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流体性质

在这一章中我们讨论了流体的基本属性。

对这些性质的理解是至关重要的,运用流体力学的基本原则，以解决实际问题.

2.1固体和流体之间的区别

固体的分子排列通常比液体更紧密的。

固体分子之间的引力很大，所以固体往往保留了坚实的形状。

而流体则不然。

它的分子之间引力比较固体小。

一个理想的弹性体将受载变形，一旦卸载将返回到原来的状态下。

有些固体塑料。

在足够的载荷下持续作用，变形将一直进行到最大程度，只要提供了物质剂量不破裂。

移除负载时，即不再变形，但塑料固体不返回到原来的状态。

流体分子凝聚力并不大到足以让流体的各个分子组合在一起。

因此，液体在很小的压力下就将流动而且持续的流动下去，只要压力存在。

2.2气体和液体之间的区别

流体可以是气体或液体。

气体分子之间的距离更远低于液体的距离。

因此气体可压缩，当所有的外部压力去除，它往往无限扩散，气体只有当完全封闭时扩散才能平衡。

相对不可压缩的液体，除了自己的蒸气压力，如果全部压力被去掉，认为分子间的凝聚力使他们在一起，以至于液体不能无限扩展。

因此，除去表面的所有压力，液体可能有自由表面，除了它自己的蒸气。

汽是的温度和压力很近的液体的阶段的一种气体。

因此蒸汽被认为蒸气，因为其状态通常与水相似。

一种气体可定义为高温加热的蒸汽；那就是，它的状态被远离液体阶段的状态。

因此空气被认为的气，因为其状态通常与液体空气的状态是很不相同。

气体或蒸气大量受压力或温度变化或两者同时共同的影响。

因此，在处理气体和蒸汽的时候通常是有必要的考虑到体积和温度的变化的。

每当处理气体、蒸气的重大的温度或相位变化时，所涉及的问题在很大程度上与热现象有关。

因此流体力学和热力学是相互关联的。

2.3密度，重度，比容，和比重

密度p或更严格的讲，质量密度，是其单位体积的质量，而重度R是它的单位体积所含的重量。

在英国的引力系统的密度P定义为每立方英尺金属条（？

？

？

？

蛞蝓）的重量，单位可表示为lb.sec2/ft4

请注意，密度p是绝对的，因为它取决于质量，质量只受位置的影响。

另一方面，重度R，它不是绝对的，因为它受重力加速度G的影响，与其位置，主要是纬度和海拔高度不同的而不同。

流体的密度和温度谨慎具体权重。

附录A提供了通常需要对水和空气这些量温度变化。

它也包含密度和共同气体的具体权重，在标准大气压和温度。

我们将讨论液体比重进一步sec.2.6

流体密度及重度对温度很敏感。

附录A提供了这些水和空气通常需要的温度变化的数值。

它还包含密度和特定的常见气体在标准大气压力和温度下的重度。

我们将在sec.2.6中进一步的讨论液体的重度。

比容u是单位质量的流体所占的体积。

我们通常将它应用于气体，通常表示为m3/kg。

比容是密度的倒数。

因此，具体液体的比重S是无量纲的比例

物理学家用标准4.c，但工程师经常使用60F.在公制系统的水在4摄氏度密度为1.00g/cm3，相当于1000kg/m3，因此表示其密度值和液体比重有相同的数值g/ml或mg/m3。

附录A包含有关比重和标准大气压下的各种液体的密度的数值。

气体的比重是在某个特定的温度和压力下的空气和氢气其密度比，但没有一般标准，所以我们必须明确声明他们在任何给定的情况下。

由于流体的密度随温度变化，我们必须确定，并指定在特定温度下比重。

2.4可压缩和不可压缩流体

流体力学处理不可压缩和可压缩流体，就是研究液体和气体的变量或常量密度。

虽然现实没有像不可压缩流体的这种东西，但是我们使用的密度在压力变化时其值变化小到可以忽略不计。

这通常是液体的情况。

我们也可考虑到不可压缩气体的压力变化相比绝对压力是很小的。

通常我们认为液体是不可压缩的流体。

但声波，这是真正的压力波，通过他们的传播。

我们找到了液体有弹性的证据。

在涉及水击的问题，我们必须考虑的液体可压缩性。

通风系统中的空气的流动是一例，我们可视为气不可压缩，因为压力变化很小以至于空气的密度变化的是可以不考虑的。

但对于气体或以很高的速度流过一长管道的蒸汽，压力下降是如此之大，我们不能忽视密度的变化。

对于在低于250英里的时速（100米/秒）飞行的飞机，我们可以考虑空气密度是常数。

但随着对象移动穿过空气的声音，它是取决于温度760mph（1200km/h）的，压力和相邻的空气密度变得很大而不同于在远处的空气，我们必须再处理可压缩流体的空气。

2.5液体的压缩性

一种液体的可压缩性与其体积的弹性模量也称为体积弹性模量成反比。

类似的体积弹性模量为固体的弹性模量;然而，它是基于流体体积的基础上，而不是人们所熟悉的一维应力应变固体主体的关系来定义。

在大多数的工程问题中，处于或接近大气压力的体积弹性模量是最感兴趣的。

体积弹性模量为流体特性，对于液体是温度和压力的函数。

水的体积弹性模量的几个值的资料载于表2.1。

在任何温度下，我们看到，EV值随压力变化不断增加，但在任何一个压力下EV的值最大约是120F。

因此，水的最低压缩是120F。

请注意我们常常要指定应用的压力，如表2.1，绝对的说，这是因为大气压力变化。

单位比萨或KN/M2abs表示的是流体绝对的压力，相对于绝对零度的实际压力。

标准的大气压力是，在海平面约14.7比萨或101.3KN/M2abs.巴和毫巴是以前曾使用以快递的压力的度量单位；1mb=100N/M2。

我们衡量相对于大气中大多数的压力，并要求他们计压力。

这是解释更充分地sec.3.4。

对碳钢的体积模量大约是26000000Gpa。

冷水的体积模量的典型值是320000磅，我们看到象钢一样可压缩时水是钢的约80倍。

液体的压缩覆盖范围广。

汞，例如，是可压缩的水的约，而硝酸比水多压缩近六倍。

有价值的320000psi，电动汽车假设我们看到1000psi增加水的压力将压缩它只有1/320慢慢地我们找到关于水作为不可压缩的常规假设合理其原始卷中堪称一流。

假设EV值是320000Gpa，我们看到，增加水的压力1000pa仅能压缩它的1/320原来体积。

因此，我们发现，通常假设看作是不可压缩的水是有道理的。

2.6液体比重

常规液体的比重是68F标准海平面气压与g=32.2英尺/sec2的如表2.2。

在压力的作用下液体的比重略有变化，而是取决于液体的体积弹性模量，而且还取决于温度，这时变化可能才相当大。

由于比重R等于pg，流体的比重依赖于本地的重力加速度，除了与温度和压力的变化。

在水的温度和压力变化时引起比重变化，其中g=32.2ft/sec2，图2.1所示。

盐在解决方案中，存在的溶气、和悬浮物非常轻微的数量就会增加这些值。

通常我们假定海水重量是64.0lb/ft3。

除非另有指定或暗示给定的温度，水的问题，在这本书中的使用的值是r=62.4lb/ft3。

在极端条件下，水的比重是很大的不同。

例如，在500F的和6000磅水的比重为51lb/ft3。

下面列出的各种气体的属性是如何相互关联的。

他们是不同的气体。

真实理想气体的条件是在远离液体的阶段时，这时这些性质近似于假设的理想气体。

理想的气体，这里定义要有不变的比热并且要遵循气体的各种性质。

2.7理想气体的性质及其关系

对于空气，R值1715英尺/磅或287N/平方米;使用塞和牛顿的定义，这些单位有时分别是平方英尺/（sec2.R）和m2/（s2.K）。

由r=pg，如果知道R和g，从任何气体在任何温度和压力中可以计算其比重。

（2.4）和（2.5）涉及在某个特定国家的各种气体性质，是作为状态方程和性质关系而闻名。

在这本书中，我们须假设所有气体都是理想的。

理想的气体，有时也被称为理想气体。

不要混淆的理想流体和理想气。

阿伏伽德罗的法律规定在相同的温度和压力和给定值的g作用下的所有气体都有相同数量的单位体积，它遵循一种气体分子的比重是其摩尔质量成正比的，因此，如果M表示摩尔质量，r2/r1=m2/m1，并从Eq（2.5）、相同的温度、压力和g的条件下r2/r1=R1/R2.因此价值理想气体R0称为通用的气体常量妻子、其值有49709ft.lb/的值（塞摩尔。

R）或8312N.m/（kg-mol.k）。

重写在前面的方程从R=R0/M使我们获得R，而R是Eq.（2.4）或（2.5）所需的任何气体的常量。

真实气体比热可能较大的温度变化范围，Eq.（2.4）的右侧取代zRT，所以R0=MzR，z在哪里随压力和温度的压缩因子。

在热力学文本和手册中有Z和R值。

然而，对于一般情况下，遇到的单原子和双原子气体，Ž不同但是都不到3％，所以产生理想的气体近似理想化。

（2.4）和（2.5）将算出良好的结果。

当各种气体以混合物的形式存在，如空气，道尔顿分压法的国家，如果其他的不存在，每个气发挥其自身的压力。

因此，我们必须使用Eq.（2.4）和（2.5）算出他的分压，自然发生水汽在大气中有低较低分压，所以我们可能会将其视为理想气体，但在高压力的蒸汽与R=49709/18=2760ft.lb/（塞。

R），此值是不适用的。

当增加压力，同时降低温度，气体变成蒸汽，并以分离气体使其越来越远离气相而越来越接近液相，性质关系变得比方程（2.4）更加复杂得多，然后我们必须从蒸汽表或图表中获取比重与其他属性。

这样的表和图表是针对蒸汽，氨，二氧化硫，氟利昂，在一般的工程使用其他气体.

取决于气体受到处理的过程。

由于这个方程描述某一过程中的气体的特性从一个状态变化到另一个状态，我们称之为过程方程。

如果更改的过程是在恒温n=1，如果没有热交换，过程是绝热的。

一个无摩擦的绝热过程是一个等熵过程，对此在定容、定压的比例，我们由k表示n，其中k=Co/Cv，这比热比k也被称为绝热指数。

摩擦与扩张n小于k，压缩与摩擦n大于k。

k值载于附录A，表A.5,和热力学文本和手册上。

空气和双原子气体在正常温度下，我们可以为1.4=k。

2.8理想气体的可压缩性

因此，15平方英寸的压力，在等温时气体的弹性模量是15磅/平方英寸，等熵过程中空气是1.4（15pis）=21磅/平方英寸。

假定从表2.1要320000psi为冷水的弹性模量的典型值，我们看到在15平方英寸的空气是320000/15=冷水的21000次压缩等温，或320000/21=15000倍作为可压缩等熵的是一样的。

这里强调的是正常大气和水之间的可压缩性是有很大差别的。

2.9标准大气压

标准大气压首次通过是在美国和欧洲20世纪20年代，以满足飞机的仪器和飞机性能标准化的需求。

大气的知识的增加，并在人类活动中更高的要求，这类标准已被经常扩展，有待完善。

国际民用航空组织通过其最新国际民航组织标准大气1964年，延伸至32公里。

国际标准化组织于1973年延伸到50公里（164000英尺），ISO标准大气采用国际民航组织的标准。

美国已经通过了自己的标准大气，上次是在1976年修订。

这包含了国际民航组织和ISO标准，并延伸到至少86公里;对于一些情况，它扩展至于1000公里。

图2.2以图形方式显示了美国标准大气中的温度和压力的变化。

最低11.02公里内，称为对流层，气温迅速下降，并呈线性递减率的-6.489C/km。

下一层，称为平流层，约为9公里厚，温度恒定在-56.5C。

其次，在中间层，它增加，先缓慢，然后更迅速，到最大，海拔约50公里的最大值为2.5C。

以上这称为电离层，中层的上半部分中的温度再次降低。

标准的绝对压力表现各种的不同温度，在30公里高度减少相当迅速，顺利地的减到几乎为零。

压力分布的计算是使用流体静态的方法计算的标准的温度。

该标准的温度曲线由线性函数的高程数表示大大促进了这些计算

从国际民航组织的标准大气压下，温度、压力和其他变量，包括密度和粘度，在附录A列出30公里和100000ft的重力加速度，工程师通常使用表A.3此类数据设计计算高空飞机的性能的好处在哪里。

标准大气压作为一个在大气条件好时的近似值;当然，实际情况随着天气，季节，纬度有些不同。

2.10理想流体

理想流体通常被定义为内部没有摩擦液体。

因此在里面的任何部分的内力总是正常部分，即使在运动过程中。

所以这些力也是纯粹的压力。

虽然这样的流体在现实中不存在，液体在固体摩擦边界上可以流足够的距离，所以许多液体我们经常可以方便地通过假设分析他们的行为是理想流体。

正如Sec.2.7指出，应注意不要混淆一个有理想气体理想流体。

真正的流体，不管是液体或气体，切或剪切力量总是发生其本身，从而产生流体摩擦，因为这些力阻碍粒子的相对运动。

这些摩擦力引起的流体的性质即为粘度。

2.11粘度

一种液体的粘度是指其抗剪强度或角变形的能力。

例如机油，具有"粘性"，具有高粘度和抗剪强度，而汽油却是低粘度。

在流动从分子间的凝聚力和动量交换造成液体的摩擦力。

图2.3显示典型流体的粘度对温度的关系。

随着温度的升高，所有液体粘度下降，同时所有气体的粘度增加。

这是因为，占主导地位的液体的凝聚力随温度的下降，，而与气体为主的因素是不同速度的层之间分子交换。

因此快速移动的气体分子移到慢的图层，往往加快后者。

和缓慢移动的分子进入一个更快的移动层趋于放慢移动的层的速度一样，这种分子交汇处产生剪切，或产生相邻层之间的摩擦力。

在较高温度下分子活动增加，因此造成了气体的粘度随温度的增加。

附录A中图A.1和A.2图形化的数值为目前的各种液体和气体的绝对粘度和运动粘度，并展示它们如何随温度的变化的。

考虑两个平行板，足够大我们可以忽视边缘效应，小距离Y，与空间充填流体的经典案例。

下板是固定的，而上平行板由于力F的动作使其以速度U移动对应下板的面积A。

在边界，流体粒子紧贴板，所以他们的相对速度是零。

所有的粘性流体发生这种所谓的无滑动情况。

因此在图2.4凡接触板的上限和下限中流体的速度U必须是为零。

图2.4中速度分布图中所示，我们所说的与这两个极端之间速度的在随距离变化，是一个速度剖面描述的形式。

如果分离距离Y不是太大，如果U是速度不太高，如果没有流体通过空间的净流量，流速剖面在图2.4将是线性的，此外，如果，还有两个板块之间液体流量很小，例如，作为可能造成的压力润滑，流速剖面成为前加一个抛物线分布的线性分布的总和;抛物线的新增功能，是线性分布在板和在中心线的最大值均为零。

流体的特性很多，比如它由一系列的薄层组成，其中一个层与下一个关系很小。

对于图2.4中的液体一大类的条件，我们看到类似的三角形，我们可以通过速度梯度du/dy更换U/Y。

如果我们现在引入一个比例ü不变，我们可以表示任何两个薄片流体的t之间的剪应力t=F/A=udu/dy我们称之为公式Eq.2.9牛顿方程的粘度，因为牛顿最开始是这样建议它的。

尽管牛顿，英国数学家和自然科学家，最著名的是他制定重力场运动的基本规律的且奠定了微分学的发展，在流体力学的领域也取得许多开创性的研究。

在2.1中我们注意到固体和流体之间的区别在于固体可以抵抗剪应力。

我们将用Fig.2.5所指的各种液体和固体明确的进一步区分。

固体中剪应力取决于严重程度的变形；但式（2.9）显示，在许多流体的剪切应力变形频率成正比的，

其中流体的比例常数不随变形率改变的液体被称为牛顿流体，这绘制在图.2.5中为一条直线。

这条线的斜率是绝对粘度，U型，理想流体，没有粘性，落在水平轴上。

一种塑料的维持一定的压力前对应于一条直线，屈服应力相交在垂直轴,有某些非牛顿流体随变形率流体中的u是变化的。

在工程的用法中，这些都是相对比较少见的粘度，所以我们本文的其余部分的常见的液体会受到限制，在正常情况下，服从牛顿方程。

在正常条件下服从牛顿的粘度方程

式（2.9）定义比例常数ü=u=t/du/dy作为知名的粘度系数，绝对粘度，动力粘度，或简单的液体粘度。

我们将使用“绝对粘度“，以帮助它区别于其他粘度，我们将在稍后讨论。

在轴承中，滑动轴承润滑液填充在轴和其周围的支持物之间的小的环形空间中。

这种流体的图层，除了它弯曲，非常类似于两个平行板之间液层。

但是也有另一个更多的细微差别。

与恒固位速w的同轴圆柱，抗和驱动力矩是平等的。

但是也有另一个更多的细微差别。

恒位速w的同轴圆柱，抵抗和驱动力矩是平等的。

但由于在内外壁半径是不同的，剪应力和速度梯度也必须有所不同。

剪应力和速度剖面必须曲线。

然而，作为间距Y趋近于0。

读/dy-U/Y=常数。

所以，当差距非常小，我们可以假设流速剖面是一条直线，我们可以用于与平板类似的方式解决问题。

绝对粘度的数值是由力除以每单位面积速度梯度得出的。

在英国引力系统的绝对粘度尺寸如下：

粘度的度量系统广泛使用的单位是泊，让•路易•泊肃叶的名字命名的，法国的文字记载，泊肃叶是第一次调查粘度的成员之一。

泊=0.10N.s/m2。

厘泊常常是一种更方便的单位。

它有另一个优点是在68.4F的水的粘度在1厘泊。

因此，在厘泊粘度值是流体的相对粘度，表示在68.4F水。

在涉及的许多问题的粘度是绝对粘度除以密度的。

这个比例定义了运动粘度V，所以说是因为力没有参与，唯一尺寸是长度和时间，像是运动学。

因此v=u/p，在BG系统中和SI中，我们通常衡量在平方英尺/秒的和在m2/s的运动粘度v，以前，度量系统中常用的单位是cm2s，也称斯托克城后先生为乔治•斯托克斯，,英国物理学家和粘度的创业调查员。

两个粘度的重要区别如下所示，大多数液体的绝对粘度u对那些通常在工程工作中遇到的压力范围内几乎是独立的;极高的压力，其值只比在图.A.1所显示的要高。

但是气体的运动粘度，由于压力的变化引起密度的变化以至于使其运动粘度变化很剧烈，因此，如果我们要在非标准的压力下确定运动粘度v，我们可以查找的u值，并用等式2.11计算v。

这将需要知道的气体密度，p，，如有必要，我们可以使用等式.（2.4）计算。

11.1中介绍的粘度测量。

2.12表面张力

A.4液体有凝聚力和附着力，两者均分子吸引力的形成。

凝聚力使液体抗应力，然附着力使它能够有一个完整的形状。

在液体和气体之间的界面，在液体表面，并在两种液体之间的界面中，平衡的分子间作用力构成了一层绷紧的表面膜。

这种液体的属性称为表面张力。

因为这种紧张关系表现在表面，当未指定二流体界面时，我们的测量比较单位长度的表面的拉力这种力量。

液体表面是与空气接触是显而易见的。

他们随着温度稍微下降，各种液体的表面张力的涵盖范围广泛。

沸点和凝点之间的表面张力的值是0.00518到0.00404lb/英尺；A.1的附录A表包含更多典型的值。

表包含了其它液体的值。

毛细现象是由细管或多孔介质对液体施加力而产生；根本原因是凝聚力和粘附力。

液体凝聚力比粘附力的影响小时，固体表面将被液体打湿，并在它的接触点上升，如果占据主导地位的凝聚力，液体表面会压低接触的时候。

例如，毛细作用使水在玻璃管中是上升的。

而汞却低于真实的水平，如下所示的图2.7，这是按比例和转载的实际大小绘制的。

发展的弯管道液面既是我们所说的弯曲液面，

通过管毛细管上升的截面看起来图2.8。

从自由体的考虑，表面张力产生的提升力等于重力。

我们可以使用此表达式近似计算毛细的上升或管凹陷。

管的是清洁，对水θ=0℃对汞θ=140℃，请注意弯管的升降的液体体积小，在Eq.2.12中近管壁部分是除了体积Tr2h使用的，大管径，具有较小的毛细上升高度，这个小体积可以成为Tr2h的很大一部分。

所以等式2.12高估或低估了毛细上升，特别是对于较大的直径管。

图表.2.7的曲线用于水或汞与空气接触时；如果水与汞接触，表面张力的影响是略小于与空气接触时的。

管直径大于1/2英寸，毛细管作用是微不足道的。

在大多数工程情况下通常可以忽略不计的表面张力的影响。

然而，他们在涉及毛细上升时则是一个非常重要的问题，如在土壤水分区，没有毛细管的话大多数蔬菜会死亡。

当我们使用小试管测量流体的属性的时候，如压力，我们必须采取的读数是要考虑表面张力的影响的；如果表面张力的影响为零，一个真正的读数才会有。

在小的水力模型研究这些影响也是重要的，液体射流，液滴和泡沫的形成过程中，分析滴液的形成是非常复杂的，但是，例如喷墨打印机，设计中的关键问题达数十亿美元的业务的规模。

2.13液体的蒸气压力

所有液体都倾向于蒸发或汽化，是因为其表面突出的分子进入表面的上方空间。

如果这是一个密闭的空间，分子的局部压力增加，直到的液体分子出入平衡。

对于这个平衡的条件，我们称之为蒸气压力的饱和蒸汽压。

随着温度的升高和压力的下降，所以这样的饱和蒸汽压剂量相同，在任何给定的温度，如果在液体表面压力低于饱和压力，结果是快速蒸发，称为沸腾，因此对于给定的温度。

我们可以称之为的饱和蒸汽压。

对液体它具有实际意义。

我们把迅速汽化和再冷凝液称之为它简单的通过一个绝对压力低的气蚀区。

这种现象往往是非常有害的，所以我们要避免它，我们将在5.10节中更详细地讨论它。

表2.3提请注意各种液体在饱和蒸气压下的巨大差异，附录A，表A.4包含更多的值。

非常低的汞蒸气压使得它特别适合用于气压计。

对于不同温度下的水蒸汽压力值在附录A

PROPERTIESOFFLUIDS

Inthischapterwediscussanumberoffundamentalpropertiesoffluids.Anunderstandingofthesepropertiesisessentialofapplybasicprinciplesoffluidmechanicstothesolutionofpracticalproblems

2.1DISTINCTIONBETWEENASOLIDANDAFLUID

Themoleculesofasolidareusuallyclosertogetherthanthoseofafluid.theattractiveforcesbetweenthemoleculesofasolidaresolargethatasolidtendstoretainitsshape.thisisnotthecaseforafluid.wheretheattractiveforcebetweenthemoleculesaresmaller.Anidealelasticsolidwilldeformunderloadand,oncetheloadisremovedwillreturntoitsoriginalstate,somesolidsareplastic.Thesedeformundertheactionofasufficientloadandde-formationcontinuesaslongasaloadisapplied,providingthematerialdosenotrupture.deformationceaseswhentheloadisremoved,buttheplasticsoliddoesnotreturntoitsoriginalstate。

Themolecularcohesiveforcesinafluidarenotgreatenoughtoholdthevariouselementsofthefluidtogether.Henceafluidwillflowunder