流体的基本性质

在备考《船舶流体力学》过程中自己整理了一份知识点总结的复习文档，在这里分享给大家，供大家参考，希望可以给大家提供帮助，后续将依次按照绪论、流体的基本性质、流体静力学、流体运动学、流体漩涡运动、势流基本理论、水波基本理论、粘性不可压流体流动基本理论、边界层理论和相似分析这十个部分对《船舶流体力学》（陈建平版本）这本书的内容进行知识点总结，本章为流体的基本性质部分。

流体的定义

在任何微小的剪切力作用下都能发生连续变形的物体。

流体的特性

易流动性，易变形性，粘性，可压缩性

• 易流动性：与分子间作用力较弱有关

• 易变形性：流体内切应力与变形速度（切变率）有关，遵守牛顿内摩擦定律

• 粘性：
  1）相邻两层流体之间发生相对运动时，两层流体之间产生对于变形的抗力，该抗力与流体的变形速度成比例，抵抗变形的特性称为粘性。
  2）流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的粘性。

  • 粘性是由内摩擦产生，两层流体间分子内聚力（液体）和分子动量交换（气体）的宏观表现。液体粘性主要取决于分子间的引力，气体粘性主要取决于分子的热运动。
  • 壁面无滑移条件：流体与固体表面可实现分子量级的接触，达到表面不滑移。（库伦实验间接证明）
  • 牛顿内摩擦/粘性定律：流体的粘性切应力与速度梯度成正比
  • 常温常压下 动力粘度：${\mu }_{water}=55.4{\mu }_{air}$ ，运动粘度：$r_{air}=15r_{water}$
  • 动力粘度单位：N·s/$m^2$=kg/(s·m)=Pa·s
  • 粘度随温度变化，液体/气体随温度升高粘度减小/增大
  • 可以看成理想流体的情况
    • 均匀流动、流体静止状态的实际流体
    • 粘性力与重力或惯性力相比足够小，如水波问题，空气绕流圆柱体时，边界层以外的势流可以用理想流体的理论进行描述
  • 牛顿流体：剪应力和变形速率满足线性关系（如，空气，水，汽油，酒精）
  • 非牛顿流体：剪切应力和变形速率之间不满足线性关系（其动力粘性系数还与温度和压强有关）（如血液，泥浆，酸奶，果酱，黄油，牙膏，石油等）
  • 粘性流体和理想流体

• 压缩性

  • 压缩性系数k：单位压强增量引起的体积变化率，值越大，越容易压缩，反之则反。单位是$m^2/N$
  • 体积弹性模量K：是压缩性系数的倒数,单位为Pa
  • 比容：密度的倒数
  • 相对密度：流体的密度/4℃时水的密度
  • 流体的膨胀性：压强一定时，流体体积随温度变化的性质
  • 膨胀性系数β：单位温度增量引起的体积变化率，值越大，越膨胀（水的为$5\times 10^{-10}{m}^3/N$） 单位是1/K或1/℃
  • 不可压缩流体：压缩性系数和膨胀系数都为0，密度不随压力和温度改变
  • 气体：可压缩流体；液体：不可压缩流体（水下爆炸，可压缩，气体流速低，不可压缩）

流体连续介质模型

将流体作为由无穷多稠密、没有间隙的流体质点构成的连续介质（v,P,ρ，T）(欧拉提出连续性介质假设)

• 流体质点：包含有足够多流体分子的微团

作用在流体上的力

• 体积力：质量力，作用在流体某体积内所有流体质点上， 并与这一体积的流体质量成正比的力；单位质量力f(x,y,z)=dF/(ρdV)，单位：$m/s^2$
• 表面力：作用在流体体积表面上, 并与受作用的表面面积成正比；法向：$p_{nn}=dFn/dA$，切向：$p_{nr}=d{F}_t/dA$
  • 理想（静止）流体表面力只有法向压应力。
  • 静压力特点
    • 流体静压力的方向总是和作用的面相垂直，并且指向所考虑的那部分流体的内部，即沿着作用面的内法线方向
    • 在流体与固体接触的表面，不论器壁方向或形状如何，流体静压力总是垂直于器壁
    • 静止流体内部任何一点处的流体静压力，在各个方向都相等（帕斯卡定律）
  • 静止流体中任意界面上只受大小相等方向相反的压力==静压力，沿着作用面内法线方向
  • 表面张力：当液体出现自由表面时，液体表面层中的液体分子都受到指向液体内部的拉力。以长度单位边界上的拉应力度量==称为线力
    • 液体与固体壁面相接触时，当液体分子内聚力小于液体与壁面间的附着力时，液体的表面张力将使液体沿垂直管壁上升；反之，液体的表面张力使液体沿垂直管壁下降。==液体与固体接触时，若固体和液体分子之间的吸引力大于液体分子之间的吸引力,液体就会沿着固体表面扩张，形成薄膜附着在固体上（浸润），反之为不浸润。
    • 例子：毛细现象，肥皂泡，小昆虫在水面上行走，植物叶片上的水珠
    • 表面张力在一般工程问题中可以忽略，但是在细小管中的毛细现象；气泡，液滴；波浪破碎；小尺度问题中不可忽略
• 压力单位的不同表达：$1atm=101325Pa=1.033Kgf/c{m}^2=10.33m{H}_{2}O=760mmHg$, $1bar=10^{5}Pa$