流体的特性及其适用情况

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：2．不适用情况将流体作为连续介质来处理流体静止或流动时的性质变化，对于大部分工程技术问题都是准确的。在研究黏性流体力学时，流体的黏性通常用动力黏度，又简称为黏度来表示，并将黏性流体视为牛顿流体。

研究流体力学问题时，首先必须了解流体的固有特（属）性，才能掌握问题的核心并进行研究。一般常探讨的流体特性大体有连续性、压缩性与黏滞性。

1.7.1 连续性

众所周知，任何流体都是由无数分子组成的，流体分子与分子之间存在着空隙，也就是说从微观角度来看：流体并不是连续分布的物质。但是通常在研究流体力学问题时并不讨论个别分子的微观运动，而是研究流体的宏观运动。也就是通常所说的流体力学指的是宏观流体力学（Macroscopic fluid mechanics），而非微观流体力学（Micro fluid mechanics），在宏观流体力学中，研究流体的密度、压力与温度等性质与速度时都将流体视为连续介质，这就是流体连续性的假设。

1．流体连续性的假设

如前所述，研究流体力学问题时，通常并不讨论个别分子的微观行为，而是以宏观的观点去研究流体运动。因为在工程中研究的物体具有一定的体积，其特征尺寸远大于流体分子与分子之间的距离，因此讨论流体分子与分子之间的空隙并无意义且实际应用性不大。也就是说在研究流体的宏观运动时，可以不去考虑流体分子与分子之间的空隙，而把流体视为由无数连续分布的流体微团组成的介质，这就是流体连续介质（Continuous medium）或连续体（Continuum）的假设。因为流体的连续性是假设流体是连续而没有间隙的介质，因此可以利用微积分方法来处理流体静止或流动时的性质变化。

2．不适用情况

将流体作为连续介质来处理流体静止或流动时的性质变化，对于大部分工程技术问题都是准确的。但是流体连续性的假设是在气体分子与分子之间的运动距离远远小于物体特征尺寸的基础上建立的，所以火箭在高空（高度超过地面40 km距离）非常稀薄的大气中飞行以及高真空技术的研究必须舍弃宏观连续介质的研究方法，取而代之以微观的分子动力学研究方法。这个领域的流体力学问题属于稀薄空气动力学范畴，并不在本书探讨范围之内，因此本书不做过多讨论，感兴趣的学生，可以参考相关书籍做进一步学习。

1.7.2 压缩性

流体的密度会受压力、温度与速度的影响，所谓流体的压缩性（Compressibility）是指流体受影响时密度变化的程度，实验与研究都已经证实，对于液体或低速流动的气体，也就是对于流速低于 0.3 马赫的气体，流体的密度变化通常可以忽略不计，即不考虑流体的压缩性。但是如果气体的流速大于 0.3 马赫（Ma）时，由于速度的变化对气体的压力和密度的影响较大，就必须考虑气体的压缩性。除非特别说明，在探讨气体的压缩性时，通常会将气体视为理想气体（Ideal gas），也就是气体的行为可以使用理想气体方程式P=ρRT来描述。本书将在后续章节的内容中详细描述。

1.7.3 黏滞性

由于流体分子与分子之间具有相互吸引力的缘故，在流体流动或者物体在流场内运动时，会产生一个阻滞流体流动或物体运动的力，称之为流体的黏性，它是流体的固有特性。在研究黏性流体力学时，流体的黏性通常用动力黏度，又简称为黏度来表示，并将黏性流体视为牛顿流体。研究指出，流体黏性主要受流体分子与分子之间的吸引力（流体的内聚力）与流体分子的运动力等因素的影响，其中流体的内聚力为影响液体黏性的主要因素，而流体分子的运动力为影响气体黏性的主要因素，且液体的黏性远大于气体。又有实验证明，温度的变化对流体黏度的影响甚剧，液体的黏度会随着温度的上升而减小，气体的黏度会随着温度的上升而增大，这也就是说，温度对这两类流体黏度影响的趋势正好相反。液体的温度上升会造成液体分子与分子之间内聚力的降低从而导致液体的黏度减小，而气体的温度的上升会造成气体分子的运动力变强从而导致气体的黏度增大。压力的改变一般对流体的黏度影响极小，通常可以忽略不计。

流体的特性及其适用情况

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