保持原有运动状态的性质。质量质量是用来度量物体惯性惯性大小的物理量。密度密度：单位体积内的质量。 密度密度 ddmmlim0数学数学上，0 dM,ddm) t , r () t , z, y, x(x,y,z)空间位置空间位置 =ML-3kgm-3 量纲：量纲： 单位：单位： 密度密度均质均质 VMddm,ddmd)z, y, x(M比容(比体积)v：密度的倒数v=1/单位体积流体的重量：重度 =g (N/m3) 相对密度: d=/4度水 流体的压缩性流体的压缩性流体质点的密度流体质点的

9、密度随压力随压力p或温度或温度T而改变的性质而改变的性质 热力学系统热力学系统（流体质点流体质点）的平衡态平衡态，可用两个独立的状态参数状态参数来描述。其它状态参数由状态方程来确定 )T, p(压缩程度压缩程度用密度或比容v的相对变化量d/或dv/v来确定 流体的压缩性流体的压缩性状态(p,T)由变化至(p+dp,T+dT)时，微分(变化量) dT)T(dp)p(dpT相对变化量相对变化量 dT)T(1dp)p(1dpT或或 dT)Tv(v1dp)pv(v1vdvpT流体的压缩性流体的压缩性定义等压膨胀系数和等温压缩系数 pp)Tv(v1)T(1TT)pv(v1)p(1（物性系数由实验测量确定

10、物性系数由实验测量确定） dTdpddTdpvdv流体的压缩性流体的压缩性等温压缩系数等温压缩系数 的倒数为体积弹性模量的倒数为体积弹性模量E表示体积相对变化所需的压强增量表示体积相对变化所需的压强增量。 TT)vp(v)p(1EE 越大，越大， 越不易被压缩。越不易被压缩。对完全气体完全气体，状态方程 pv=RT或 p=RT =1/T, =1/p 对均质液体均质液体而言，在正常条件下，它的状态方程为密度=常数 0流体的压缩性流体的压缩性由于液体液体的热容量很大热容量很大（即加减很多热量，而温度T变化很小），其压缩过程常可视为等温过程。液体的等温压缩系数等温压缩系数 在压力不是很高的定温压缩过

11、程中近似看作常数 dpddpvdv实际流体都是具有可压缩性的。实际流体都是具有可压缩性的。气体比液体更易压缩气体比液体更易压缩。 液体液体的的 E 随温度和压强而变，随温度变化不显著。液体的随温度和压强而变，随温度变化不显著。液体的E 值很大，除非压强变化很剧烈、很迅速，一般可不考虑压缩值很大，除非压强变化很剧烈、很迅速，一般可不考虑压缩 性，作性，作不可压缩不可压缩流体假设，即认为液体的流体假设，即认为液体的E值为无穷大，密值为无穷大，密 度为常数。但若考虑水下爆炸、水击问题时，则必须考虑压度为常数。但若考虑水下爆炸、水击问题时，则必须考虑压 缩性。缩性。 常温下，水的体积弹性系数常温下，水