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流体简介
  • 发布日期:2020-04-07      浏览次数:295
    • 流体,是与固体相对应的一种物体形态,是液体和气体的总称。由大量的、不断地作热运动而且无固定平衡位置的分子构成的,它的基本特征是没有一定的形状并且具有流动性。流体与其他物质一样具有质量和密度,且有一定的可压缩性,液体可压缩性很小,而气体的可压缩性较大,在流体的形状改变时,流体各层之间也存在一定的运动阻力(即粘滞性)。当流体的粘滞性和可压缩性很小时,可近似看作是理想流体,它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型,是液压传动和气压传动的介质。

      一、特征

      固体和流体具有以下不同的特征:在静止状态下固体的作用面上能够同时承受剪切应力和法向应力。而流体只有在运动状态下才能够同时有法向应力和切向应力的作用,静止状态下其作用面上仅能够承受法向应力,这一应力是压缩应力即静压强。固体在力的作用下发生变形,在弹性极限内变形和作用力之间服从胡克定律,即固体的变形量和作用力的大小成正比。而流体则是角变形速度和剪切应力有关,层流和紊流状态它们之间的关系有所不同,在层流状态下,二者之间服从牛顿内摩擦定律。

      当作用力停止作用,固体可以恢复原来的形状,流体只能够停止变形,而不能返回原来的位置。固体有一定的形状,流体由于其变形所需的剪切力非常小,所以很容易使自身的形状适应容器的形状,在一定的条件下并可以维持下来。

      二、性质

      (1)质量和密度

      流体和其他物质一样,具有质量和重量。单位体积的流体所具有的质量称为流体的密度,用ρ来表示。在流体中任意点处的密度均相同,则该流体为均匀流体,均匀流体的密度表示为,ρ=m/v 。对于非均匀流体,因为各点处的密度不同,所以按下式计算的只是流体的平某一点处的密度应为:

      dm——所取某微元件的的质量(kg)

      dV——质量为dm的微元件的体积(m3

      流体的比容指的是单位质量的流体所占有的体积,用v表示。显然,它与密度互为倒数。

      (2)压缩性和膨胀性

      当作用在流体上的压力增加时,流体所占有的体积将减小,这种特性称为流体的压缩性。通常用体积压缩系数Bp来表示。Bp指的是在温度不变时,压力每增加一个单位,单位体积流体的体积变化量。当温度变化时,流体的体积也随之变化,温度升高、体积膨胀,这种特性称为流体的膨胀性,用温度膨胀系数Bt来表示。Bt是指当压力保持不变温度升高1K时单位体积流体的体积增加量。

      一般的,水及其他液体的压缩系数和膨胀系数都很小。所以,工程上一般不考虑它们的压缩性或膨胀性。但当压力、温度的变化比较大时(如在高压锅炉中),就必须考虑液体的压缩性和膨胀性。对于气体,它不同于液体,压力和温度的改变对气体密度或重度的变化影响很大。在热力学中是用气体状态方程式来描述它们之间的关系。

      pv=RT

      式中,p——压力(N/m3),

      v——比容(m3/kg),

      T——温度(K),

      R——气体常数(Nm/kgK)

      需要指出:在一般情况下,流体的压缩系数和膨胀系数都很小。对于能够忽略其压缩性的流体称为不可压缩流体。不可压缩流体的密度和重度均可看作常数。反之,对于压缩系数和膨胀系数比较大,不能被忽略,或密度和重度不能看成常数的流体称为可压缩流体。但是,可压缩流体与不可压缩流体的划分并不是的。例如,通常把气体看成可压缩流体。但是,当气体的压力和温度在整个流动过程中变化很小时(如通风系统),它的重度和密度的变化也很小,可近似地看为常数。再如,当气体对于固体的相对速度比在这种气体中当时温度下的音速小得多时,气体密度的变化也可以被忽略,对于能把气体的密度看成常数的情况,可按不可压缩流体来处理。

      (3)粘滞性

      当流体中发生了层与层之间的相对运动时,速度快的层对速度慢的层产生了一个拖动力使它加速,而速度慢的流体层对速度快的就有一个阻止它向前运动的阻力,拖动力和阻力是大小相等方向相反的一对力,分别作用在两个紧挨着但速度不同的流体层上,这就是流体粘性的表现,称为内摩擦力或叫粘滞力。为了维持流体的运动就必须消耗能量来克服由于内摩擦力产生的能量损失,这就是流体运动时会造成能量损失的原因。实际上,粘性是流体阻止发生剪切变形和角变形的一种特性。这是由于内聚力的存在和流体层间的动量交换而造成的。内摩擦力就是这种特性的表现形式。当流体处于静止或各部分之间相对速度为零时,流体的粘性就表现不出来,内摩擦阻力也就等于零。

      在工程计算中亦常常采用流体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度或运动粘滞系数,以v表示,其单位为斯托克。温度对流体的粘滞系数影响很大。温度升高时液体的粘滞系数降低,流动性增加。气体则相反,温度升高时,它的粘滞系数增大。这是因为液体的粘性主要是由分子间的内聚力造成的。温度升高时,分子间的内聚力减小,粘度就要降低。造成气体粘性的主要原因则是气体内部分子的乱运动,它使得速度不同的相邻气体层之间发生质量和动量的交换。当温度升高时,气体分子乱运动的速度加大,速度不同的相邻气体层之间的质量和动量交换随之加剧。所以,气体的粘性将增大。

      (4)流动形式

      流体流动存在两种运动状态:层流和湍流。倘流速很慢,流体会分层流动,互不混合,此乃层流。倘流速增加,越来越快,流体开始出波动性摆动,此情况称之为过渡流。当流速继续增加,达到流线不能清楚分辨,会出现很多漩涡,这便是湍流,又称作乱流、扰流或紊流。

      三、理想流体和实际流体

      根据流体粘性的差别,可将流体分为两大类,即理想流体和实际流体。

      自然界中存在的流体都具有粘性,统称为粘性流体或实际流体。对于完全没有粘性的流体称为理想流体。这种流体仅是一种假想,实际并不存在。但是,引进理想流体的概念是有实际意义的。因为,粘性的问题十分复杂,影响因素很多,这对研究实际流体的带来很大的困难。因此,常常先把问题简化为不考虑粘性因素的理想流体,找出规律后再考虑粘性的影响进行修正。这种修正,常常由于理论分析不能完全解决而借助于试验研究的手段。另外,在很多实际问题中粘滞性并不起主要作用。因此,把实际流体在一定条件下,可当作理想流体处理,这样既抓住了主要矛盾又使问题大大地简化。

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