西安科技大学

硕士研究生课程

高等流体力学


金洪伟 & 徐刚
西安科技大学安全科学与工程学院

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第1章 流体的物理性质

目 录

  1. 流体的连续介质模型
  2. 作用在流体上的体积力和表面力
  3. 流体的易流性和压缩性
  4. 流体的界面现象和性质

流体力学研究液体和气体的宏观运动以及他们与周围物体的相互作用,如力的作用和传热等。研究流体的宏观运动必须首先了解流体的宏观性质。

第1节 流体的连续介质模型

流体力学在远远大于分子运动尺度的范围里考察流体运动,而不考虑个别流体分子的行为,因此可以把流体视为连续介质。连续介质力学模型要求流体运动尺寸 L 远远大于流体分子运动平均自由程 l,即

$$\frac{L}{l}\gg 1$$

连续介质流体具有如下性质:

  • 可无限分割为宏观微元体;
  • 微元体内流体状态服从热力学关系;(是热力学平衡体)
  • 状态参数连续分布,并无限可微。

第1节 流体的连续介质模型

把流体无限分割为具有均布质量的微元,它是研究流体运动的最小单元,称之为流体微团流体微团是宏观上无限小,微观上无限大的一个质量体。若流体微团的体积为 $\mathrm{\delta} V$,则有

$$\frac{\mathrm{\delta}V}{L^3}\ll 1,\frac{\mathrm{\delta}V}{l^3}\gg 1$$

当不需要考虑微团的体积和变形,只研究它的位移和各物理状态时,可以把它视作没有体积的质点,这时称流体微团为流体质点

第2节 作用在流体上的体积力和表面力

流体微团所受的力分为两种:

体积力
作用在微团内均布质量的质心上,通常与微团的体积成正比的力。
表面力
周围流体或固体作用在流体微团表面上的力,通常和力的作用面大小成正比。

第2节 作用在流体上的体积力和表面力

1. 体积力和体积力强度

地球引力(重力)是体积力。流体微团受到的引力为

$$\mathrm{\delta}\boldsymbol{G}=\boldsymbol{g}\mathrm{\delta}m=\rho \boldsymbol{g}\mathrm{\delta}V$$

式中,$\mathrm{\delta}\boldsymbol{G}$ 是流体微团所受的引力,$\boldsymbol{g}$ 是重力加速度,$\rho$ 是密度,$\mathrm{\delta}V$ 是体积,$\mathrm{\delta}m$ 是质量。

1. 体积力和体积力强度

作用于单位体积微团上的体积力称为体积力强度,其数学表达式为

$$\boldsymbol{f}_V=\underset{\mathrm{\delta}V\rightarrow 0}{\lim}\frac{\mathrm{\delta}\boldsymbol{F}}{\mathrm{\delta}V}$$

地球引力的体积力强度为 $\rho \boldsymbol{g}$。体积力的合力为

$$\boldsymbol{F}=\int_V{\boldsymbol{f}_V\mathrm{d}V}$$

体积力的合力矩为

$$\boldsymbol{L}=\int_V{\boldsymbol{r}\times \boldsymbol{f}_V\mathrm{d}V}$$

2. 表面力和应力

表面力

表面力不同于体积力,它分布于流体微团的表面,是一种接触力。

微元面积 $\delta A$ 上单位面积的表面力称为表面力的局部强度,又称为应力,定义如下

$$\boldsymbol{\sigma }^{\left( \boldsymbol{n} \right)}=\underset{\delta A\rightarrow 0}{\lim}\frac{\delta \boldsymbol{F}}{\delta A}$$

式中,$\delta \boldsymbol{F}$ 是面积 $\delta A$ 上的作用力,$\boldsymbol{\sigma }^{\left( \boldsymbol{n} \right)}$ 表示应力向量,上标 $\boldsymbol{n}$ 表示面力作用面 $\delta A$ 的方向。

2. 表面力和应力

应力张量

经过空间中一点有无限多个面,每个面上通常都对应不同的应力向量 $\boldsymbol{\sigma }^{\left( \boldsymbol{n} \right)}$。这些应力向量是各个面的单位法向量 $\boldsymbol{n}$ 的线性函数,即

$$\boldsymbol{T}^{\left( \boldsymbol{n} \right)}=\boldsymbol{n}\cdot \boldsymbol{\sigma }$$

式中,$\boldsymbol{\sigma }$ 称为柯西应力张量真实应力张量,是连续介质力学里用现时构形描述的二阶应力张量。该应力张量是一个方阵:

$$ \boldsymbol{\sigma }=\left[ \begin{matrix} \sigma _{11}& \sigma _{12}& \sigma _{13}\\ \sigma _{21}& \sigma _{22}& \sigma _{23}\\ \sigma _{31}& \sigma _{32}& \sigma _{33}\\ \end{matrix} \right] \equiv \left[ \begin{matrix} \sigma _{xx}& \sigma _{xy}& \sigma _{xz}\\ \sigma _{yx}& \sigma _{yy}& \sigma _{yz}\\ \sigma _{zx}& \sigma _{zy}& \sigma _{zz}\\ \end{matrix} \right] \equiv \left[ \begin{matrix} \sigma _x& \tau _{xy}& \tau _{xz}\\ \tau _{yx}& \sigma _y& \tau _{yz}\\ \tau _{zx}& \tau _{zy}& \sigma _z\\ \end{matrix} \right] $$

2. 表面力和应力

应力张量

一点的应力张量是一个实对称二阶张量。根据剪应力互等定理,总有

$$ \tau _{xy}=\tau _{yx} \\ \tau _{xz}=\tau _{zx} \\ \tau _{yz}=\tau _{zy} $$

因此,一点的应力张量有 9 个分量,但只有 6 个独立分量。

对于无粘性的理想流体,所有剪应力为零,从而可得出其在任何方向的正应力都相等,应力张量退化为一个标量,即流体的压强

第3节 流体的易流性和压缩性

1. 流体的易流性

流体流动时,微团之间具有抵抗相互滑移运动的属性称为流体的粘性

常见流体的粘性具有以下性质:在厚度为 $δy$ 的薄层流体运动中,如果上下速度差等于 $δu$ 时,则作用在流体薄层面上的剪应力与 $δu$ 成正比,与 $δy$ 成反比,即

$$\tau _{xy}\propto \frac{\delta u}{\delta y}$$

具有以上性质的流体称为牛顿流体

1. 流体的易流性

将上页公式改写为

$$\tau _{xy}=\mu \frac{\delta u}{\delta y}$$

式中,$\mu$ 称作动力粘度系数,其单位是,且有

1 泊 = 1 kg‧m-1‧s-1 = Pa‧s

有时还用动力粘性系数除以密度,得运动粘性系数

$$\nu =\frac{\mu}{\rho}$$

$\nu$ 的单位是 m2‧s-1

1. 流体的易流性

具有不同黏度的物质的模拟

右面的物质具有比左面的物质较高的黏度。

2. 流体的压缩性

由于压强变化而引起流体密度的变化成为压缩性。气体和液体的压缩性具有明显的区别:气体具有明显的可压缩性;液体的可压缩性非常小,经常被认为是不可压缩的。

对于常见的气体,其不同状态下的宏观物理行为可大致用理想气体的状态方程描述:

$$p=\rho \frac{R}{M}T$$

式中,$p$ 为气体的压强,$\rho$ 为密度,$R$ 为理想气体常数,$M$ 为气体的莫尔质量,$T$ 为气体的绝度温度。该方程和实际的气体状态常有偏差,可以使用范德华方程得出对实际气体状态更准确的描述。

2. 流体的压缩性

流体的压缩性也可用体积模量 $K$ 来表示,该量又称不可压缩量。它是产生单位相对体积收缩所需的压强,即

$$K=-V\frac{\text{d}p}{\text{d}V}=\rho \frac{\text{d}p}{\text{d}\rho}$$

体积模量的单位是 Pa。例如,水的体积模量为 2.2×109Pa;空气的绝热体积模量为 1.42×105Pa,等温体积模量为 1.01×105Pa。

第4节 流体的界面现象和性质

流体和固体,或是流体和另一互不掺混流体交界面处的力学和热力学现象称为界面现象

1. 流–固界面上流体温度和速度的连续性

界面上任意微元两侧的流体处于热力学平衡状态(流体分子运动处于统计平衡态),如果不考虑界面上的表面张力,其两侧的流体速度和温度相等,应力向量的分量相等。

$$ \boldsymbol{V}_n=\boldsymbol{V}_{-n} \\ \boldsymbol{T}_n=-\boldsymbol{T}_{-n} $$

2. 互不掺混流体界面上的表面张力和界面上的应力平衡条件

表面张力使得水黾能在水面行走

自然界许多流动现象中有气–液或液–液共存状态。如液滴在气流中运动,气泡在液流中运动,油滴在水流中运动。这时必须考虑气–液或液–液界面上的力平衡条件。

在没有外力场作用下,空气中平衡的液滴总是呈圆球形,这表明在热力学平衡时液体表面像张紧的薄膜包括着液滴。

如果用类似应力分析的方法,把界面分割成两部分,则在分割线上必有某种张力使界面处于平衡状态,称这种张力为表面张力,单位长度的表面张力称为表面张力系数,用 γ 表示。

表面张力系数和界面两侧的介质有关,例如水银和空气界面上的表面张力系数大于水和空气界面上的表面张力系数。通常表面张力系数还随温度升高而减小。

3. 流体界面在固壁上的接触角

流体界面在固壁上的接触角

当流场中有三种互不侵入的介质共存时,液体/气体交线称为接触线,接触线接触固体表面而形成的夹角称为接触角

在界面的交线或接触线上三个表面张力满足杨氏方程:

$$\gamma_\mathrm{SG} - \gamma_\mathrm{SL} - \gamma_\mathrm{LG} \cos \theta_\mathrm{C}=0$$

3. 流体界面在固壁上的接触角

毛细现象

接触角的大小取决于固壁材料与流体的性质。如水和玻璃的接触角 θ < 90°,水银和玻璃的接触角 θ > 90°,约为 150°。接触角越小,该液体在固壁上越容易浸润。

由于气、液、固三种界面之间的液体浸润作用,在垂直细管中可见到液体高于或低于周围连通的液面,这种现象称为毛细现象

参考文献

  1. 张兆顺, 崔桂香. 流体力学(第3版)[M]. 北京: 清华大学出版社, 2015.
  2. 王洪伟. 我所理解的流体力学(第2版)[M]. 北京: 国防工业出版社, 2019.
  3. Wikipedia: Fluid mechanics
  4. Wikiversity: Fluid Mechanics for Mechanical Engineers
  5. Wikiversity: Fluid mechanics for MAP

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