第一章 粘性与表面张力

null第一章 流体的主要物理性质第一章 流体的主要物理性质第四节 粘度 一、粘度与牛顿内摩擦定律 二、牛顿流体、非牛顿流体 三、液流能量损失第五节 面张力 一、内聚力、附着力、表面张力 二、毛细现象 三、毛细作用的计算第六节 汽化压强 本章小结第四节 粘 度第四节 粘 度1、粘性 粘性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形的性质。 一、粘度与牛顿内摩擦定律第四节 粘度根据流体是否具有粘性，可分为：b.理想流体：是指无粘性（=0）的一种假想流体，在运动时也不能抵 抗剪切变形。a.实际流体：指具有粘度的流体，在运动时具有抵抗剪切变形的能力，即 存在摩擦力，粘性系数0。2、粘度2、粘度流体的粘度：粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是由流动流体的 内聚力和分子的动量交换所引起的。（1）定义动力粘性系数：又称绝对粘度、动力粘度、粘度，是反映流体粘滞性 大小的系数，单位：N•s/m2 。水的运动粘度 通常可用经验计算：运动粘度：又称相对粘度，运动粘性系数。（2）分类第四节 粘度（3）粘度的影响因素流体粘度的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化。1）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。第四节 粘度2）压强。对常见的流体，如水、气体等， 值随压强的变化不 大，一般可忽略不计。3）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小，气体 的粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高，分子间距离增大， 吸引力减小，因而使剪切变形速度所产生的切应力减小，所以 值减小。b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主要是由气体分子 运动动量交换的结果所引起的。温度升高，分子运动加快，动 量交换频繁，所以 值增加。（3）粘度的影响因素选择题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是：选择题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是：A、粘性是流体的固有属性； B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度； C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性； D、流体的粘度随温度的升高而增大。  null牛顿内摩擦定律： 液体运动时，相邻液层间所产生的切应力与剪切变 形的速率成正比。即3、牛顿内摩擦定律2）流体的切应力与动力粘性系数成正比。 3）对于平衡流体du/dy=0或理想流体=0，所以不产生切应力， =0。—粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力。说明：1）流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。 ——区别于固体的重要特性。固体的切应力与角变形的大小 成正比。第四节 粘度null图1.2牛顿平板实验引入动力粘性系数，则得牛顿内摩擦 定律牛顿平板实验与内摩擦 定律切应力分布null由图得：牛顿平板实验与内摩擦 定律说明：流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比。证明：在两平板间取一方形质点，高度为dy，dt时间后，质点微团从abcd 运动到a′ b′c′d′ 。第四节 粘度例1：试绘制平板间液体的流速分布图 与切应力分布图。设平板间的液 体流动为层流，且流速按直线分布。解：设液层分界面上的流速为u，则： 想一想：1大还是2大？如果是理想流体， 和如何？第四节 粘度切应力分布例1：试绘制平板间液体的流速分布图 与切应力分布图。设平板间的液 体流动为层流，且流速按直线分布。例2：一底面积为40 ×45cm2，高为1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，如图所示，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。 例2：一底面积为40 ×45cm2，高为1cm的木块，质量为5kg，沿着涂有润滑油的斜面向下作等速运动，如图所示，已知木块运动速度u=1m/s，油层厚度=1mm，由木块所带动的油层的运动速度呈直线分布，求油的粘滞系数。 解：∵等速 ∴as=0 由牛顿定律： ∑Fs=mas=0 mgsin－τ·A=0 （呈直线分布）∵ =tg-1(5/12)=22.62uGmgsinsτ125第四节 粘度例3: 直径10cm的圆盘，由轴带动在一平台上旋转，圆盘与平台间充有厚度δ=1.5mm的油膜相隔，当圆盘以n=50r/min旋转时，测得扭矩M=2.94×10-4 N·m。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的粘度。 例3: 直径10cm的圆盘，由轴带动在一平台上旋转，圆盘与平台间充有厚度δ=1.5mm的油膜相隔，当圆盘以n=50r/min旋转时，测得扭矩M=2.94×10-4 N·m。设油膜内速度沿垂直方向为线性分布，试确定油的粘度。 解 ： dr 微元上摩阻力为：而圆盘微元所受粘性摩擦阻力矩为： dM=dTr=π2r3ndr/15δ则克服总摩擦力矩为：δτ0τ0二、牛顿流体、非牛顿流体 牛顿流体（Newtonian Fluids）：是指任一点上的剪应力都同剪切变 形速率呈线性函数关系的流体，即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛 顿流体。 非牛顿流体：不符合上述条件的均称为非牛顿流体。二、牛顿流体、非牛顿流体第四节 粘度判断：切应力与剪切变形速率成线性关系的流体是牛顿流体，对吗？  null流 体 分 类第四节 粘度三、液流能量损失 流体流动过程中内摩擦力作功而不断消耗液流的机械能转化为热能而散 逸， 这种液流的机械能消耗称为液流能量损失。三、液流能量损失第四节 粘度例：从100m的高度向地面倾倒质量为M(kg)的水，若能量转 换成热能，过程中热能无损失，全部由水体吸收，问水 体将升温多少度（已知水的比热是C=1卡/克·度）？例：从100m的高度向地面倾倒质量为M(kg)的水，若能量转 换成热能，过程中热能无损失，全部由水体吸收，问水 体将升温多少度（已知水的比热是C=1卡/克·度）？解：能量转化过程是：势能动能热能 E势能= Mgh=M×9.8 ×100=980M（焦） 热功当量为： 1卡=4.184焦 转化成热量为：Q=2.342 ×102M卡 设水温上升t度，则 t=Q/ C ·M= 2.342 ×102M/ 1×103M=0.2342度第四节 粘度第五节 表面张力第五节 表面张力内聚力（Cohesive Force）：是分子间的相互吸引力。附着力（Adhesion）：是指两种不同物质接触部分的相互吸引力。 表面张力（Surface Tension）：液体表面由于分子引力不均衡而产 生的沿表面作用于任一界线上的张力。一、内聚力、附着力、表面张力表面张力系数：是指自由液面上单位长度所受到的表面张力。单位 为N/m。第五节 表面张力null毛细现象（Capillarity Phenomena）：是指含有细微缝隙的物体与液 体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入、在不浸润情况下液 体沿缝隙下降的现象。二、毛细现象第五节 表面张力null三、毛细作用的计算对于水有： =0°， =0.074N/m对于水银有： =140°， =0.514N/m毛细高度：第五节 表面张力第六节 汽化压强第六节 汽化压强 汽化的逆过程称为凝结（Condensation）。 汽化（Evaporation）：是指液体分子逸出液面向空间扩散的过程，即液 态变为气态的现象。 汽化压强（Evaporation Pressure）：是指在液体中，汽化和凝结同时 存在，当这两个过程达到动态平衡时，即气体分子返回到液体表面的速率 与液面上的液体分子散逸到空间的速率相等时，宏观的汽化现象停止，此 时的液体压强称为汽化压强（或饱和蒸汽压）。一、汽化、凝结二、饱和蒸汽压（汽化压强）第六节 汽化压强判断：水温一定时，逐步升高水中的压强直至水开始汽化，则该压强称为该水温下的汽化压强。  null 空化（Cavitation）：是指液体内局部压力降低到低于汽化压强时，该处液体就会沸腾，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体（空泡）的形成、发展和溃灭的过程。三、空化四、空蚀空蚀：空化时气泡进入高压处，在高压作用下迅速破灭，伴随气泡溃灭，将对壁面产生极大的冲击力，有可能使壁面被剥蚀破坏的现象。 空化发生在水流的低压区，是产生空蚀的前提，空蚀则是随后在压强稍高的区域内气泡溃灭、破坏外界的结果。第六节 汽化压强null1、理想流体有无能量损失？为什么？2、流体的切应力与 有关，而固体的切应力与 有关。3、流体的粘度与哪些因素有关？它们随温度如何变化？无。因为理想流体=0 ，没有切应力。剪切变形速率；剪切变形大小流体的种类、温度、压强。 液体粘度随温度升高而减小，气体粘度随温度升高而增大。4、牛顿流体的与du/dy成正比，那么与du/dy成正比的流体一定是 牛顿流体吗 ？ 不一定，因为宾汉塑性流体的与du/dy成正比，但曲线不通过原点。null5、为什么荷叶上的露珠总是呈球形？6、一块毛巾，一头搭在脸盆内的水中， 一头在脸盆外，过 了一段时间后，脸盆外的台子上湿了一大块，为什么？7、为什么测压管的管径通常不能小于1厘米？8、若测压管的读数为h1，毛细高度为h2， 则该点的测压管实 际高度为多少？（测压管的工作流体分别为水和水银）表面张力的作用。毛细现象。 如管的内经过小，就会引起毛细现象，毛细管内液面上升或下降的高度较大，从而引起过大的误差。h1-h2 ——水 h1+h2 ——水银null9 、在高原上煮鸡蛋为什么须给锅加盖？10、试简述水轮机叶片空蚀的原因？11、流体能否达到完全真空状态？若不能，则最大真空度 为多少？ 高原上，压强低，水不到100℃就会沸腾，鸡蛋煮不熟，所以须加盖。 低压处产生气泡，气泡随水流到高压处破灭，产生冲击力，剥蚀叶片，形成空蚀。不能，最大真空度等于大气压强与汽化压强的差值。本章小结本章小结1、工程流体力学的任务是研究流体的宏观机械运动，提出了流体的易流动性概念，即流体在静止时，不能抵抗剪切变形，在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。同时又引入了连续介质模型假设，把流体看成没有空隙的连续介质，则流体中的一切物理量（如速度u和密度）都可看作时空的连续函数，可采用函数理论作为分析工具。2、流体的压缩性，一般可用体积压缩系数和体积弹性模量Ev来描述，通常 情况下，压强变化不大时，都可视为不可压缩流体。3、粘滞性是流体的主要物理性质，它是抵抗剪切变形的一种性质，不同的流 体粘滞性大小用动力粘滞系数或运动粘滞系数来反映。其中温度是粘度null4、牛顿内摩擦 定律5、由于表面张力作用会引起毛细现象，所以用作测压管的管径不小于10mm。6、汽化压强是指液相和气相达到动态平衡时的压强。当液体所受外界压强 和汽化压强相等或稍低时，液体就沸腾。在常见的液体中汞的汽化压强 很小，连同它重度较大的性质，常在压差计中使用。End的影响因素：随温度升高，气体粘度上升、液体粘度下降。 它表明流体的切应力大小与速度梯度或角变形率或剪切变形速率成正比，这是流体区别于固体（其切应力与剪切变形大小成正比）的一个重要特性。根据是否遵循牛顿内摩擦 定律，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。null （本章完） 按任意键或点击鼠标退出课件，返回书目请点击“返回书目”按钮。 工程流体力学电子第一版由毛根海教授主持，浙江大学水利实验室开发研制而成。 开发组人员： 项目主持：毛根海 教授 脚本编写：毛根海、邵卫云、张燕 课件开发：胡卫红、邵卫云、张燕 素材准备：毛根海、邵卫云、张燕、洪源、章军军、 陈少庆等