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          流體簡介
        2. 發布日期:2020-04-07      瀏覽次數:824
          • 流體,是與固體相對應的一種物體形態,是液體和氣體的總稱。由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構成的,它的基本特征是沒有一定的形狀并且具有流動性。流體與其他物質一樣具有質量和密度,且有一定的可壓縮性,液體可壓縮性很小,而氣體的可壓縮性較大,在流體的形狀改變時,流體各層之間也存在一定的運動阻力(即粘滯性)。當流體的粘滯性和可壓縮性很小時,可近似看作是理想流體,它是人們為研究流體的運動和狀態而引入的一個理想模型,是液壓傳動和氣壓傳動的介質。

            一、特征

            固體和流體具有以下不同的特征:在靜止狀態下固體的作用面上能夠同時承受剪切應力和法向應力。而流體只有在運動狀態下才能夠同時有法向應力和切向應力的作用,靜止狀態下其作用面上僅能夠承受法向應力,這一應力是壓縮應力即靜壓強。固體在力的作用下發生變形,在彈性極限內變形和作用力之間服從胡克定律,即固體的變形量和作用力的大小成正比。而流體則是角變形速度和剪切應力有關,層流和紊流狀態它們之間的關系有所不同,在層流狀態下,二者之間服從牛頓內摩擦定律。

            當作用力停止作用,固體可以恢復原來的形狀,流體只能夠停止變形,而不能返回原來的位置。固體有一定的形狀,流體由于其變形所需的剪切力非常小,所以很容易使自身的形狀適應容器的形狀,在一定的條件下并可以維持下來。

            二、性質

            (1)質量和密度

            流體和其他物質一樣,具有質量和重量。單位體積的流體所具有的質量稱為流體的密度,用ρ來表示。在流體中任意點處的密度均相同,則該流體為均勻流體,均勻流體的密度表示為,ρ=m/v 。對于非均勻流體,因為各點處的密度不同,所以按下式計算的只是流體的平某一點處的密度應為:

            dm——所取某微元件的的質量(kg)

            dV——質量為dm的微元件的體積(m3

            流體的比容指的是單位質量的流體所占有的體積,用v表示。顯然,它與密度互為倒數。

            (2)壓縮性和膨脹性

            當作用在流體上的壓力增加時,流體所占有的體積將減小,這種特性稱為流體的壓縮性。通常用體積壓縮系數Bp來表示。Bp指的是在溫度不變時,壓力每增加一個單位,單位體積流體的體積變化量。當溫度變化時,流體的體積也隨之變化,溫度升高、體積膨脹,這種特性稱為流體的膨脹性,用溫度膨脹系數Bt來表示。Bt是指當壓力保持不變溫度升高1K時單位體積流體的體積增加量。

            一般的,水及其他液體的壓縮系數和膨脹系數都很小。所以,工程上一般不考慮它們的壓縮性或膨脹性。但當壓力、溫度的變化比較大時(如在高壓鍋爐中),就必須考慮液體的壓縮性和膨脹性。對于氣體,它不同于液體,壓力和溫度的改變對氣體密度或重度的變化影響很大。在熱力學中是用氣體狀態方程式來描述它們之間的關系。

            pv=RT

            式中,p——壓力(N/m3),

            v——比容(m3/kg),

            T——溫度(K),

            R——氣體常數(Nm/kgK)

            需要指出:在一般情況下,流體的壓縮系數和膨脹系數都很小。對于能夠忽略其壓縮性的流體稱為不可壓縮流體。不可壓縮流體的密度和重度均可看作常數。反之,對于壓縮系數和膨脹系數比較大,不能被忽略,或密度和重度不能看成常數的流體稱為可壓縮流體。但是,可壓縮流體與不可壓縮流體的劃分并不是的。例如,通常把氣體看成可壓縮流體。但是,當氣體的壓力和溫度在整個流動過程中變化很小時(如通風系統),它的重度和密度的變化也很小,可近似地看為常數。再如,當氣體對于固體的相對速度比在這種氣體中當時溫度下的音速小得多時,氣體密度的變化也可以被忽略,對于能把氣體的密度看成常數的情況,可按不可壓縮流體來處理。

            (3)粘滯性

            當流體中發生了層與層之間的相對運動時,速度快的層對速度慢的層產生了一個拖動力使它加速,而速度慢的流體層對速度快的就有一個阻止它向前運動的阻力,拖動力和阻力是大小相等方向相反的一對力,分別作用在兩個緊挨著但速度不同的流體層上,這就是流體粘性的表現,稱為內摩擦力或叫粘滯力。為了維持流體的運動就必須消耗能量來克服由于內摩擦力產生的能量損失,這就是流體運動時會造成能量損失的原因。實際上,粘性是流體阻止發生剪切變形和角變形的一種特性。這是由于內聚力的存在和流體層間的動量交換而造成的。內摩擦力就是這種特性的表現形式。當流體處于靜止或各部分之間相對速度為零時,流體的粘性就表現不出來,內摩擦阻力也就等于零。

            在工程計算中亦常常采用流體的動力粘度與其密度的比值稱為運動粘度或運動粘滯系數,以v表示,其單位為斯托克。溫度對流體的粘滯系數影響很大。溫度升高時液體的粘滯系數降低,流動性增加。氣體則相反,溫度升高時,它的粘滯系數增大。這是因為液體的粘性主要是由分子間的內聚力造成的。溫度升高時,分子間的內聚力減小,粘度就要降低。造成氣體粘性的主要原因則是氣體內部分子的亂運動,它使得速度不同的相鄰氣體層之間發生質量和動量的交換。當溫度升高時,氣體分子亂運動的速度加大,速度不同的相鄰氣體層之間的質量和動量交換隨之加劇。所以,氣體的粘性將增大。

            (4)流動形式

            流體流動存在兩種運動狀態:層流和湍流。倘流速很慢,流體會分層流動,互不混合,此乃層流。倘流速增加,越來越快,流體開始出波動性擺動,此情況稱之為過渡流。當流速繼續增加,達到流線不能清楚分辨,會出現很多漩渦,這便是湍流,又稱作亂流、擾流或紊流。

            三、理想流體和實際流體

            根據流體粘性的差別,可將流體分為兩大類,即理想流體和實際流體。

            自然界中存在的流體都具有粘性,統稱為粘性流體或實際流體。對于完全沒有粘性的流體稱為理想流體。這種流體僅是一種假想,實際并不存在。但是,引進理想流體的概念是有實際意義的。因為,粘性的問題十分復雜,影響因素很多,這對研究實際流體的帶來很大的困難。因此,常常先把問題簡化為不考慮粘性因素的理想流體,找出規律后再考慮粘性的影響進行修正。這種修正,常常由于理論分析不能完*而借助于試驗研究的手段。另外,在很多實際問題中粘滯性并不起主要作用。因此,把實際流體在一定條件下,可當作理想流體處理,這樣既抓住了主要矛盾又使問題大大地簡化。

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