水力学液体的主要物理性质ppt课件.ppt

'1液体的主要物理性质 1.1液体的主要物理性质1.2液体的密度和容重1.3液体的粘滞性1.4液体的压缩性和膨胀性1.5液体的表面张力1.6作用于液体上的力 1.1液体的主要物理性质1.1.1液体的基本特征自然界物质存在三种形式固体液体气体 流体固体液体气体物质 固体液体气体物质固定形状和体积内部存在拉力、压力和剪力不能保持固定形状不能承受拉力，微弱剪力作用下，流体发生变形和流动 固体液体气体物质压缩和膨胀性小可压缩和膨胀 1.1.2连续介质的概念液体由分子组成，分子之间存在空隙，介质不连续 分子间距相当微小现代物理学指出，常温下，每立方厘米水中，约含3×1022个分子，相邻分子间距约3×10－8cm。可见，分子间距相当微小，在很小体积中，包含难以计数的分子。3×10－8cm 水力学中，把液体当作连续介质假设液体是一种连续充满其所占据空间的连续体 水力学所研究的液体是连续介质的连续流动 连续介质的概念由瑞士学者欧拉（Euler）1753年首先建立，这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。 如果液体视为连续介质，则液体中一切物理量（如速度、压强和密度等）可视为空间（液体所占据空间）坐标和时间的连续函数。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。 研究液体运动时，可利用连续函数分析方法 1.1液体的主要物理性质1.1.1液体的基本特征不能保持固定形状易流性：不能承受拉力，微弱剪力作用下流动压缩和膨胀性小1.1.2连续介质的概念液体是一种连续充满其所占据空间的连续体 1.2液体的密度和容重1密度：单位体积液体所包含的质量，用ρ表示 均质液体：=式中，M为液体的质量；V为的体积对于非均质液体：=式中，ΔM为任意微元的液体质量；量纲：ρ=[ML-3]单位：kg·m-3ΔV为任意微元的液体体积。MVΔM,ΔV 量纲：[F]=[Ma]=[M]·[a]=[M][a]每一个物理量包含量的数值和量的种类用符号[]表示物理量的种类称量纲例如，F=-Ma则 ρ＝f(p,t)=f(压强，温度）但随温度、压强变化较小，水力学中一般视为常数。用标准大气压下，温度为4（°）时蒸馏水密度计算ρ＝1000（kg·m-3) 若已知均质液体密度和体积，则该液体质量为 但随温度和压强的变化较小ρ＝f(p,t)=f(压强，温度） 2容重（重度）均质液体：或：则量纲：[γ]＝[F·L-3]单位：N·m-3或kN·m-3 重力：地球对物体的吸引力称重力，用符号G表示G=Mg式中，g为加速度。 不同液体重度是不同的γ＝f(p,t)=f(压强，温度）但随压强和温度的变化甚微，一般工程上视为常数。 γ＝9800（N·m-3）＝9.8（kN·m-3）取一个标准大气压下的温度为4°c蒸馏水计算，则 水的重度（标准大气压下）随温度变化 表0-1几种常见的液体的重度（标准大气压下）液体名称汽油纯酒精蒸馏水海水水银重度（N·m-3）测定温度（°）水的倍数6664～7350150.68～0.757778.3150.79379800419996～10084151.02～1.029133280013.6 从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析uδ两个相邻微元液层受力分析ABτABτBAuABABuBA平板缝隙中的润滑油流动1.3液体的粘滞性 1．粘滞性：当液体质点（液层）间存在相对运动时液体质点（液层）间产生这种性质称液体粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）或液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力 因：液体质点（液层）间存在相对运动（快慢）果：质点间（液层）间存在内摩擦力（1）方向：与该液层相对运动速度方向相反（2）大小：由牛顿内摩擦定律决定 2．牛顿内摩擦定律：根据前人的科学实验研究，与液层之间的流速差成正比，液层接触面上产生的内摩擦力（单位面积上）大小，与两液层距离成反比，同时与液体的性质有关。试验成果写成表达式为 2．牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律式中，μ为液体的动力粘滞系数τ为切应力，方向与作用面平行dudy为流速梯度，y为垂直于流速方向与相对运动方向相反uδyOu+duyτudyuτBAuABuBAABτAB 流速分布曲线 切应力方向判断u+duuu+duττu 适用条件：牛顿流体（Newtonianfluid）图牛顿流体的适用条件τ0du/dyτμ1牛顿流体理想宾汉流体伪塑性流体膨胀性流体泥浆，血液等尼龙，橡胶的溶液生面团，浓淀粉等 固体的变形从另一个角度分析流速梯度 液体的变形 图微元水体运动的示意dudtu+duuyτudydydθ故证明:液体的流速梯度即为液体的剪切变形速度 故相邻液层之间所产生的切应力与剪切变形速度成正比所以,液体的粘滞性可视为液体抵抗剪切变形的特性剪切变形越大，所产生内摩擦力越大对相对运动液层抵抗越大 3．粘滞系数：反映不同液体对内摩擦力的影响系数 动力粘滞系数μ量纲：[F.T.L-2]单位：N·s·m-2＝Pa·s有时候用:poise(泊)=dyne·s·cm-21poise=0.1N·s·m-2 运动粘滞系数量纲：[L2T-1]单位：m2·s-1有时候用:cm2·s-11cm2·s-1=1stokes=0.0001m2·s-1ν＝μ/ρ 同一种液体中，粘滞系数(μν)=f(p,t)=随压力和温度变化，但是随压力变化甚微，对温度变化较为敏感。 对于水，可采用下列经验公式式中，t℃水温度，为stokes；ν（cm2/s) 下图给出了水和空气的粘滞系数随温度变化曲线。图水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线可见：对于水（液体）随温度上升而减少，对于空气其随温度上升增大。原因在于两者分子结构不同。 1.4压缩性及压缩系数1．弹性：当液体承受压力后，体积要缩小，压力撤出后也能恢复原状，这种性质称为液体的弹性或压缩性。液体的压缩性大小用体积压缩系数或弹性系数表示 2．体积压缩系数：pp+dpVV+dV图液体体积的压缩示意式中，β为体积压缩系数，β值越大，液体压缩性越大。解释：“－”表示压强增大，体积缩小，体积增量dV与压强增量dp符号相反，为了保证β是一个整数，前面冠以“－”。 液体被压缩时，质量并没有改变，故单位：(m2·N-1)=Pa-1 3．体积弹性系数：单位：Pa，kPa物理意义：K越大，液体越不容易压缩K→∞表示液体绝对不可压缩。 例如，在温度t=20℃，K＝2.10×106（kN·m-2），即每增加一个大气压，水的体积相对压缩量仅两万分之一。液体是不可压缩 特殊问题必须考虑液体压缩性例如，电站出现事故，突然关闭电站进水阀门，则进水管中压力突然升高，液体受到压缩，产生的弹性力对运动的影响不能忽视。 1.5表面张力1表面张力：自由面上液体分子受到的极其微小的拉力原因：自由表面上液体分子和两侧分子引力不平衡。注意：1表面张力不在液体的内部存在，只存在于液体表面2液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起作用可忽略不计。3某些情况下要考虑。例如，水滴雾化 2毛细现象：盛有液体的细玻璃管叫做测压管。由于表面张力作用玻璃管中液面和与之连同的大容器中的液面不在同一水平面上，这种现象叫毛细现象。图毛细现象hh水水银 图玻璃管中毛细管上升值图毛细现象hh水水银d 1-6作用于液体上的力1.表面力作用于液体表面，并与作用面的表面积成正比的力为表面力。例如，压力，粘滞力等。 1.表面力表面力的大小可用总作用力表示，也常用单位面积上所受的表面力（即应力）表示。若表面力和作用面垂直，此切应力称为压应力或压强。若表面力和作用面平行，则此应力称为切应力。 2质量力作用于也液体每一部分质量上，其大小和液体的质量成正比的力。例如，重力、惯性力等。在均质液体中，质量和体积是成正比的，所以，质量力又称为体积力。 2质量力质量力除用总作用力表示外，也常用单位质量力度量单位质量力：作用在单位质量液体上的质量力 若一质量为M的均质液体，作用于其上的总质量为F，则单位质量力f为在三个坐标方向的投影为式中：FX，FY，FZ为总质量力在三个坐标方向的投影；X，Y，Z为单位质量力在三个坐标方向的投影，或称作x，y，z方向的单位质量力。f=F/M=(Fx,Fy,Fz)/M 例如在重力作用下的液体X＝Y＝0，Z＝-g；在旋转（常角速度）容器中的单位质量力X＝xω2；Y＝yω2；Z＝-g'