建筑設(shè)備第1章 流體力學(xué)基本知識

1、建筑設(shè)備工程,建筑工程系,第一章 流體力學(xué)基本知識,本章介紹流體靜力學(xué)，流體動力學(xué)，流體運(yùn)動的基本知識，流體阻力和能量損失，通過本章的學(xué)習(xí)同學(xué)們可以對流體力學(xué)有一個(gè)大概的了解，但講到的內(nèi)容是很基礎(chǔ)的。詳細(xì)的內(nèi)容請參考流體力學(xué)和泵與風(fēng)機(jī),物質(zhì)的三種形態(tài)：固體、液體和氣體 流體力學(xué)：研究流體平衡和運(yùn)動的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué),連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 從微觀上講，流體是由大量的彼此之間有一定間隙的單個(gè)分子所組成，而且分子總是處于隨機(jī)運(yùn)動狀態(tài)。 從宏觀上講，流體視為由無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）組成的連續(xù)介質(zhì)。 所謂質(zhì)點(diǎn)，是指由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但卻遠(yuǎn)大于分子自由程。 這些質(zhì)點(diǎn)在流體內(nèi)部緊緊相

2、連，彼此間沒有間隙，即流體充滿所占空間，稱為連續(xù)介質(zhì)。,11流體的主要物理性質(zhì),一、密度和容重 質(zhì)量與密度質(zhì)量：表征慣性的物理量流體的質(zhì)量：常以密度來反映定義：對于均質(zhì)流體，單位體積的質(zhì)量稱為密度 ()數(shù)學(xué)表達(dá)式：,重力與容重物體受到地球引力的特性，稱為重力特征，常用容重來表征定義：對于均質(zhì)流體，作用于單位體積流體的重量稱為容重() 數(shù)學(xué)表達(dá)式：,容重與密度的關(guān)系： 密度和容重與壓力、溫度的關(guān)系 壓力升高 流體的密度和容重增加 溫度升高 流體的密度和容重減小,二、易流動性 流體不能承受拉力，靜止流體不能抵抗切力，但是流體能承受較大的壓力。 流體這種在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力和抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為

3、易流動性 。,8,三、流體的粘滯性 定義：流體流動時(shí)流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（切力）以阻礙相對運(yùn)動的性質(zhì)叫做粘滯性 。內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。 粘性是流動性的反面，流體的粘性越大，其流動性越小。,10,平板間液體速度變化,11,實(shí)際流體在管內(nèi)的速度分布,牛頓內(nèi)摩擦定律： F內(nèi)摩擦力,N; S摩擦流層的接觸面面積,m2；流層單位面積上的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力）,N/ m2；,du/dn流速梯度，沿垂直流速方向單位長度的流速增值； 與流體種類有關(guān)的系數(shù)，kg/ms， (動力粘滯系數(shù)) ； 粘滯性的大小用粘滯系數(shù)表達(dá)運(yùn)動粘滯系數(shù)()：,粘滯性與溫度、壓力的關(guān)系 粘滯性受溫度影響大，受壓力

4、影響小。 液體的粘滯性隨溫度的升高而降低。 氣體的粘滯性隨溫度的升高而增加。,四、流體的壓縮性和熱脹性 流體壓強(qiáng)增大，體積縮小的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。 流體溫度升高，體積膨脹的性質(zhì)，稱為流體的熱脹性。 1）液體壓縮性和膨脹性很小，引起工程誤差很小，可忽略不計(jì)。,2）氣體有顯著的壓縮性和膨脹性，t與P的變化對影響很大。 當(dāng)流體的溫度不過低，壓強(qiáng)不過高時(shí)，t、P、三者關(guān)系服從理想氣體狀態(tài)方程： 式中： P氣體的絕對壓強(qiáng)，N/m2； T氣體的絕對溫度，K； 氣體的密度，kg/m3；,R氣體常數(shù)，J/kg.K?？諝猓篟287；其他氣體：R8314/N，N為該氣體的分子量。 當(dāng)氣體v50m/s時(shí)，因的

5、變化1% ，密度可視作常數(shù)，這種氣體稱為不可壓縮氣體。 當(dāng)氣體v50m/s時(shí)，因的變化很大，密度不能視作常數(shù)，這種氣體稱為可壓縮氣體。,綜上所述：建筑設(shè)備工程中的水、氣流體，流速在大多情況下均較低，密度在流動過程中變化不大，密度可視為常數(shù)，一般將其認(rèn)為是一種易于流動的，具有粘滯性的和不可壓縮的流體。,12流體靜壓強(qiáng)及其分布規(guī)律,本節(jié)學(xué)習(xí)的目的： 學(xué)習(xí)和討論流體靜止（平衡）狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用。流體靜止時(shí)的特點(diǎn)：不顯示其粘滯性，不存在切向應(yīng)力。 流體靜止是運(yùn)動中的一種特殊狀態(tài)。流體靜力學(xué)研究的中心問題： 流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律。,一、流體靜壓強(qiáng)及其特性 1.靜壓強(qiáng)的概念： N/m2（帕/pa）

6、 處于相對靜止?fàn)顟B(tài)下的流體，由于本身的重力或其他外力的作用，在流體內(nèi)部及流體與容器壁面之間存在著垂直于接觸面的作用力，這種作用力稱為靜壓力。 單體面積上流體的靜壓力稱為流體的靜壓強(qiáng)。,2.流體靜壓強(qiáng)的特性：（1）流體靜壓強(qiáng)的方向與受壓面垂直并指向受壓面。（2）任意點(diǎn)的靜壓強(qiáng)的大小和受壓面的方向無關(guān)，或者說作用于同一點(diǎn)上各方向的靜壓強(qiáng)大小相等。,二、流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律 1.自由表面及等壓面 （1）自由表面是指液面與氣體的交界面。在重力作用下，靜止液面的自由面為水平面。敞口容器內(nèi)的液體的自由面上是大氣壓。 （2）流體中具有相同壓強(qiáng)各點(diǎn)所構(gòu)成的面稱為等壓面。靜止流體的自由面即為等壓面。其下相同深度

7、處所組成的面也是等壓面。 確定流體等壓面的方法，有三個(gè)條件： 必須在靜止?fàn)顟B(tài)；在同一種流體中；而且為連續(xù)液體。,2.分析靜止液體中壓強(qiáng)分布：,靜止液體中壓強(qiáng)分布,分析鉛直小圓柱體，作用于軸向的外力有：上表面壓力 下底面的靜水壓力 柱體重力,柱體側(cè)面積的靜水壓力其方向與軸向垂直，在軸向投影為零（相互抵消）。該鉛直小圓柱體處于靜止?fàn)顟B(tài)，其軸向力平衡 化簡,3.靜水壓強(qiáng)基本方程式： 特點(diǎn)： （1）方程表示靜水壓強(qiáng)與水深成正比的直線分布規(guī)律。 （2）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。 （3）對于氣體，由于很小，當(dāng)h 不大時(shí)，可忽略h 項(xiàng)，則p p0,水靜壓強(qiáng)分布圖,4. 靜壓

8、強(qiáng)的特性 靜壓強(qiáng)的方向性流體具有各個(gè)方向上的靜壓強(qiáng)。 流體內(nèi)部任意一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)的大小與其作用的方向無關(guān)。 流體的靜壓強(qiáng)僅與其高度或深度有關(guān)，而與容器的形狀及放置位置、方式無關(guān)。,三、壓強(qiáng)的兩種計(jì)算基準(zhǔn)絕對壓強(qiáng)： （pA ）以設(shè)想沒有大氣存在的絕對真空狀態(tài)作為零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng)。 相對壓強(qiáng)： （p ）以當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a作為零點(diǎn)計(jì)量的壓強(qiáng)。 絕對壓強(qiáng)和相對壓強(qiáng)的關(guān)系： pA p pa 或 p pA pa,P可正可負(fù) P為正值時(shí)： pA pa，稱為正壓（表壓，即壓力表讀數(shù)） P為負(fù)值時(shí)： pA pa，稱為負(fù)壓（真空度，即真空表讀數(shù)） 真空度pk pa pA P,31,絕對壓力、表壓與真空度的關(guān)系,32,四

9、、壓強(qiáng)的三種量度單位 從壓強(qiáng)的基本定義出發(fā)，用單位面積上的力表示：力/面積 國際單位：N/m2, 以符號Pa表示工程單位：kgf/m2或kgf/cm2 用大氣壓的倍數(shù)表示國際規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓： 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325KPa工程單位規(guī)定大氣壓： 1at1 kgf/cm2 98KN/m2 用液柱高度表示常用水柱高度或汞柱高度，單位：mH2O，mmH2O，mmHghp /,13 流體運(yùn)動的基本知識,主要內(nèi)容流體運(yùn)動的基本概念連續(xù)性方程能量方程 一、流體運(yùn)動的基本概念（一）壓力流與無壓流 1 .壓力流：流體在壓差作用下流動,流體整個(gè)周圍都和固體壁相接觸，沒有自由表面。例如：,2 .無壓流（重力流）：

10、液體在重力作用下流動，液體的部分周界與固體壁相接觸，部分周界與氣體相接觸，形成自由表面。例如： （二）恒定流與非恒定流 1 .恒定流： 流體運(yùn)動時(shí)，流體中任一位置的壓強(qiáng)、流速等運(yùn)動要素都不隨時(shí)間而變化的流動。如從水位不變的水箱中放水的水流運(yùn)動，如圖15（a）所示。,2 .非恒定流：流體運(yùn)動時(shí)，流體中任一位置的壓強(qiáng)、流速等運(yùn)動要素隨時(shí)間的變化而變動的流動。如水位隨水放出不斷改變的水流運(yùn)動，如圖15（b）所示。 自然界中都是非恒定流，建筑設(shè)備工程中取為恒定流。,恒定流與非恒定流,（三）流線與跡線： 1.流線:是流體中同一瞬間由許多質(zhì)點(diǎn)組成的曲線。在該曲線上所有各點(diǎn)的速度向量都與該曲線相切，如圖16

11、所示。它形象地描繪了該瞬間整個(gè)流體的流動情況。 2.跡線:流體運(yùn)動時(shí)，流體中某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動軌跡。,37,流線,流線的基本特性： 恒定流時(shí)，流線的形狀和位置不隨時(shí)間而變化。恒定流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的跡線與流線重合。 非恒定流時(shí)，流線的形狀和位置隨時(shí)間而變化。非恒定流時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的跡線與流線不相重合。,（四）均勻流與非均勻流： 1.均勻流：流體運(yùn)動時(shí)，流線是平行直線的流動稱為均勻流。 2.非均勻流：流體運(yùn)動時(shí)，流線不是平行直線的流動稱為非均勻流。 它又分為： （1）漸變流：流體運(yùn)動中流線接近于平行線的流動稱為漸變流。 （2）急變流：流體運(yùn)動中流線不能視為平行直線的流動稱為急變流。,

12、（五）元流、總流、過流斷面、流量與斷面平均流速： 1.元流：水流中一微小面積d上各點(diǎn)引出流線所形成的一個(gè)封閉管狀曲面。 2.總流：流體運(yùn)動時(shí)，無數(shù)元流的總和。3.過流斷面：與元流或總流的流線成正交的橫斷面。 單位時(shí)間內(nèi)通過過流斷面d的液體體積為ud dQ,42,元流與總流,過流斷面,4.流量：單位時(shí)間內(nèi)通過某一過流斷面的流體體積。一般流量指的是體積流量，單位是m3/s或L/s。 5.斷面平均流速：斷面上各點(diǎn)流速的平均值。 通過過流斷面的流量為,斷面平均流速為： 該關(guān)系式表達(dá)了流量（Q）、過流斷面（）和平均流速（v）三者之間的關(guān)系。,二、恒定流的連續(xù)性方程式1.如圖19所示，在恒定總流中任取一元

13、流，元流在11過流斷面上的面積為d1,流速為u1;在22過流斷面上的面積為d2,流速為u2。,應(yīng)用質(zhì)量守恒定律，在dt時(shí)段內(nèi)流入的質(zhì)量與流出的質(zhì)量相等： 1u1d1dt2u2d2dt 或 1u1d12u2d2 從元流推廣到總流，得：,由于過流斷面上密度為常數(shù)，以 代入上式，得： 1Q1 2 Q2 （113） Qv 11v 122v 2 （113a） （113）、 （113a） 質(zhì)量流量的連續(xù)性方程式。,2.g，同一地區(qū)重力加速度g相同。 1Q1 g2 Q2g 1Q1 2Q2 （114） 11v 122v 2 （114a） G1G2 （114b） （114）、 （114a）、 （114b）重量流

14、量的連續(xù)性方程式。,3 .當(dāng)流體不可壓縮時(shí)，流體的容重不變，上式得到： Q1 Q2 （115） 1v 12v 2 （115a） （115）、 （115a）體積流量的連續(xù)性方程式。 對可壓縮流體，可用（113）、（114）。,連續(xù)性方程,說明管道中總流是連續(xù)的，過流斷面與平均流速成反比，過流斷面大，流速??；過流斷面小，流速大；過流斷面不變，流速亦不變；連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的表達(dá)式。,三、恒定總流能量方程式應(yīng)用能量守恒及其轉(zhuǎn)化規(guī)律 （一）恒定總流實(shí)際液體的能量方程式 1738年荷蘭科學(xué)家達(dá).伯努利考慮液體的粘性影響，推導(dǎo)出了1-1和2-2斷面間流段實(shí)際液體恒定總流的能量方程，即伯努

15、里方程式：,z1、z2位置水頭，表示單位重量的位置勢能。 p1/、 p2/壓強(qiáng)水頭。P為相對壓強(qiáng)（靜壓）。 1v12/2g、 2v22/2g流速水頭（動壓）。 動能修正系數(shù)。 1.051.1, 常取1.0 h12水頭損失。（水從斷面11流向斷面22）,以上各項(xiàng)單位為長度，都可以在斷面上用鉛直線段在圖中表示出來。 H zp/ v2/2g H總水頭。 Hp zp/測壓管水頭。 將各斷面上的總水頭連成一條線，則此線稱為總水頭線，如圖116中虛線所示。總水頭線是沿流程下降的傾斜線。,將各斷面上的測壓管水頭連成一條線，則此線稱為測壓管水頭線，如圖116中實(shí)線所示。測壓管水頭線沿流程方向可能上升，也可能下

16、降。,（二）實(shí)際氣體恒定總流的能量方程式 對于不可壓縮氣體，由于氣體容重很小，重力做功忽略不計(jì)，z0； 一般通風(fēng)管道中，過流斷面流速分布比較均勻，1。 實(shí)際氣體總流的能量方程式為：,或： 式中： p 過流斷面相對壓強(qiáng)，工程上稱靜壓。 rv2/2g工程上稱動壓。 p rv2/2g過流斷面的靜壓與動壓之和，工程上稱全壓。 rh1-212兩過流斷面間壓強(qiáng)損失。,14 流動阻力和水頭損失,一、流動阻力和水頭損失的兩種形式： 當(dāng)流體沿管道流動時(shí)，存在沿程阻力損失和局部阻力損失。 任何一個(gè)建筑設(shè)備的管路系統(tǒng)都由許多串聯(lián)或并聯(lián)的計(jì)算管段組成。,（一）沿程阻力和沿程水頭損失 沿程阻力-流體在管段中流動時(shí)，管道

17、壁面對于流體會產(chǎn)生一個(gè)阻礙其運(yùn)動的摩擦阻力。 沿程水頭損失-流體流動中為克服摩擦阻力而損耗的能量稱為沿程水頭損失。（hf）,（二）局部阻力和局部水頭損失 局部阻力-流體運(yùn)動過程中通過斷面變化處、轉(zhuǎn)向處、分支或其他使流體流動情況發(fā)生改變時(shí)，都會有阻礙運(yùn)動的局部阻力產(chǎn)生。 局部阻力存在于什么地方？ 彎頭、閘門、突然擴(kuò)大、突然縮小、三通、四通。 局部水頭損失-為了克服局部阻力而消耗的單位重量流體的機(jī)械能量，稱為局部水頭損失（hj）。,（三）管路的總水頭損失（總阻力） 計(jì)算管段的水頭損失： hhfhj 流體在流動過程中的總損失等于各個(gè)管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有沿程損失和局部損失之和，即 h1-2 hfhj,

18、二、流動的兩種型態(tài)層流和紊流,1.層流：流體成層成束的流動，各流層間并無質(zhì)點(diǎn)的摻混現(xiàn)象。 2.紊流：液體的流速較大，質(zhì)點(diǎn)或液團(tuán)相互摻混的流體型態(tài)。 3.判斷流動型態(tài)：用雷諾數(shù)Re Revd/ Re2000 -紊流 建筑設(shè)備工程中，絕大多數(shù)為紊流型態(tài)。,三、沿程水頭損失 對于紊流型態(tài)，目前采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算沿程水頭損失。通常采用達(dá)西-維斯巴赫公式計(jì)算，即 式中：hf 沿程水頭損失，m; 沿程阻力系數(shù); l管長,m; d管徑，m; v管中平均流速，m/s。 其中， 為沿程阻力系數(shù)，它是反映邊界粗糙情況和流態(tài)對水頭損失影響的一個(gè)系數(shù)。,四、沿程（摩擦）阻力系數(shù) 尼古拉茲

19、實(shí)驗(yàn)全面揭示了不同流態(tài)下和Re數(shù)及相對粗糙度（/d）的關(guān)系。不同的流態(tài)，有不同的計(jì)算值的公式。 1、層流區(qū) 當(dāng)Re2300時(shí)，流動呈層流狀態(tài)。在此區(qū)域內(nèi)，沿程（摩擦）阻力系數(shù)僅取決于雷諾數(shù)Re值。 64/ Re 在建筑設(shè)備工程中，很少遇到層流狀態(tài)。,2、臨界過渡區(qū) 在Re23004000范圍內(nèi)，是由層流向紊流的轉(zhuǎn)變過程。沿程（摩擦）阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)Re的增大而增大，而與相對粗糙度（/d）無關(guān)。 3、紊流區(qū) 在 Re4000后形成，整個(gè)紊流區(qū)還可以分為三個(gè)區(qū)域： （1）水力光滑管區(qū) 沿程（摩擦）阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)Re有關(guān)而與相對粗糙度（/d）無關(guān)。,Re105時(shí)， 尼古拉茲光滑區(qū)公式,（2）水力