流體力學(xué)知識(shí).ppt

2020 1 21 1 基礎(chǔ)篇 第一章流體力學(xué)基本知識(shí) 2020 1 21 2 一 流體的概念液體和氣體易于流動(dòng) 統(tǒng)稱為流體 二 流體力學(xué)的概念研究流體平衡與運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué) 2020 1 21 3 三 流體的主要物理性質(zhì)1 密度及比容 物體單位容積所具有的質(zhì)量稱為密度 而密度的倒數(shù)即單位質(zhì)量的容積稱為比容 2020 1 21 4 2 容重或重度物體單位容積的重量 2020 1 21 5 3 流體的壓縮性及膨脹性1 壓縮性 流體的容積與壓強(qiáng)的變化成反比的性質(zhì)2 膨脹性 容積與溫度變化成比例的性質(zhì) 2020 1 21 6 液體的壓縮性及膨脹性很小 在很多工程技術(shù)常忽略不計(jì) 對工程計(jì)算誤差影響甚小 但在熱水工程中為了保證運(yùn)行安全 還是應(yīng)考慮其膨脹性 如在熱水工程中設(shè)膨脹水箱 安全閥等 2020 1 21 7 氣體具有顯著的壓縮性和膨膿性 其容重 壓強(qiáng)和熱力學(xué)溫度三者的關(guān)系如下式 對于流速較低的氣體 在壓強(qiáng)及溫度變化不大時(shí) 其容重的變化也比較小 在一般工程應(yīng)用中可視為常數(shù) 2020 1 21 8 4 易流性流體的形狀隨容器形狀的不同而改變 這是由于流體不能承受剪力所形成的 這種性質(zhì)稱為易流性 液體在重力作用下 由高處向低處流 易流性是改變液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素 2020 1 21 9 5 粘滯性流體在運(yùn)動(dòng)中 由于分子問的動(dòng)量交換和分子間的作用力會(huì)引起內(nèi)摩擦阻力 這種性質(zhì)稱為流體的粘滯性 粘滯性的大小隨流體的種類及所處的外界條件而不同 例如流體中的水與重油 溫度的高低都影響其粘滯性的變化 牛頓試驗(yàn)研究提出與粘滯性有關(guān)的內(nèi)摩擦定律為 2020 1 21 10 2020 1 21 11 2020 1 21 12 四 計(jì)量單位1 國際單位1 基本單位 長度 質(zhì)量 時(shí)間 熱力學(xué)溫度 物質(zhì)的量 電流和發(fā)光強(qiáng)度7種物理量的單位 其中與流體力學(xué)及傳熱學(xué)有關(guān)的是前5種相應(yīng)的單位名稱和符號(hào)為米 m 千克 kg 秒 s 開爾文 k 摩 爾 mol 2020 1 21 13 2 導(dǎo)出量和導(dǎo)出單位均以基本量和基本單位表示 如速度為m s 密度為kg m3 耗熱量為w等 2020 1 21 14 2 工程單位1 基本單位工程單位以力 kg 長度 m 及時(shí)間 s 三個(gè)物理量為基本量其他的物理單位均以基本量表示如密度為kg m3 速度為m s 容重為kg m3 壓強(qiáng)為kg cm2及熱量 cal 等 2020 1 21 15 第二章流體靜力學(xué) 一 流體靜力學(xué)概念研究流體靜止或平衡時(shí)的力學(xué)規(guī)律及其工程應(yīng)用的科學(xué) 由于靜止流體無相對速度 不呈現(xiàn)粘滯性 不存在切力 也不能承受拉力 故其所受的力只能是壓力 2020 1 21 16 二 壓強(qiáng)在靜水中 取一微小面積 w 其上作用靜水壓力 P 則面積上的平均壓強(qiáng) 2020 1 21 17 2020 1 21 18 三 靜止流體壓強(qiáng)的兩個(gè)特性 1 靜止壓強(qiáng)的方向必然沿著作用面的內(nèi)法線方向 即垂直指向作用面 這是因?yàn)殪o止流體內(nèi)的應(yīng)力只能是壓應(yīng)力 2 流體中任一點(diǎn)靜水壓強(qiáng)的大小與作用的方向無關(guān) 換言之 一點(diǎn)上各個(gè)方向的壓強(qiáng)均相等 這是因?yàn)殪o止流體中某一點(diǎn)受四面八方的壓應(yīng)力而達(dá)到平衡 2020 1 21 19 四 流體靜力學(xué)基本方程 2020 1 21 20 2020 1 21 21 第三章流體動(dòng)力學(xué) 一 動(dòng)力學(xué)的基本原理流體動(dòng)力學(xué)是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué) 在流體靜力學(xué)中 壓強(qiáng)只與水深有關(guān) 或者說與所處空間位置有關(guān)在流體動(dòng)力學(xué)中 壓強(qiáng)還與運(yùn)動(dòng)情況有關(guān) 2020 1 21 22 二 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)是由無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)所組成的 且各質(zhì)點(diǎn)之間都有力相互作用 質(zhì)點(diǎn)上的力和其本身的運(yùn)動(dòng)存在一定的規(guī)律性 找到其原因 就可以解決運(yùn)動(dòng)中的問題 下邊介紹流體運(yùn)動(dòng)中的幾個(gè)基本概念 2020 1 21 23 1 流線液流中同一瞬間由許多質(zhì)點(diǎn)組成的曲線 該曲線上任一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的流速方向 它形象地描繪了該瞬時(shí)整個(gè)液流的流動(dòng)情況 圖3 1 2020 1 21 24 2 流管在液流中取一封閉垂直于流向的平面 在其中劃出權(quán)微小面積 則其周邊上各點(diǎn)的流線構(gòu)成流管3 流束流管內(nèi)流線的總和4 股流充滿流管內(nèi)的流體 2020 1 21 25 5 過流斷面在股流上垂直于所有流線的截面 其形狀隨流線形狀而定 可能是平面或曲面 6 元流與總流過流斷面為無限小時(shí)的流束稱為元流過流斷面為有限大時(shí)的流束稱為總流 2020 1 21 26 三 流體運(yùn)動(dòng)的分類流體運(yùn)動(dòng)受其物性和邊界條件的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況 常根據(jù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對其進(jìn)行分類 2020 1 21 27 1 根據(jù)流動(dòng)要素 流速與壓強(qiáng) 與流行時(shí)間分類1 恒定流流場內(nèi)任一點(diǎn)的流速與壓強(qiáng)不隨時(shí)間變化 而僅與所處位置有關(guān)的流體流動(dòng)稱為恒定流 在這種流動(dòng)中 流線與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡相重合 2 非恒定流運(yùn)動(dòng)流體各質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)要素隨時(shí)間而改變的運(yùn)動(dòng)則稱為非恒定流 水位隨水的放出而不斷改變的水流運(yùn)動(dòng) 非恒定流的情況較復(fù)雜 以后一般問題多為恒定流的 2020 1 21 28 2 根據(jù)流體流速變化分類1 均勻流流體流速的大小和方向沿流線不變的水流稱為均勻流 這種穩(wěn)定流動(dòng)的流線為相互平行的直線 在輸送流體的等管徑管道內(nèi)的液流即屬于均勻流 2 非均勻流流體過流斷面沿程改變或流動(dòng)方向變化 會(huì)使同一流線上的各點(diǎn)流速大小和方向發(fā)生變化 這種流動(dòng)稱為非均勻流 在管道上擴(kuò)大或縮小處的水流運(yùn)動(dòng)即為非均勻流 在非均勻流中 若流線幾乎是平行的且接近直線對稱為漸變流 過流斷面可認(rèn)為是平面 不能滿足漸變流條件的非均勻流即為急變流 2020 1 21 29 3 按液流運(yùn)動(dòng)接觸的壁面情況分類1 有壓流流體過流斷面的周界為壁面包圍 沒有自由面為有壓流或壓力流 般供水 供熱管道均為壓力流 2 無壓流流體過流斷面的壁和底均為壁面包圍 但有自由面者稱為無壓流或重力流 如河流 明渠等 3 射流不受壁面約束的液流 如噴泉 消火桂等噴射的水柱 2020 1 21 30 四 流體流動(dòng)的因索1 過流斷面流體流過通道的斷面積稱為過流斷面 單位為m2 在均勻流 過流斷面為一平面 2020 1 21 31 2 平均流速在不能壓縮及無粘滯性的理想均勻流中 流速是不變的 但在實(shí)際工程中 流體與流道壁間存在著摩阻力 過流斷面上各點(diǎn)的流速是不等的 靠近壁處阻力大 流速小 近中心處流速大 圖3 2 2020 1 21 32 為計(jì)算方便 常取過流斷面上的平均流速 2020 1 21 33 3 流量 2020 1 21 34 五 流體運(yùn)動(dòng)的基本方程1 連續(xù)性方程 2020 1 21 35 2 能量方程 2020 1 21 36 2020 1 21 37 2020 1 21 38 2020 1 21 39 2020 1 21 40 第四章流體流動(dòng)阻力 流體具有不同的粘滯性 在流動(dòng)中為了克服阻力而消耗的能量稱為阻力損失 阻力損失值視流體的流行形態(tài)而不同 因此計(jì)算流體的阻力損失 應(yīng)了解水流的形態(tài) 2020 1 21 41 一 流體的流動(dòng)形態(tài)流體在流動(dòng)中 由于流速不同而呈現(xiàn)出兩種不同的流動(dòng)形態(tài) 層流和紊流 1 層流與紊流 在一端裝有閥門的長玻璃管中充滿水 稍開啟閥門放水 并由小管注入有顏色水流 則可見管內(nèi)顏色水成一穩(wěn)定細(xì)梳 這種流型稱為層流 當(dāng)閥門開大 水流速增加時(shí) 管中有色線產(chǎn)生振蕩被動(dòng) 再開大閥門到一定程度 流速增大 水流中色線摻混紊亂 此時(shí)稱為紊流 2020 1 21 42 2 雷諾數(shù)英國物理學(xué)家雷諾曾作過試驗(yàn)并得到判斷流型的計(jì)算式 稱為雷諾公式 2020 1 21 43 2020 1 21 44 3 沿程損失和局部損失1 沿程損失流體流動(dòng)中為克服摩擦阻力而損耗的能量稱為沿程損失 沿程阻力損失與長度 粗糙度及流速的平方成正比 而與管徑成反比 通常采用達(dá)西一維斯巴赫公式計(jì)算 2020 1 21 45 2 局部損失流體運(yùn)動(dòng)過程中 通過斷面變化處 轉(zhuǎn)向處 分支或其他使流體流動(dòng)情況改變時(shí) 均能引起能量損失 這種由局部變化引起的阻力損失稱為局部損失 計(jì)算公式為 2020 1 21 46 3 管道總阻力 2020 1 21 47 第五章傳熱學(xué)基礎(chǔ) 傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué) 凡是有溫差處 就有熱量從高溫物體傳向低溫物體 在自然界和生產(chǎn)技術(shù)中 傳熱是一種普遍現(xiàn)象 2020 1 21 48 一 傳熱的分類根據(jù)物體溫度與時(shí)間的變化關(guān)系1 穩(wěn)定熱傳遞物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變的熱傳遞過程2 非穩(wěn)定熱傳遞物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變的 以后討論的多為穩(wěn)定熱傳遞過程 2020 1 21 49 二 基本概念1 壓力2 熱熱是由物體外界溫度不同 通過邊界而傳遞的能量 是物體間 內(nèi) 通過分子運(yùn)動(dòng)相傳遞的能量 給物體加熱 實(shí)際就是增加使物體分子運(yùn)動(dòng)的能量 物體的溫度就將升高 反之使物體散熱減小分子運(yùn)動(dòng)的能量 物體溫度降低 2020 1 21 50 3 溫度 2020 1 21 51 4 熱膨脹 物體受熱 溫度升高 長度增長 體積增大 這種因?yàn)闇囟仍黾佣洿蟮默F(xiàn)象稱熱膨脹 這是物質(zhì)內(nèi)能增加使分子間隔增大的結(jié)果線膨脹指溫度增加后在長度方向的增長 線膨脹系數(shù) 體積膨脹系數(shù) 將上述公式中的L改為V 2020 1 21 52 5 比容或比熱 2020 1 21 53 三 傳熱方式 物體的傳熱方式可分為三種導(dǎo)熱對流輻射 2020 1 21 54 1 導(dǎo)熱由于物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)而將熱量由高溫部傳遞到低溫部 這種熱傳遞過程稱為導(dǎo)熱過程 2020 1 21 55 2 對流兩種概念 1 流體各部分之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞方式 對流發(fā)生在流體內(nèi)部 2 工程上常遇到的情況是流動(dòng)著的流體與其溫度不同的固體壁面接觸時(shí)的熱交換運(yùn)動(dòng) 這種換熱也稱為對流換熱 我們主要研究的對象 如果流體是在外力 如風(fēng)機(jī) 水泵的作用下運(yùn)動(dòng) 這種對流換熱稱為強(qiáng)制對流換熱 如果沒有外力作用 僅由部分流體受熱膨脹 密度減小產(chǎn)生浮力流動(dòng)換熱稱為自然對流換熱 2020 1 21 56 對流換熱的計(jì)算可采用牛頓換熱式 2020 1 21 57 3 熱輻射物體通過電磁波來傳遞熱能量的方式稱熱輻射 它與導(dǎo)熱和對流換熱不同 熱輻射不需中間媒介物質(zhì) 故可在真空中進(jìn)行 黑體的輻射能在同溫度物體中為最大 黑體單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量與其絕對溫度 2020 1 21 58 四 熱媒的性質(zhì) 最常用的熱媒是水 蒸汽及熱空氣1 水水在傳熱學(xué)中的有關(guān)性質(zhì)如下 1 水的壓縮性及膨脹性 水的壓縮性很小 一般情況下可視為不可壓縮體 但其膨脹卻不可忽視 水的體膨脹系數(shù)約為0 0006 若不考慮加熱后的體積膨脹 則將脹破加熱設(shè)備 此外 0度的水結(jié)冰 體積將增大約11 會(huì)產(chǎn)生巨大脹力 對自然界物質(zhì)及生活生產(chǎn)都有極大的影響 2020 1 21 59 2020 1 21 60 2020 1 21 61 2 蒸汽 2020 1 21 62 可以用為加熱其他物體 如熱交換器的熱媒體 2 過熱蒸汽 將飽和蒸汽再加熱 溫度即升高 壓力也增大 這種蒸汽為過熱蒸汽 低壓蒸汽 一般壓力小于70kPa 高壓蒸汽 壓力大于70kPa的蒸汽 適用于作動(dòng)力源 一般不作熱源 2020 1 21 63 2 蒸汽的性質(zhì) 1 汽化熱或潛熱 飽和水再加熱即轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽 需要吸取的汽化熱2260J kg 凝結(jié)為飽和水時(shí)放出同樣的熱量是加熱水或暖房時(shí)所需的主要熱量來源 2020 1 21 64 2 蒸汽的比熱容 蒸汽的比熱容較熱水大得多 如在相對壓力為0時(shí) 其比熱容較飽和水大1700倍 因此 在計(jì)算供熱管道系統(tǒng)中 蒸汽的流速也可高得多 而不會(huì)有過大的阻力損失 同時(shí) 由于比熱容大 密度小 在高層建筑供熱時(shí) 也不會(huì)產(chǎn)生很大的靜壓力 2020 1 21 65 3 狀態(tài)參數(shù)蒸汽的狀態(tài)參數(shù)是表現(xiàn)其在熱力特性方面的物理量 這些參數(shù)有溫度 比熱容或密度 壓力 汽化熱等 蒸汽在鍋爐中產(chǎn)生后 由蒸汽壓力沿輸送管道系統(tǒng)克服阻力 減小壓力 散放熱量 降低溫度 過熱蒸汽漸成為飽和蒸汽 飽和凝結(jié)水 在這些變化中 蒸汽狀態(tài)參數(shù)隨之變化 2020 1 21 66 2020 1 21 67 4 熱隋性蒸汽供熱系統(tǒng)的熱隋性較小 蒸汽供汽時(shí) 熱得很快 且散熱設(shè)備的表面溫度也較高 停止供汽時(shí) 冷得也快 特別適合于間歇供熱的處所 2020 1 21 68 3 空氣 1 成分 氮?dú)?氧氣及少量的二氧化碳和其他氣體 還含有或多或