第一章流体及其主要物理性质
研究内容：1、流体在外力作用下，静止与运动的规律
2、流体与边界的相互作用
工程中的三大问题：A、流体荷载（设计管道壁厚）
B、流体的输送能力（确定流量）
C、流动的形态（确定能量损耗）
§1.1 流体的概念
一、流体的定义
自然界物质存在的主要形态：固态、液态和气态
流体包括液体和气体
具有流动性的物体（即能够流动的物体）
流动性：在微小剪切力作用下会发生连续变形的特性。

流体与固体的区别
固体：可以抵抗压力、拉力、剪切力，固体的变形与受力的大小成正比；
流体：无固定形状，能抵抗压力，不能抵抗拉力，静止流体不能抵抗剪切力；
任何一个微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。

液体与气体的区别
液体的流动性小于气体，很难压缩；液体具有一定的体积，并取容器的形状；
气体充满任何容器，而无一定体积；气体可以压缩。

二、流体连续介质模型
●实际流体：由大量不断地作无规则运动的分子组成
●流体的物理量：空间上分布不连续：分子间存在着间隙
时间分布不连续：分子不间断热运动
因此，以分子为对象研究流体运动规律极其复杂。

●在实际工程中，所研究的流体的空间尺度远比分子尺寸大得多，而且要解决的问题
也不是流体微观运动特性，而是流体宏观运动特性，即大量分子运动的统计平均特
性。

●欧拉提出了连续介质假说：流体所占有的空间连续而无空隙地充满着流体质点
●采用流体连续介质假设的优点
1.避免了流体分子运动的复杂性，只需研究流体的宏观运动。

2. 可以利用数学工具来研究流体的平衡与运动规律。

U
§1.2 流体的主要物理性质
一、流体的密度
惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质
表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为kg
单位体积的质量是密度，密度的单位为g/cm3或kg/m3
● 均匀流体： 单位：kg/m3
ρ f ——流体的密度
相对密度：流体的密度与4oC 时水的密度的比值。

ρ w ——40C 时水的密度 比容：
单位质量的流体所占有的体积，流体密度的倒数。

单位： m3/kg
● 混合气体的密度:
式中：ρ 1 ， ρ 2 ，… ρn ——各组分气体的密度 a 1 ， a 2 ，… a n ——各组分气体所占的体积百分数
二、重度
三、流体的压缩性 1、压缩系数：单位压力增加所引起的体积相对变化量
2.体积模量：
四、流体的膨胀性
流体体积随着温度的增大而增大的性质。

体胀系数：单位温度增加所引起的体积相对变化量
五、流体的粘性 1、 粘性的定义：
流体内部各流体微团之间发生相对运动时,流体内部会产生摩擦力阻力(即粘性力)的性质。

2、牛顿内摩擦定律
（1）牛顿平板实验：
当h 和U 不是很大时，两平板间沿y 方向的流速呈线性分布。

1 运动较慢的流体层在较快的流体层带动 下才运动；
2 快层受到慢层的阻碍，不能运动得更快；
3 相邻流体层发生相对运动，产生切力和 阻力，构成了内摩擦力。

dV dM =ρV
M
=ρw f d ρρ
=ρ
1
=v ∑
==+++=n i i i n n a a a a 12211.......ρρρρρg V
mg V ργ==G ＝)
/(/2N m dp V
dV p -=β)
/(1E 2m N dV Vdp
p -==β)
/1(/K dt V dV t =βy
h U y h U u d du ==或
(2) 牛顿内摩擦定律
3、粘度
流体粘性大小的度量,由流体流动的内聚力和分子的动量交换引起。

(1) 动力粘度： (2) 运动粘度：
(3) 粘度的影响因素
温度对流体粘度的影响很大
液体：分子内聚力是产生粘度的主要因素。

温度↑→分子间距↑→分子吸引力↓→内摩擦力↓→粘度↓ 气体：分子热运动引起的动量交换是产生粘度的主要因素。

温度↑→分子热运动↑→动量交换↑→内摩擦力↑→粘度↑ 当温度升高时，液体的粘度减小，气体的粘度增大 压力对流体粘度的影响不大，一般忽略不计 4、粘性流体和理想流体
1）实际流体：具有粘性的流体（μ≠0）。

2）理想流体： 忽略粘性的流体（μ=0）。

一种理想的流体模型。

5、牛顿流体和非牛顿流体
1）牛顿流体：
符合牛顿内摩擦定律的流体
如水、空气、汽油和水银等
2）非牛顿流体：
不符合牛顿内摩擦定律的流体
如泥浆、血浆、新拌水泥砂浆、新拌混凝土等。

六、表面张力
1、表面张力现象：水滴悬在水龙头出口而不滴落；
细管中的液体自动上升或下降一个高度（毛细管现象）； 铁针浮在液面上而不下沉。

dy
du dt d d dy
dudt tg ===ϕϕϕ))/((s m kg ⋅μ)/(2s m ρμν=
o h
d y
y
u+du u y
U dy du μ
τ±=du
dy o τ0τ
膨胀性流体宾汉型塑性流体牛顿流体假塑性流体
2、表面张力σ（N/m)
液体表面由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力, 单位长度上的这种拉力称为表面张力。

3、毛细现象
内聚力：液体分子间相互制约，形成一体的吸引力称为内聚力。

附着力：当液体同固体壁面接触时，液体分子和固体分子之间的吸引力称为附着力
毛细管中液体的上升或下降
七、 作用在流体上的力
两类作用在流体上的力：表面力和质量力
1、质量力：作用在每个流体微团上的力，其大小与流体质量成正比。

例如：重力、惯性力、磁力
2、表面力：作用在流体表面，与表面积成比的力
1）应力
单位面积上的表面力。

2）法向应力和切向应力
gd h g h d d ρ
θ
σρ
πθσπ)cos(441)cos(2
==k
j i f Z Y X ++=A F p A n δ
δδ 0lim →=△F △F △A
△F p
T
dA F d A F p n n A
==→δ
δδ0lim dA
F
d A F A ττδδδτ =
=→0lim。