流體簡介

流體，是與固體相對應(yīng)的一種物體形態(tài)，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(gòu)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(zhì)一樣具有質(zhì)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(dāng)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?yōu)檠芯苛黧w的運動和狀態(tài)而引入的一個理想模型，是液壓傳動和氣壓傳動的介質(zhì)。

一、特征

固體和流體具有以下不同的特征：在靜止?fàn)顟B(tài)下固體的作用面上能夠同時承受剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力。而流體只有在運動狀態(tài)下才能夠同時有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用，靜止?fàn)顟B(tài)下其作用面上僅能夠承受法向應(yīng)力，這一應(yīng)力是壓縮應(yīng)力即靜壓強。固體在力的作用下發(fā)生變形，在彈性極限內(nèi)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(yīng)力有關(guān)，層流和紊流狀態(tài)它們之間的關(guān)系有所不同，在層流狀態(tài)下，二者之間服從牛頓內(nèi)摩擦定律。

當(dāng)作用力停止作用，固體可以恢復(fù)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(yīng)容器的形狀，在一定的條件下并可以維持下來。

二、性質(zhì)

（1）質(zhì)量和密度

流體和其他物質(zhì)一樣，具有質(zhì)量和重量。單位體積的流體所具有的質(zhì)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(yīng)為：

dm——所取某微元件的的質(zhì)量（kg）

dV——質(zhì)量為dm的微元件的體積（m³）

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

（2）壓縮性和膨脹性

當(dāng)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(shù)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(dāng)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(shù)Bt來表示。Bt是指當(dāng)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(shù)和膨脹系數(shù)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(dāng)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(xué)中是用氣體狀態(tài)方程式來描述它們之間的關(guān)系。

pv=RT

式中，p——壓力（N/m³），

v——比容（m³/kg），

T——溫度（K），

R——氣體常數(shù)（Nm/kgK）

需要指出：在一般情況下，流體的壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)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(shù)。反之，對于壓縮系數(shù)和膨脹系數(shù)比較大，不能被忽略，或密度和重度不能看成常數(shù)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(dāng)氣體的壓力和溫度在整個流動過程中變化很小時(如通風(fēng)系統(tǒng))，它的重度和密度的變化也很小，可近似地看為常數(shù)。再如，當(dāng)氣體對于固體的相對速度比在這種氣體中當(dāng)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(shù)的情況，可按不可壓縮流體來處理。

（3）粘滯性

當(dāng)流體中發(fā)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(chǎn)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(xiàn)，稱為內(nèi)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(nèi)摩擦力產(chǎn)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(fā)生剪切變形和角變形的一種特性。這是由于內(nèi)聚力的存在和流體層間的動量交換而造成的。內(nèi)摩擦力就是這種特性的表現(xiàn)形式。當(dāng)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(xiàn)不出來，內(nèi)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(shù)，以v表示，其單位為斯托克。溫度對流體的粘滯系數(shù)影響很大。溫度升高時液體的粘滯系數(shù)降低，流動性增加。氣體則相反，溫度升高時，它的粘滯系數(shù)增大。這是因為液體的粘性主要是由分子間的內(nèi)聚力造成的。溫度升高時，分子間的內(nèi)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(nèi)部分子的亂運動，它使得速度不同的相鄰氣體層之間發(fā)生質(zhì)量和動量的交換。當(dāng)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(zhì)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(tài)：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(dāng)流速繼續(xù)增加，達(dá)到流線不能清楚分辨，會出現(xiàn)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(jù)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(tǒng)稱為粘性流體或?qū)嶋H流體。對于*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(jìn)理想流體的概念是有實際意義的。因為，粘性的問題十分復(fù)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(guī)律后再考慮粘性的影響進(jìn)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(dāng)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。