粘性A. 粘性系数(粘度)的定义
粘性的大小用粘性系数(即粘度) 来表示。牛顿粘性定律(见牛顿流体)指出,在纯剪切流动中,流体两层间的剪应力 可以表示为:
,
式中 为沿y方向(与流体速度方向垂直)的速度梯度,又称剪切变形速率; 为比例常数,即粘性系数,它等于速度梯度为一个单位时,流体在单位面积上受到的切向力数值。
在通常采用的厘米·克·秒制中,粘性系数的单位是泊(Poise)。
国际单位制用帕·秒(1泊=1达因·秒/厘米2=10-1帕·秒),它的量纲为ML-1T-1。对于多数流体,常用的单位是厘泊(10-3帕·秒)。
粘性B. 常见流体的粘性系数
不同流体有不同的粘性系数。少数液体(如甘油)的粘性系数可以达到15泊;橄榄油的粘性系数接近于1泊。在20℃时,水的粘性系数为1.0087厘泊。气体的粘性系数从氩的2.1×10-4泊到氢的0.8×10-4泊,它们的数量级都是10-4泊。
粘性C. 粘性系数的计算
粘性系数 显著地依赖于温度,但很少随压力发生变化,它与温度的关系对于液体和气体来说是截然不同的。对于液体来说,随着温度升高,粘性系数 下降;对于气体而言,随着温度升高,粘性系数随之上升。
对于气体,粘性系数M和温度T的关系可表为萨瑟兰公式:
式中B≈110.4开; 为参考温度和参考粘性系数。此式在相当大的范围内(T<2000开)对空气是适用的。但由于上式较复杂,在实用上多采用幂次公式:
来近似真实的粘性关系。幂次n的变化范围是1/2≤n≤1,它依赖于气体的性质和所考虑的温度范围。在高温时,例如3000开以上,n可近似地取为1/2;在低温时可取为1。对于空气而言,在90开
它与萨瑟兰公式的误差不过5%。
对水而言,粘性系数和温度的关系可近似地写成:
(泊)。
对于一般的流体运动,假设:①运动流体的应力张量在运动停止后应趋于静止流体的应力张量;②偏应力张量 的各分量是局部速度梯度张量 各分量的线性齐次函数;③流体是各向同性的,由此可导出广义牛顿粘性定律(见牛顿流体):
式中, 、 分别为应力张量和变形速率张量;p压力函数; 为克罗内克符号; 为粘性系数; 为第二粘性系数,亦称膨胀粘性系数。对于不可压缩流体,由于 , 自动不出现,广义牛顿定律中只有一个粘性系数 。对于可压缩流体,一般也和胡克弹性体(见胡克定律)一样有两个粘性 及 。是量度由于流体的膨胀或收缩引起的内耗功大小的粘性系数。除了高温和高频声波这些极端情形外,对一般情形的气体运动可近似地认为 。这个在分子运动论里得到证明的事实。当年只是斯托克斯提出的一个假设。