流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)(1)(已修改)
2025-05-27 04:33 本頁面
【正文】 1流體力學(xué)基本知識(shí) 物質(zhì)在自然界中通常按其存在狀態(tài)的不同分為固體 (固相 )、液體 (液相 )和氣體 (氣相 )。 液體和氣體因具有較大的流動(dòng)性，被統(tǒng)稱為流體，它們具有和固體截然不同的力學(xué)性質(zhì)。研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)稱為流體力學(xué)，它是力學(xué)的一個(gè)分支。 1． 1 流體的主要力學(xué)性質(zhì) 流體中由于各質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)聚力極小，不能承受拉力，靜止流體也不能承受剪切力。正因?yàn)槿绱?，所以流體具有較大的流動(dòng)性，且不能形成固定的形狀。但流體在密閉狀態(tài)下卻能承受較大的壓力。充分認(rèn)識(shí)以上所說流體的基本特征，深刻研究流體處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)規(guī)律，才能很好地把水、空氣或其它流體按人們的意愿進(jìn)行輸送和利用，為人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)服務(wù)。 下面介紹一下流體主要的力學(xué)性質(zhì)。 1． 1． 1 流體的慣性 流體和其它固體物質(zhì)一樣都具有慣性，即物體維持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。物質(zhì)慣性的大小是用質(zhì)量來度量的，質(zhì)量大的物體，其慣性也大。對于均質(zhì)流體，單位體積的質(zhì)量，稱為流體的密度，即： ρ=m/V (11) 式中 ρ一流體的密度， kg／ m3； m一流體的質(zhì)量， kg； V一流體的體積， m3。 對于均質(zhì)流體，單位體積的流體所受的重力稱為流體的重力密度，簡稱重度，即： γ=G/V (12) 式中 γ一流體的重度， N／ m3； G一一流體所受的重力， N； V一流體的體積， m3。 由牛頓第二定律得： G=m g。因此， γ=G/V=mg/V=ρg (13) 式中 g一一重力加速度， g=9． 807 m／ s2。 流體的密度和重度隨其溫度和所受壓力的變化而變化。也就是說同一流體的密度和重度不是一個(gè)固定值。但在實(shí)際工程中，液體的密度和重度隨溫度和壓力的變化而變化的數(shù)值不大，可視為一固定值；而氣體的密度和重度隨溫度和壓力的變化而變化的數(shù)值較大，設(shè)計(jì)計(jì)算中通常不能視為一固定值。常用流體的密度和重度如下： 水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為 4176。 C時(shí)密度和重度分別為： ρ=1000kg／ m3， γ=／ m3 水銀在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為 0℃ 時(shí)其密度和重度是水的 。 干空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為 20176。 C時(shí)密度和重度分別為： ρ=／ m3， γ=／ m3 1． 1． 2流體的粘滯性 流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)摩擦力的作用，使流體具有抵抗相對變形 (運(yùn)動(dòng) )的性質(zhì)，稱為流體的粘滯性。流體的粘滯性可通過流體在管道中流動(dòng)情況來加以說明。 用流速儀可測得流體管道中某一斷面的流速分布，如圖 1． 1所示。流體沿管道直徑方向分成很多流層，各層的流速不同，管軸心的流速最大，向著管壁的方向逐漸減小，直至管壁處的流速最小，幾乎為零，流速按某種曲線規(guī)律連續(xù)變化。流速之所以有此分布規(guī)律，正是由于相鄰兩流層的接觸面上產(chǎn)生了阻礙流層相對運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力，或稱粘滯力，這是流體的粘滯性顯示出來的結(jié)果。 圖 ll 管道中斷面流速分布 流體在運(yùn)動(dòng)過程中，必須克服內(nèi)摩擦阻力，因而要不斷消耗運(yùn)動(dòng)流體所具有的能量，所以流體的粘滯性對流體的運(yùn)動(dòng)有很大的影響。在水力計(jì)算中，必須考慮粘滯力的重要影響。對于靜止流體，由于各流層間沒有相對運(yùn)動(dòng)，粘滯性不顯示。 流體粘滯性的大小，通常用動(dòng)力粘滯性系數(shù) μ和運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù) v來反映，它們是與流體種類有關(guān)的系數(shù)，粘滯性大的流體， μ和 ?的值也大，它們之間存在一定的比例關(guān)系。同時(shí)，流體的粘滯性還與流體的溫度和所受壓力有關(guān)，受溫度影響大，受壓力影響小。實(shí)驗(yàn)證明，水的粘滯性隨溫度的增高而減小，而空氣的粘滯性卻隨溫度的增高而增大 (參見表 1． 表 1． 2)。 內(nèi)摩擦力的大小可用下式表示 : T=μAdu/dy (1． 4) 式中 T一一流體的內(nèi)摩擦力； μ—— 流體的動(dòng)力粘性系數(shù)； A—— 層與層的接觸面積； du/dy—— 流體的速度梯度。 流體的動(dòng)力粘性系數(shù)與運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)有如下關(guān)系： μ=?ρ (1． 5) μ—— 流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)； ρ—— 流體的密度。 1． 1． 3流體的壓縮性和熱脹性 流體的壓強(qiáng)增大，體積縮小，密度增大的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。流體溫度升高，體積增大 ,密度減小的性質(zhì)，稱為流體的熱脹性。 液體的壓縮性和熱脹性都很小。例如，水從 1個(gè)大氣壓增加到 100個(gè)大氣壓時(shí)，每增加 1個(gè)大氣壓，水的體積只縮小 ／ 10000；在 10～ 20℃ 的范圍內(nèi)，溫度每增加 1℃ ，水的體積只增加 ／ 10000；在 90～ 100℃ 的范
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