流體力學(xué)基本知識(shí)ppt課件

第一章流體力學(xué)基本知識(shí) 第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜壓強(qiáng)及其分布規(guī)律第三節(jié)流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)第四節(jié)流動(dòng)阻力和水頭損失第五節(jié)孔口 管嘴出流及兩相流體簡(jiǎn)介 第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì) 一 密度和容重密度 對(duì)于均質(zhì)流體 單位體積的質(zhì)量稱為流體的密度 容重 對(duì)于均質(zhì)流體 單位體積的重量稱為流體的容重 二 流體的黏滯性粘滯性 相鄰流層An An 1之間u不同 必然存在有相對(duì)運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)致摩擦力的產(chǎn)生 流體內(nèi)部之間的摩擦力稱內(nèi)摩擦力 稱粘滯力 流體在粘滯力作用下 具有抵抗流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的能力 稱粘滯性 影響流體黏滯性的因素 壓力的變化對(duì)流體的動(dòng)力粘度 的影響很小 溫度對(duì) 的影響很顯著 1 溫度升高 液體的粘度減小 因?yàn)門上升 液體的內(nèi)聚力變小 分子間吸引力減小 2 溫度升高 氣體的粘度增大 氣體的內(nèi)聚力很小 它的粘滯性主要是分子間動(dòng)量交換的結(jié)果 當(dāng)T上升 作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的相鄰流層間的分子的動(dòng)量交換加劇 使得氣體的粘度增大 三 流體的壓縮性和熱脹性 壓縮性 流體壓強(qiáng)增大體積縮小的性質(zhì) 不可壓縮流體 壓縮性可以忽略不計(jì)的流體 可壓縮流體 壓縮性不可以不計(jì)的流體 熱脹性 流體溫度升高體積膨脹的性質(zhì) 液體的熱脹性很小 在計(jì)算中可不考慮 熱水循環(huán)系統(tǒng)除外 氣體的熱脹性不能忽略 建筑設(shè)備工程中的水 氣流體 可以認(rèn)為是易于流動(dòng) 具有粘滯性 不可壓縮的流體 第二節(jié)流體靜壓強(qiáng)及其分布規(guī)律 流體靜止是運(yùn)動(dòng)中的一種特殊狀態(tài) 由于流體靜止時(shí)不顯示其黏滯性 不存在切向應(yīng)力 同時(shí)認(rèn)為流體也不能承受拉力 不存在由于粘滯性所產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力學(xué)性質(zhì) 因此 流體靜力學(xué)的中心問(wèn)題是研究流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律 一 流體靜壓強(qiáng)及其特性 表面壓強(qiáng)為 p p 1 6 點(diǎn)壓強(qiáng)為 limp dp d Pa 點(diǎn)壓強(qiáng)就是靜壓強(qiáng) 1 流體靜壓強(qiáng)的方向必定沿著作用面的內(nèi)法線方向 2 任意點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)只有一個(gè)值 它不因作用面方位的改變而改變 流體靜壓強(qiáng)的兩個(gè)特征 二 流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律 在靜止液體中任取一點(diǎn)A點(diǎn)在自由表面下的水深h 自由表面壓強(qiáng)為p0 設(shè)A點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)為p 通過(guò)A點(diǎn)取底面積為 高為h 上表面與自由面相重合的鉛直小圓柱體 研究其軸向力的平衡 此時(shí)作用下軸向的外力有 上表面壓力P0 p0 方向鉛直向下 圖中未繪出 柱體側(cè)面積的靜水壓力 方向與軸向垂直 圖中未繪出 在軸向投影為零 此鉛直圓柱體處于靜止?fàn)顟B(tài) 故其軸向力平衡為 化簡(jiǎn)后得 p p0 h 1 8 式中p 靜止液體中任意點(diǎn)的壓強(qiáng) kN m2或kPa p0 表面壓強(qiáng) kN m2或kPa 液體的容重 kN m3 h 所研究點(diǎn)在自由表面下的深度 m 上式是靜水壓強(qiáng)基本方程式 又稱為靜水力學(xué)基本方程式 式中 和p0都是常數(shù) 方程表示靜水壓強(qiáng)與水深成正比的直線分布規(guī)律 方程式還表明 作用于液面上的表面壓強(qiáng)p0是等值地傳遞到靜止液體中每一點(diǎn)上 方程也適用于靜止氣體壓強(qiáng)的計(jì)算 只是式中的氣體容重很小 因此 在高差h不大的情況下 可忽略項(xiàng) 則p p0 例如研究氣體作用在鍋爐壁上的靜壓強(qiáng)時(shí) 可以認(rèn)為氣體空間各點(diǎn)的靜壓強(qiáng)相等 等壓面 流體中壓強(qiáng)相等的各點(diǎn)所組成的面為等壓面 壓強(qiáng)的度量基準(zhǔn) 1 絕對(duì)壓強(qiáng) 是以完全真空為零點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng) 用PA表示 2 相對(duì)壓強(qiáng) 是以大氣壓強(qiáng)為零點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng) 用P表示 相對(duì)壓強(qiáng)與絕對(duì)壓強(qiáng)的關(guān)系為 P PA Pa 1 9 第三節(jié)流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí) 一 壓力流與無(wú)壓流1 壓力流 流體在壓差作用下流動(dòng)時(shí) 流體整個(gè)周圍都和固體壁相接觸 沒(méi)有自由表面 2 無(wú)壓流 液體在重力作用下流動(dòng)時(shí) 液體的部分周界與固體壁相接觸 部分周界與氣體接觸 形成自由表面 一 流體運(yùn)動(dòng)的基本概念 三 流線與跡線1 流線 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 在流速場(chǎng)中畫出某時(shí)刻的這樣的一條空間曲線 它上面所有流體質(zhì)點(diǎn)在該時(shí)刻的流速矢量都與這條曲線相切 這條曲線就稱為該時(shí)刻的一條流線 2 跡線 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 流體中某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡稱為跡線 流線與跡線是兩個(gè)完全不同的概念 非恒定流時(shí)流線與跡線不相重合 在恒定流時(shí)流線與跡線相重合 二 恒定流與非恒定流1 恒定流 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 流體中任一位置的壓強(qiáng) 流速等運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化的流動(dòng)稱為恒定流動(dòng) 2 非恒定流 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 流體中任一位置的運(yùn)動(dòng)要素如壓強(qiáng) 流速等隨時(shí)間變化而變動(dòng)的流動(dòng)稱為非恒定流 自然界中都是非恒定流 工程中可以取為恒定流 四 均勻流與非均勻流1 均勻流 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 流線是平行直線的流動(dòng)稱為均勻流 如等截面長(zhǎng)直管中的流動(dòng) 2 非均勻流 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 流線不是平行直線的流動(dòng)稱為非均勻流 如流體在收縮管 擴(kuò)大管或彎管中流動(dòng)等 它又可分為 1 漸變流 流體運(yùn)動(dòng)中流線接近于平行線的流動(dòng)稱為漸變流 2 急變流 流體運(yùn)動(dòng)中流線不能視為平行直線的流動(dòng)稱為急變流 五 元流 總流 過(guò)流斷面 流量與斷面平均流速 1 元流 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 在流體中取一微小面積d 并在d 面積上各點(diǎn)引出流線并形成了一股流束稱為元流 在元流內(nèi)的流體不會(huì)流到元流外面 在元流外面的流體亦不會(huì)流進(jìn)元流中去 由于d 很小 可以認(rèn)為d 上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素 壓強(qiáng)與流速 相等 2 總流 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 無(wú)數(shù)元流的總和稱為總流 3 過(guò)流斷面 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 與元流或總流全部流線正交的橫斷面稱為過(guò)流斷面 用d 或 表示 單位為m2或cm2 均勻流的過(guò)流斷面為平面 漸變流的過(guò)流斷面可視為平面 非均勻流的過(guò)流斷面為曲面 4 流量 流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)流斷面流體體積稱為體積流量 用符號(hào)Q表示 單位是m3 s或L s 5 斷面平均流速 流體流動(dòng)時(shí) 斷面各點(diǎn)流速一般不易確定 當(dāng)工程中又無(wú)必要確定時(shí) 可采用斷面平均流速 v 簡(jiǎn)化流動(dòng) 斷面平均流速為斷面上各點(diǎn)流速的平均值 二 恒定流的連續(xù)性方程 壓縮流體容重不變 即體積流量相等 流進(jìn)A1斷面的流量等于流出A2斷面的流量 三 恒定總流能量方程 一 恒定總流實(shí)際液體的能量方程 1 13 Z1 Z2 斷面中心對(duì)基準(zhǔn)面的位置高程 位置水頭 即 單位重量液體具有的位能 p1 r p2 r 測(cè)壓管高度 壓強(qiáng)水頭 即 單位重量液體具有的壓能 流速水頭 即 單位重量液體具有的動(dòng)能 hw1 2是流體流動(dòng)過(guò)程中從斷面1 1到2 2之間阻力所作的負(fù)功 單位重量液體產(chǎn)生的能量損失 稱為水頭損失 三者之和為斷面的單位重量液體具有的機(jī)械能 二 實(shí)際氣體恒定總流的能量方程對(duì)于不可壓縮氣體 液體能量方程同樣適用 由于氣體密度很小 式中重力做功可忽略不計(jì) 對(duì)一般通風(fēng)管道中 過(guò)流斷面上的流速分布比較均勻 動(dòng)能修正系數(shù)可采用a 1 這樣 實(shí)際氣體總流的能量方程式為或者寫為實(shí)際氣體總流的能量方程與液體總流的能量方程比較 除各項(xiàng)單位以壓強(qiáng)來(lái)表達(dá)氣體單位體積平均能量外 對(duì)應(yīng)項(xiàng)意義基本相近 第四節(jié)流動(dòng)阻力和水頭損失 一 流動(dòng)阻力和水頭損失的兩種形式 一 沿程阻力和沿程水頭損失流體在長(zhǎng)直管 或明渠 中流動(dòng) 所受的摩擦阻力稱為沿程阻力 為了克服沿程阻力而消耗的單位重量流體的機(jī)械能量 稱為沿程水頭損失hf 二 局部阻力和局部水頭損失流體的邊界在局部地區(qū)發(fā)生急劇變化時(shí) 迫使主流脫離邊壁而形成漩渦 流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生劇烈地碰撞 所形成的阻力稱局部阻力 為了克服局部阻力而消耗的重力密度流體的機(jī)械能量稱為局部水頭損失hj 二 流動(dòng)的兩種形態(tài) 層流和紊流流體在流動(dòng)過(guò)程中 呈現(xiàn)出兩種不同的流動(dòng)形態(tài) 當(dāng)液體流速較低時(shí) 呈現(xiàn)為成層成束的流動(dòng) 各流層見并無(wú)質(zhì)點(diǎn)的摻混現(xiàn)象 這種流態(tài)就是層流 加大流速到一定程度 質(zhì)點(diǎn)或液團(tuán)相互混摻 流速愈大 混摻程度愈烈 這種流態(tài)就成為紊流 判斷流動(dòng)形態(tài) 雷諾氏用無(wú)因次量綱 雷諾數(shù)Re來(lái)判別 1 17 式中Re 雷諾數(shù) v 圓管中流體的平均流速 m s cm s d 圓管的管徑 m cm v 流體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù) 其值可由表查得 m2 s 對(duì)于圓管的有壓管流 若Re2000時(shí) 流體為紊流型態(tài) 對(duì)于明渠流 通常以水力半徑R代替公式中的d 于是明渠中的雷諾數(shù)為 Re 1 18 因?yàn)樗Π霃?其中 是過(guò)流斷面積 x是濕周 為流動(dòng)的流體同固體邊壁在過(guò)流斷面上接觸的周邊長(zhǎng)度 若Re500時(shí) 明渠流為紊流型態(tài) 在建筑設(shè)備工程中 絕大多數(shù)的流體運(yùn)動(dòng)都處于紊流型態(tài) 只有在流速很小 管徑很小或粘滯性很大的流體運(yùn)動(dòng)時(shí) 如地下水滲流 油管等 才可能發(fā)生層流運(yùn)動(dòng) 四 沿程阻力系數(shù) 和流速系數(shù)C的確定沿程阻力系數(shù) 是反映邊界粗糙情況和流態(tài)對(duì)水頭損失影響的一個(gè)系數(shù) 1933年尼古拉茲表發(fā)表了其反映圓管流運(yùn)情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 得出了一些結(jié)論 1 層流區(qū)2 層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^(guò)渡區(qū)3 紊流區(qū) 一 沿程阻力系數(shù) 的經(jīng)驗(yàn)公式1 水力光滑區(qū)2 水力過(guò)渡區(qū)3 粗糙管區(qū) 二 流速系數(shù)C經(jīng)驗(yàn)公式 1 曼寧公式 2 海澄 威廉公式 五 局部水頭損失在實(shí)際水力計(jì)算中 局部水頭損失可以采用流速水頭乘以局部阻力系數(shù)后得到 即hj 1 35 式中