[科普中國]-空氣黏度

氣體的黏性

粘性是真實流體的一個重要輸運性質(zhì)，定義為流體在經(jīng)受切向（剪切）力時發(fā)生形變以反抗外加剪切力的能力，這種反抗能力只在運動流體相鄰流層間存在相對運動時才表現(xiàn)出來。為了理解這一概念，我們用一個能突出表現(xiàn)空氣粘性的實例來說明。如圖1-1所示，將一個無限薄的平板放置在風(fēng)洞中，板面平行于氣流方向，圖中給出了用風(fēng)速儀測量的平板附近沿法線方向上的氣流速度分布?？梢钥闯?，在板面上氣流速度為零，越向外速度越大，且直到離開板面一定距離δ處，速度才與來流速度沒有顯著差別。平板附近的這種速度分布正是空氣的粘性造成的，粘性使平板上的流體層完全貼附在靜止的板面上，這種與板面完全沒有相對速度的情況稱為無滑移條件（no-slip condition）。稍外的一層空氣受到氣體層與氣體層之間的摩擦作用，被板面上的那層靜止空氣所牽制，其速度也是下降到了接近于零，但由于它已離開板面一個極小的距離，速度比零要稍大些。粘性的牽制作用就這樣一層一層的向外傳遞，因此，離開板面越遠(yuǎn)，氣流速度越大。從速度的梯度變化來說，越靠近平板板面，速度梯度越大，隨著離開板面距離的增加速度梯度逐漸減小。

從分子運動論的觀點看，可以認(rèn)為粘性是由于具有不同速度的相鄰流體層之間的分子交換而產(chǎn)生的動量遷移的結(jié)果，是分子熱運動引起的動量輸運。

定義空氣黏度，又稱空氣動力黏度，舊稱黏性系數(shù)。表征空氣黏性的一個物理量。是分子自由層碰撞抵制剪切變形的能力。1

牛頓經(jīng)過長期的試驗研究，于1686年確定了流體黏性內(nèi)摩擦定律，指出不同流速的流體層間的摩擦力的大小與流體的動力黏性系數(shù)有直接的關(guān)系，即:

其中是速度梯度，是單位面積上的摩擦力。

該定義式指出了動力黏性系數(shù)的物理意義:當(dāng)流體的運動速度梯度為1時，層間單位面積上的黏性摩擦力:就是動力粘性系數(shù)。因為它包含了動力學(xué)單位，所以也被成為動力粘性系數(shù)。動力粘性系數(shù)是流體的一種屬性，表征流體粘性的大小。動力粘性系數(shù)的大小與流體的種類和溫度關(guān)系密切。流體種類不同則粘性不同;同一種流體的粘性隨溫度的不同也有很人的差別一般地，液體的粘性隨溫度升高而降低，氣體的粘性隨溫度升高而增加。

當(dāng)流體確定為空氣時，則表現(xiàn)為空氣動力粘度，上述公式依然適用。

運動黏性系數(shù)工程計算中經(jīng)常要涉及到黏性的概念，流體的粘性大小一般用黏性系數(shù)來衡量。黏性系數(shù)通常有動力黏性系數(shù)和運動黏性系數(shù)之分，無論從概念上和意義上兩者都有著本質(zhì)的區(qū)別，對不同流體之間粘性的大小進(jìn)行比較時，只能使用動力粘性系數(shù)的數(shù)值，不應(yīng)當(dāng)因為兩者都稱為“粘性系數(shù)”而任意選用，否則可能會造成錯誤的結(jié)論在一些文章甚至教科書中有時會見到將兩者混淆、隨意引用進(jìn)行流體進(jìn)行粘性大小比較的情況。

工程計算中還會經(jīng)常引用另一粘性系數(shù)—運動粘性系數(shù)。運動粘性系數(shù)與動力粘性系數(shù)絕然不同，它沒有任何物理意義，只是人為地將其定義為動力粘性系數(shù)與流體密度的比值。

在國際單位制中其單位為，因為包含了運動學(xué)單位，所以被稱為運動粘性系數(shù)運動粘性系數(shù)只能用來比較同一種流體在不同溫度下粘性的相對大小，它不代表粘性的絕對值，更不能用它進(jìn)行不同種類流體間粘性大小的比較，尤其是對密度相差較大的不同流體，否則就會得出相反的結(jié)論。

動力粘性系數(shù)還因為它代表了兩個物理參數(shù)的比值，可以簡化很多含有該比值的計算公式。關(guān)于流體的技術(shù)手冊中一般都可查到運動粘性系數(shù)的數(shù)值，使工程計算得以簡化。2