流體力學(xué)基礎(chǔ)

1、（二）本課講授的內(nèi)容：（二）本課講授的內(nèi)容： (1)流體力學(xué)及熱力學(xué)基礎(chǔ)；流體力學(xué)及熱力學(xué)基礎(chǔ)； (2)建筑給排水及消防設(shè)備基本工作原理及應(yīng)建筑給排水及消防設(shè)備基本工作原理及應(yīng) 用技術(shù)；用技術(shù)； (3)采暖供熱的基本工作原理及應(yīng)用技術(shù)；采暖供熱的基本工作原理及應(yīng)用技術(shù)； (4)通風(fēng)和空調(diào)（包括制冷）的基本工作原理通風(fēng)和空調(diào)（包括制冷）的基本工作原理 及應(yīng)用技術(shù)；及應(yīng)用技術(shù)； (5)建筑供配電系統(tǒng)、照明電建筑供配電系統(tǒng)、照明電 器和弱電系統(tǒng)（通訊、有線器和弱電系統(tǒng)（通訊、有線 電視、監(jiān)控保安）的基本技電視、監(jiān)控保安）的基本技 術(shù)。術(shù)。 （三）本課要求掌握的內(nèi)容（三）本課要求掌握的內(nèi)容 n建筑設(shè)備

2、的基本工作原理；建筑設(shè)備的基本工作原理； n設(shè)計(jì)或選型計(jì)算的最基本方法；設(shè)計(jì)或選型計(jì)算的最基本方法； n設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的集成方法。設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的集成方法。 （四）課程要求（四）課程要求 n提高出勤率；提高出勤率； n有課件給同學(xué)們復(fù)習(xí)，希望大家下載；有課件給同學(xué)們復(fù)習(xí)，希望大家下載； n完成好作業(yè)，完成好作業(yè)，15%的平時(shí)成績(jī)主要看作業(yè)；的平時(shí)成績(jī)主要看作業(yè)； n開卷考試，但計(jì)算題較多，有一定的難度。開卷考試，但計(jì)算題較多，有一定的難度。 第一篇建筑設(shè)備涉及的基礎(chǔ)知識(shí)第一篇建筑設(shè)備涉及的基礎(chǔ)知識(shí) 第一章流體力學(xué)基本知識(shí)第一章流體力學(xué)基本知識(shí) 第第0節(jié)流體與流體力學(xué)節(jié)流體與流體力學(xué)

3、 (一一)流體的定義流體的定義: 流體是與固體相對(duì)應(yīng)的一種物體形態(tài)，流體是與固體相對(duì)應(yīng)的一種物體形態(tài)， 是液體和氣體的總稱。除水和空氣以外，流是液體和氣體的總稱。除水和空氣以外，流 體還包括水蒸氣、潤(rùn)滑油、地下石油、含泥體還包括水蒸氣、潤(rùn)滑油、地下石油、含泥 沙的江水、血液、水銀、高溫條件下的等離沙的江水、血液、水銀、高溫條件下的等離 子體等等。子體等等。 流體是由大量的、不斷地作熱運(yùn)動(dòng)而且流體是由大量的、不斷地作熱運(yùn)動(dòng)而且 無固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的基本特?zé)o固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的基本特 征是沒有一定的形狀并且具有流動(dòng)性，在很征是沒有一定的形狀并且具有流動(dòng)性，在很 小的外力作用下

4、，就能產(chǎn)生流動(dòng)。小的外力作用下，就能產(chǎn)生流動(dòng)。 （二）流體力學(xué)（二）流體力學(xué) 流體力學(xué)是研究流體流體力學(xué)是研究流體 (液體和氣體液體和氣體)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué) 科，是力學(xué)的一個(gè)分支。主要研究在各種力科，是力學(xué)的一個(gè)分支。主要研究在各種力 的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固 體壁面、流體和流體間相互作用的規(guī)律。體壁面、流體和流體間相互作用的規(guī)律。 流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭(zhēng)和在流體力學(xué)是在人類同自然界作斗爭(zhēng)和在 生產(chǎn)、科學(xué)研究的實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。生產(chǎn)、科學(xué)研究的實(shí)踐中逐步發(fā)展起來的。 古時(shí)中國(guó)有大禹治水疏通江河的

5、傳說；秦朝古時(shí)中國(guó)有大禹治水疏通江河的傳說；秦朝 李冰父子帶領(lǐng)民眾修建的都江堰，至今還在李冰父子帶領(lǐng)民眾修建的都江堰，至今還在 發(fā)揮著防洪和灌溉的作用。發(fā)揮著防洪和灌溉的作用。 當(dāng)今流體力學(xué)已發(fā)展成為自然科學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)今流體力學(xué)已發(fā)展成為自然科學(xué)基礎(chǔ) 科學(xué)體系的一部分，在氣象、水利研究，船科學(xué)體系的一部分，在氣象、水利研究，船 舶、飛行器、汽車、葉輪機(jī)械和核電站的設(shè)舶、飛行器、汽車、葉輪機(jī)械和核電站的設(shè) 計(jì)制造，以及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、天體物理等等計(jì)制造，以及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、天體物理等等 研究領(lǐng)域，都得到廣泛的應(yīng)用到。許多現(xiàn)代研究領(lǐng)域，都得到廣泛的應(yīng)用到。許多現(xiàn)代 科學(xué)技術(shù)所研究的問題既受流體力學(xué)的指導(dǎo)，

6、科學(xué)技術(shù)所研究的問題既受流體力學(xué)的指導(dǎo)， 同時(shí)也促進(jìn)了流體力學(xué)不斷地發(fā)展。同時(shí)也促進(jìn)了流體力學(xué)不斷地發(fā)展。1950 年后，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展又予以流體力學(xué)極年后，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展又予以流體力學(xué)極 大的推動(dòng)。大的推動(dòng)。 建筑內(nèi)部的給水、排水、建筑內(nèi)部的給水、排水、 采暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)，都采暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)，都 是以流體作為工作介質(zhì)，系是以流體作為工作介質(zhì)，系 統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理念都涉及到流體力學(xué)問題。統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理念都涉及到流體力學(xué)問題。 第一節(jié)流體的主要力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)流體的主要力學(xué)性質(zhì) （一）流體的慣性（一）流體的慣性 （1）慣性的定義：物體維持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（包）慣性的定義：物體維持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

7、（包 括靜止）的特性叫流體的慣性。括靜止）的特性叫流體的慣性。 （2）慣性的度量：物體慣性的大小用其質(zhì)量）慣性的度量：物體慣性的大小用其質(zhì)量m 大小來度量，質(zhì)量大的物體慣性大。大小來度量，質(zhì)量大的物體慣性大。 （3）流體的密度的定義）流體的密度的定義: 對(duì)于均質(zhì)流體，單位體積（對(duì)于均質(zhì)流體，單位體積（V）的流體所具的流體所具 有的質(zhì)量（有的質(zhì)量（m）叫流體的密度。叫流體的密度。 )/( 3 mkg V m n例：例：某鋼瓶的容積為某鋼瓶的容積為 0.5m,其內(nèi)部裝有質(zhì)量其內(nèi)部裝有質(zhì)量 為為 1.2Kg的氣體，求的氣體，求:鋼鋼 瓶?jī)?nèi)氣體的密度瓶?jī)?nèi)氣體的密度? 解：解： )/(4 . 2 5 .

8、 0 2 . 1 3 mkg V m 低密度的流體（如空氣）的慣性就小，低密度的流體（如空氣）的慣性就小， 達(dá)到相同的速度所需要的動(dòng)力就??；高密度達(dá)到相同的速度所需要的動(dòng)力就??；高密度 的流體（如水）的慣性就大，達(dá)到相同的速的流體（如水）的慣性就大，達(dá)到相同的速 度所需要的動(dòng)力就大。度所需要的動(dòng)力就大。 （4）流體的重度的定義）流體的重度的定義:對(duì)于均質(zhì)流體，對(duì)于均質(zhì)流體， 單位體積（單位體積（V）的流體所具有的重力的流體所具有的重力G叫叫 流體的重度流體的重度. 2 3 /807. 9 )/( smgg g V mg mN V G 為重力加速度 （5）水和空氣的密度）水和空氣的密度 流體的密

9、度或重度是隨其溫度和所受到流體的密度或重度是隨其溫度和所受到 的壓力變化而變化的。其中液體的密度或重的壓力變化而變化的。其中液體的密度或重 度隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的量度隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的量 不大，可視為一固定值；而氣體的密度或重不大，可視為一固定值；而氣體的密度或重 度隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的量度隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的量 比較大，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)通常不能視為一固定值。比較大，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)通常不能視為一固定值。 n水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和4時(shí)的密度為時(shí)的密度為 =1000kg/m=1000kg/m3 3 （水的密度見補(bǔ)表 （水的密度見補(bǔ)表1-1）

10、 n空氣空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20時(shí)的密度為時(shí)的密度為 =1.20kg/m=1.20kg/m3 3 （具體計(jì)算后面講） （具體計(jì)算后面講） （二）流體的粘滯性（二）流體的粘滯性 （1）動(dòng)板實(shí)驗(yàn)：兩塊忽略邊緣影響的無限大）動(dòng)板實(shí)驗(yàn)：兩塊忽略邊緣影響的無限大 平行的平板，其間充滿靜止流體。當(dāng)下板固平行的平板，其間充滿靜止流體。當(dāng)下板固 定不動(dòng)，上板以勻速平行下板運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩板定不動(dòng)，上板以勻速平行下板運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩板 之間的流體便處于不同速度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。之間的流體便處于不同速度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 即呈現(xiàn)出：附著在動(dòng)板下面的流體層的運(yùn)即呈現(xiàn)出：附著在動(dòng)板下面的流體層的運(yùn) 動(dòng)速度與動(dòng)板的速度相動(dòng)速度與動(dòng)

11、板的速度相 等，愈往下速度愈小，等，愈往下速度愈小， 直到附著在定板上的流直到附著在定板上的流 體層的速度為零。速度體層的速度為零。速度 在平板的法線方向上呈在平板的法線方向上呈 線性速度分布規(guī)律。線性速度分布規(guī)律。 x u=0 y u 運(yùn)動(dòng)速度較慢的每一流體層運(yùn)動(dòng)速度較慢的每一流體層(慢層慢層)，都，都 是在運(yùn)動(dòng)速度較快的流體層是在運(yùn)動(dòng)速度較快的流體層(快層快層)的帶動(dòng)的帶動(dòng) 下才發(fā)生運(yùn)動(dòng)的。下才發(fā)生運(yùn)動(dòng)的。 運(yùn)動(dòng)較快的流體層運(yùn)動(dòng)較快的流體層(快快 層層)也受到運(yùn)動(dòng)較慢的流體層也受到運(yùn)動(dòng)較慢的流體層(慢層慢層)的阻滯的阻滯 ，而不能運(yùn)動(dòng)得更快。相鄰流體產(chǎn)生相對(duì)，而不能運(yùn)動(dòng)得更快。相鄰流體產(chǎn)生

12、相對(duì) 運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層對(duì)慢層產(chǎn)生的是一個(gè)拖曳力運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層對(duì)慢層產(chǎn)生的是一個(gè)拖曳力 ，使慢層加速，使慢層加速(作用力作用力) ；相反，慢層對(duì)快；相反，慢層對(duì)快 層產(chǎn)生一個(gè)方向相反的阻滯力，使快層減層產(chǎn)生一個(gè)方向相反的阻滯力，使快層減 速速(反作用力反作用力) 。我們把一對(duì)大小相等、方。我們把一對(duì)大小相等、方 向相反的拖曳力和阻滯力稱為內(nèi)摩擦力向相反的拖曳力和阻滯力稱為內(nèi)摩擦力(粘粘 滯力滯力)。 （2）流體的粘滯性定義）流體的粘滯性定義：實(shí)驗(yàn)表明流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明流體流動(dòng) 時(shí)將產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，正是由于相鄰兩流層接時(shí)將產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，正是由于相鄰兩流層接 觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（或稱為粘滯力）阻觸面上產(chǎn)生的

13、內(nèi)摩擦力（或稱為粘滯力）阻 礙流體質(zhì)點(diǎn)或流層間（或流層與固體壁面間礙流體質(zhì)點(diǎn)或流層間（或流層與固體壁面間 ）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 我們把在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流我們把在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流 體具有的抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)或剪切變形的能力，體具有的抵抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)或剪切變形的能力， 稱為粘滯性。稱為粘滯性。 流體的粘滯性對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)有很大的影流體的粘滯性對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)有很大的影 響，為了克服內(nèi)摩擦力，它要不斷消耗運(yùn)動(dòng)響，為了克服內(nèi)摩擦力，它要不斷消耗運(yùn)動(dòng) 流體的能量。所以流體的粘滯性是實(shí)際工程流體的能量。所以流體的粘滯性是實(shí)際工程 水力計(jì)算中必須考慮的一個(gè)重要因素。但對(duì)水力計(jì)算中必須考慮的一個(gè)重要因素。但對(duì) 于靜止流體

14、，由于各層間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粘于靜止流體，由于各層間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粘 滯性也就不顯示。滯性也就不顯示。 n例如：河流中心流層流動(dòng)最快，越靠近河例如：河流中心流層流動(dòng)最快，越靠近河 岸流動(dòng)越慢，岸邊水幾乎不流動(dòng)，這種現(xiàn)岸流動(dòng)越慢，岸邊水幾乎不流動(dòng)，這種現(xiàn) 象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的。象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的。 說明說明實(shí)際流體具有粘性，在流動(dòng)時(shí)就存在實(shí)際流體具有粘性，在流動(dòng)時(shí)就存在 阻力。阻力。 (3)牛頓粘性定律牛頓粘性定律 實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明：流體在兩界流體在兩界 面之間流動(dòng)時(shí)，由于材料之面之間流動(dòng)時(shí)，由于材料之 間摩擦力的存在，使流體內(nèi)間摩擦力的存在，使流體內(nèi) 部與流體和界

15、面接觸處的流部與流體和界面接觸處的流 動(dòng)速度發(fā)生差別，產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)速度發(fā)生差別，產(chǎn)生一個(gè) 漸變的速度場(chǎng)。當(dāng)平板之間漸變的速度場(chǎng)。當(dāng)平板之間 的距離不是很大，速度不是的距離不是很大，速度不是 很高時(shí)，平版間的速度分布很高時(shí)，平版間的速度分布 是線性的。是線性的。可導(dǎo)可導(dǎo) 出出:流體層流體層 間的內(nèi)摩擦力（或切應(yīng)力）間的內(nèi)摩擦力（或切應(yīng)力） 與法向速度梯度成正比與法向速度梯度成正比;同同流流 體動(dòng)力粘度體動(dòng)力粘度成正比。成正比。 xu=0 y u 為層與層接觸的面積。 總的摩擦力 內(nèi)摩擦力 A AT dy du 方向速度的變化率 為速度梯度，即 y dy du n動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度 ：動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度

16、表示速度梯度等于表示速度梯度等于1時(shí)時(shí) 的接觸面上的切應(yīng)力。即：的接觸面上的切應(yīng)力。即： 值由實(shí)驗(yàn)測(cè)值由實(shí)驗(yàn)測(cè)，單位單位:PaS ( 帕秒帕秒) 流體流體粘滯性的大小還可由運(yùn)動(dòng)粘滯性的大小還可由運(yùn)動(dòng)粘粘度度 來反映。來反映。 即：即： =/=/ 單位是單位是：m2/s，由于參數(shù)，由于參數(shù) 中沒有涉及力，其量鋼為長(zhǎng)度和時(shí)間，所以中沒有涉及力，其量鋼為長(zhǎng)度和時(shí)間，所以 叫叫運(yùn)動(dòng)粘度。水和空氣的粘度見表運(yùn)動(dòng)粘度。水和空氣的粘度見表1-1和表和表 1-2。工程中遇到的大多數(shù)流體的動(dòng)力粘度。工程中遇到的大多數(shù)流體的動(dòng)力粘度 與壓力變化無關(guān)，只有極高壓力時(shí)其值才略與壓力變化無關(guān)，只有極高壓力時(shí)其值才略 高

17、一點(diǎn)。氣體的運(yùn)動(dòng)粘度隨壓力變化顯著，高一點(diǎn)。氣體的運(yùn)動(dòng)粘度隨壓力變化顯著， 所以要確定非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體的運(yùn)動(dòng)粘所以要確定非標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體的運(yùn)動(dòng)粘 度，應(yīng)先查它的動(dòng)力粘度，再計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度。度，應(yīng)先查它的動(dòng)力粘度，再計(jì)算運(yùn)動(dòng)粘度。 dydu/ u流體的粘度還與流體的溫度有關(guān)，水或油等流體的粘度還與流體的溫度有關(guān)，水或油等 液體的粘度隨溫度的增高而減少，隨溫度的液體的粘度隨溫度的增高而減少，隨溫度的 降低而增加，如冬天，植物油就變得更粘稠。降低而增加，如冬天，植物油就變得更粘稠。 空氣等氣體的粘度隨溫度的增高而增大，隨空氣等氣體的粘度隨溫度的增高而增大，隨 溫度的降低而降低。溫度的降低而降低

18、。 粘度粘度 0溫度溫度 氣體氣體 液體液體 (4) 粘性流體與理想流體粘性流體與理想流體： u粘性流體粘性流體:具有粘性的流體。自然界的流體具有粘性的流體。自然界的流體 一般都是粘性流體。一般都是粘性流體。 u理想流體理想流體:當(dāng)當(dāng)比較小或比較小或du/dy比較小時(shí)，比較小時(shí)， 為簡(jiǎn)化方程，為簡(jiǎn)化方程， 常將常將粘性影粘性影 響忽略不計(jì)。響忽略不計(jì)。 忽略粘性影忽略粘性影 響的流體響的流體叫叫 理想流體。理想流體。 (三三)流體的壓縮性和熱膨脹性：流體的壓縮性和熱膨脹性： (1)流體的壓縮性流體的壓縮性 (a)可壓縮性定義：可壓縮性定義： 在恒定的溫度下，流體隨壓力增加，體在恒定的溫度下，流

19、體隨壓力增加，體 積縮小，而密度增大的特性叫流體的可壓縮積縮小，而密度增大的特性叫流體的可壓縮 性。性。 流體的可壓縮性用壓縮系數(shù)來描述：流體的可壓縮性用壓縮系數(shù)來描述： 表示單位壓力變化所表示單位壓力變化所 引起的密度變化率。引起的密度變化率。 )/( 1 2 Nm dP d (b)壓縮性特點(diǎn)：壓縮性特點(diǎn)： n液體的壓縮性很小，水從液體的壓縮性很小，水從1個(gè)大氣壓增加到個(gè)大氣壓增加到 100個(gè)大氣壓，水的體積只縮小個(gè)大氣壓，水的體積只縮小0.5/10000, 因此在很多工程技術(shù)領(lǐng)域可以把液體的壓縮性因此在很多工程技術(shù)領(lǐng)域可以把液體的壓縮性 忽略不計(jì)，只有在研究管道水擊現(xiàn)象時(shí)要考慮忽略不計(jì)，只

20、有在研究管道水擊現(xiàn)象時(shí)要考慮 壓縮性問題。壓縮性問題。 n氣體具有明顯的壓縮性，氣體具有明顯的壓縮性，高速高速氣體氣體(速度接近速度接近 或超過音速）或超過音速）, 隨隨p變化量很大，不可視為常變化量很大，不可視為常 量量,叫叫可可壓縮流體。壓縮流體。但是當(dāng)氣體的流速比較低但是當(dāng)氣體的流速比較低 時(shí)時(shí)(流速小于流速小于70m/s100 m/s)，在流動(dòng)，在流動(dòng) 過程中，過程中，隨隨p變化量很小，也可視為常量，變化量很小，也可視為常量， 和水一樣可視為和水一樣可視為不可不可壓縮流體。壓縮流體。 在通風(fēng)和采暖工程中，所遇到的氣體和液在通風(fēng)和采暖工程中，所遇到的氣體和液 體都可以當(dāng)做不可壓縮流體對(duì)待

21、。體都可以當(dāng)做不可壓縮流體對(duì)待。 (2)流體的熱膨脹性：流體的熱膨脹性： (a)熱膨脹性的定義：熱膨脹性的定義：在恒定的壓力下在恒定的壓力下, 溫度升溫度升 高，流體膨脹密度下降；溫度下降，流體的高，流體膨脹密度下降；溫度下降，流體的 密度升高。密度升高。流體流體溫度升高，體積膨脹溫度升高，體積膨脹, 密度下密度下 降的特性叫降的特性叫流體的熱膨脹性。流體的熱膨脹性。 流體的膨脹性用熱膨脹系數(shù)來描述。流體的膨脹性用熱膨脹系數(shù)來描述。 表示單位溫度變化所引起的表示單位溫度變化所引起的 密度變化率。密度變化率。 )( 1 1 T dT d (b)熱膨脹性特性：熱膨脹性特性： n水的熱膨脹性很小，在

22、水的熱膨脹性很小，在1020C的范圍的范圍 內(nèi)，溫度每升高內(nèi)，溫度每升高1C，水的體積只增加，水的體積只增加 7/10000，因此，只有在熱水供水系統(tǒng)，因此，只有在熱水供水系統(tǒng) 中，才考慮水的熱膨脹性。中，才考慮水的熱膨脹性。 n氣體的熱膨脹性顯著氣體的熱膨脹性顯著. 一般不可忽略，當(dāng)氣一般不可忽略，當(dāng)氣 體壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度每升高體壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度每升高1K，體積便增，體積便增 大到大到273K時(shí)體積的時(shí)體積的 1/273。因此，氣。因此，氣 體的熱膨脹系數(shù)體的熱膨脹系數(shù) =1/273（1/K） (3)理想氣體的狀態(tài)方程：理想氣體的狀態(tài)方程： n理想氣體定義：遠(yuǎn)離液相的氣體叫理想氣體。理想氣體

23、定義：遠(yuǎn)離液相的氣體叫理想氣體。 （溫度不是過低，壓力不是過高）（溫度不是過低，壓力不是過高） n理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程:對(duì)理想氣體的密度、對(duì)理想氣體的密度、 壓力和溫度三者之間存在一個(gè)狀態(tài)方程。壓力和溫度三者之間存在一個(gè)狀態(tài)方程。 其中其中: T為氣體的熱力學(xué)溫度為氣體的熱力學(xué)溫度T=273+t() R為氣體常數(shù)，為氣體常數(shù)， 對(duì)空氣對(duì)空氣R=287j/(kgK) P為氣體的絕對(duì)壓力為氣體的絕對(duì)壓力N/m2 RT p n大氣壓的定義：地球表面上所承受的大氣壓大氣壓的定義：地球表面上所承受的大氣壓 力叫大氣壓。由于地球中大量氣體分子碰撞力叫大氣壓。由于地球中大量氣體分子碰撞 而產(chǎn)

24、生。其大小與高度、溫度等條件有關(guān)。而產(chǎn)生。其大小與高度、溫度等條件有關(guān)。 一般隨高度的增大而減小。即使是同一海拔一般隨高度的增大而減小。即使是同一海拔 高度，在不同的季節(jié)和大氣狀態(tài)下，大氣壓高度，在不同的季節(jié)和大氣狀態(tài)下，大氣壓 也是變化的。用也是變化的。用B或或Pa來表示大氣壓。來表示大氣壓。 n標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：通常把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：通常把0C，北緯，北緯45海平海平 面上作用的大氣壓作為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（面上作用的大氣壓作為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm) 1atm=101325(Pa)=760mmHg 0.1MPa Pa（帕斯卡）壓力基本單位（帕斯卡）壓力基本單位 1Pa=1N/m n工程大氣壓：由于當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?/p>

25、隨高程及工程大氣壓：由于當(dāng)?shù)氐拇髿鈮弘S高程及 氣象條件變化。為工程計(jì)算的方便，工程氣象條件變化。為工程計(jì)算的方便，工程 上常用一個(gè)工程大氣壓替代當(dāng)?shù)卮髿鈮骸Ｉ铣Ｓ靡粋€(gè)工程大氣壓替代當(dāng)?shù)卮髿鈮骸?一個(gè)工程大氣壓為一個(gè)工程大氣壓為98kPa （kN/m2） ，因同當(dāng)?shù)卮髿鈮狠^為接近，但不隨高程，因同當(dāng)?shù)卮髿鈮狠^為接近，但不隨高程 及氣象條件變化，故可用工程大氣壓代替及氣象條件變化，故可用工程大氣壓代替 當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤阋詽M足工程上的要求。當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤阋詽M足工程上的要求。 n壓力計(jì)量單位壓力計(jì)量單位 標(biāo)準(zhǔn)壓力的單位：標(biāo)準(zhǔn)壓力的單位：P Pa a=1N/m=1N/m 1kP 1kPa a = = 10P1

26、0Pa a 1MP 1MPa a=10=106 6P Pa a 其他壓力單位：其他壓力單位： 1mmHg=133.324Pa 1mH2O=9806.375Pa 1mmH2O=9.8Pa 例：計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和工程大氣壓下，例：計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和工程大氣壓下， t=25C 工況下工況下的空氣的密度？的空氣的密度？ 解解： （1）標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓大氣壓 B=101325 Pa （2）工程大氣壓）工程大氣壓 B= 98000Pa )/(18. 1 25273287 101325 )273(287 3 mkg t B RT p ）（ )(15. 1 )25273(287 98000 3 m kg 流體靜力學(xué)

27、是研究流體靜止時(shí)的現(xiàn)象以流體靜力學(xué)是研究流體靜止時(shí)的現(xiàn)象以 及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。研究對(duì)象是靜止的及相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)。研究對(duì)象是靜止的 氣體和液體（也包括介于固體和液體之間的氣體和液體（也包括介于固體和液體之間的 物質(zhì)，如液晶）。物質(zhì)，如液晶）。 古希臘的著名物理學(xué)家阿基米德。其著古希臘的著名物理學(xué)家阿基米德。其著 作作論浮體論浮體是歷史上研究流體靜力學(xué)的第是歷史上研究流體靜力學(xué)的第 一部作品。一部作品。 流體靜力學(xué)的在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用十分廣流體靜力學(xué)的在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用十分廣 泛泛, 水利、水運(yùn)等方面的作用尤其明顯。水利、水運(yùn)等方面的作用尤其明顯。 一一.流體的靜壓力流體的靜壓力 由于處于靜止

28、狀態(tài)的流體只存在壓力參由于處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體只存在壓力參 數(shù)，故流體靜力學(xué)的核心問題是研究流體靜數(shù)，故流體靜力學(xué)的核心問題是研究流體靜 壓力的特性和分布規(guī)律。壓力的特性和分布規(guī)律。 (1)流體靜壓力的定義：在一個(gè)容器的靜止流體靜壓力的定義：在一個(gè)容器的靜止 水中，取出一小水體作為隔離體來研究。設(shè)水中，取出一小水體作為隔離體來研究。設(shè) 作用在隔離體某一微小面積作用在隔離體某一微小面積上的總壓力上的總壓力 為為p p。則：。則： PP p d dpp p 平均壓力： 0 lim (2)靜壓力的基本特征靜壓力的基本特征 p靜壓力的方向指向受壓面靜壓力的方向指向受壓面,并與受壓面垂并與受壓面垂 直直(

29、即：靜壓力垂直于流體表面的內(nèi)法線即：靜壓力垂直于流體表面的內(nèi)法線 方向方向); p流體內(nèi)任何一點(diǎn)的靜壓力在各個(gè)方向面上流體內(nèi)任何一點(diǎn)的靜壓力在各個(gè)方向面上 的值都相等的值都相等. 二、流體靜壓力的分布規(guī)律二、流體靜壓力的分布規(guī)律 （1）重力場(chǎng)中流體的靜力學(xué)基）重力場(chǎng)中流體的靜力學(xué)基 本方程：本方程： 已知已知:小圓柱高小圓柱高h(yuǎn),端面積為端面積為 , ,圓柱的頂面同自由面重圓柱的頂面同自由面重 合，頂面受一壓力合，頂面受一壓力P0。則在。則在Z 方向方向,作用在圓柱底面上的力作用在圓柱底面上的力 p，則圓柱體軸向作用力為，則圓柱體軸向作用力為: hPghPp h Pghp 00 0 0 處的壓

30、力離自由表面距離為 圓柱受到的重力圓柱受到的重力 （g為重力加速為重力加速 度）度） (2)靜壓力分布規(guī)律靜壓力分布規(guī)律 由于由于p=p0+gh，（，（h為測(cè)壓點(diǎn)離開自由為測(cè)壓點(diǎn)離開自由 表面的距離）所以：表面的距離）所以： n靜止流體內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力等于液面上（即液靜止流體內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力等于液面上（即液 體與氣體的交界面體與氣體的交界面-自由表面）的壓力（通常自由表面）的壓力（通常 為大氣壓）加上流體重度和深度的乘積。為大氣壓）加上流體重度和深度的乘積。 n在靜止流體內(nèi)部在靜止流體內(nèi)部,壓力隨深度按直線規(guī)律變化。壓力隨深度按直線規(guī)律變化。 n在靜止流體內(nèi)部在靜止流體內(nèi)部,同一深度的點(diǎn)的壓力

31、相等同一深度的點(diǎn)的壓力相等,構(gòu)構(gòu) 成水平等壓面。成水平等壓面。 n液面壓力值可等值地在液面壓力值可等值地在 靜止流體內(nèi)傳遞。靜止流體內(nèi)傳遞。 (3)基本方程的另一種形式基本方程的另一種形式 設(shè)自由表面高度為設(shè)自由表面高度為Z0,深度為深度為h1處處(坐標(biāo)值坐標(biāo)值 為為Z1)的壓力為的壓力為p1,深度深度h2 (坐標(biāo)值為坐標(biāo)值為Z2)處為處為p2,則：則： h1 h2 g p z g p z g p z g p z g p zg g p z g p zg zzgpghpp zzgpghpp 0 0 2 2 1 1 0 0 2 2 0 0 1 1 200202 100101 )( )( 并移項(xiàng)后得

32、：由第二式兩邊除以 并移項(xiàng)后得：由第一式兩邊除以 n推而廣之：推而廣之： Z叫位置水頭，叫位置水頭， p/g叫壓力水頭，叫壓力水頭，(z+p/g)叫測(cè)壓管水叫測(cè)壓管水 頭。頭。方程表明：在同一靜止流體中，位能和方程表明：在同一靜止流體中，位能和 壓力能之和（即壓力能之和（即測(cè)壓管水頭）測(cè)壓管水頭）是一個(gè)常數(shù)。是一個(gè)常數(shù)。 對(duì)氣體來說，由于對(duì)氣體來說，由于P=P0+gh，當(dāng)，當(dāng)h較小時(shí)，較小時(shí)， gh是一小量，可忽略不計(jì)，則：是一小量，可忽略不計(jì)，則：P=P0 （容器內(nèi)靜止氣體中各點(diǎn)壓力均相等。）（容器內(nèi)靜止氣體中各點(diǎn)壓力均相等。） （常數(shù)）C g p z P1/g P2/g 三、工程計(jì)算中的壓

33、力表示方法與計(jì)量單位三、工程計(jì)算中的壓力表示方法與計(jì)量單位 （）絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力（）絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力 n絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力Pj：以絕對(duì)真空為零點(diǎn)計(jì)量的壓力：以絕對(duì)真空為零點(diǎn)計(jì)量的壓力. n相對(duì)壓力相對(duì)壓力Pa：以當(dāng)?shù)卮髿鈮海阂援?dāng)?shù)卮髿鈮篜0或工程大氣壓或工程大氣壓 為零點(diǎn)計(jì)量的壓力叫相對(duì)壓力。為零點(diǎn)計(jì)量的壓力叫相對(duì)壓力。 Pa=Pj-P0 正的相對(duì)壓力正的相對(duì)壓力(大于大氣壓大于大氣壓)可用彈簧管壓力可用彈簧管壓力 表來測(cè)量，所以也叫表壓。表來測(cè)量，所以也叫表壓。 負(fù)的相對(duì)壓力也叫真空度，用負(fù)的相對(duì)壓力也叫真空度，用Pk表示，表示， Pk =P0-Pj=-Pa 所以所以 Pj=P0- Pk

34、絕對(duì)壓力等于絕對(duì)壓力等于0時(shí)，容器內(nèi)就處于完全真時(shí)，容器內(nèi)就處于完全真 空狀態(tài)，真空度最大，最大值為空狀態(tài)，真空度最大，最大值為101.325 Kpa(在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下);真空度最小值為真空度最小值為0。 例例1: 某壓縮空氣罐的壓力表上的表壓（某壓縮空氣罐的壓力表上的表壓（Pa） 為為1.5MPa。求：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的絕對(duì)壓。求：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的絕對(duì)壓 力力Pj？ 解解: 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下P0=0.1Mpa Pj = Pa +P0=1.5+0.1=1.6（Mpa） 例例2：某容器內(nèi)的真空度：某容器內(nèi)的真空度Pk為為50kPa,求：求： 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的絕對(duì)壓力？標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的絕

35、對(duì)壓力？ 解：解：Pk=50kPa=0.05Mpa（單位統(tǒng)一）（單位統(tǒng)一） Pj=P0-Pk=0.1-0.05 =0.05(Mpa) (3)壓力計(jì)量?jī)x器壓力計(jì)量?jī)x器 工程上常遇到壓力的測(cè)量工程上常遇到壓力的測(cè)量 問題，如鍋爐、制冷壓縮機(jī)、問題，如鍋爐、制冷壓縮機(jī)、 水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備均需要測(cè)水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備均需要測(cè) 定壓力。常用測(cè)壓儀器有液定壓力。常用測(cè)壓儀器有液 柱測(cè)壓計(jì)、金屬壓力表和壓柱測(cè)壓計(jì)、金屬壓力表和壓 力傳感器三大類。其中液柱力傳感器三大類。其中液柱 式測(cè)壓計(jì)是以一定高度的液式測(cè)壓計(jì)是以一定高度的液 柱所產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力柱所產(chǎn)生的壓力與被測(cè)壓力 相平衡的原理測(cè)量壓力的。相平衡的原

36、理測(cè)量壓力的。 大多是一根直的或彎成大多是一根直的或彎成 U形形 的玻璃管做測(cè)壓管，的玻璃管做測(cè)壓管， U型管壓力計(jì) 型管壓力計(jì) 管中灌以工作液體。常用的工作液體為酒精管中灌以工作液體。常用的工作液體為酒精 、蒸餾水和水銀。、蒸餾水和水銀。 當(dāng)當(dāng)U型管一端連接要測(cè)的壓力點(diǎn)，另一端同大型管一端連接要測(cè)的壓力點(diǎn)，另一端同大 氣相通（氣相通（P0），就能測(cè)量該點(diǎn)的表壓或真空度），就能測(cè)量該點(diǎn)的表壓或真空度 。 設(shè)容器內(nèi)的壓力為設(shè)容器內(nèi)的壓力為P，密度為，密度為，測(cè)壓管內(nèi)介質(zhì)，測(cè)壓管內(nèi)介質(zhì) 的密度為的密度為。在等壓面上：。在等壓面上： P1=P+ga P2=P0+gh P+ga=P0+hg P-P0=

37、（h- a）g 所以所以 Pa= （h- a）g 當(dāng)容器內(nèi)是空氣時(shí)，當(dāng)容器內(nèi)是空氣時(shí)，Pa=hghg P0 同理可推出真空度，同理可推出真空度， 在等壓面：在等壓面： P+gh1+gh2=P0 Pk=P0-P= gh1+gh2 =（ h1+h2）g 當(dāng)測(cè)量空氣壓力時(shí)：當(dāng)測(cè)量空氣壓力時(shí)：Pk =h2g *U型管壓差計(jì) 型管壓差計(jì) 例例:用用U型管壓力計(jì)測(cè)量容器中的型管壓力計(jì)測(cè)量容器中的 空氣的真空度空氣的真空度, U型管壓力計(jì)介型管壓力計(jì)介 質(zhì)為汞質(zhì)為汞,汞柱高差汞柱高差h2=100mm, 大氣壓為大氣壓為P0=100kpa 汞的密度為汞的密度為13600kg/m3 g9.807ms2。 求：容

38、器中的真空度和絕對(duì)壓力？求：容器中的真空度和絕對(duì)壓力？ )(67.8633.13100 )(33.13)(5 .13337 1 . 0807. 913600 0 2 akj aa k kpPPp kpp ghP 解： 第第3節(jié)流體動(dòng)力學(xué)入門節(jié)流體動(dòng)力學(xué)入門 流體動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一門子學(xué)科。流體動(dòng)力學(xué)是流體力學(xué)的一門子學(xué)科。 流體動(dòng)力學(xué)研究的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)中的流體的流體動(dòng)力學(xué)研究的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)中的流體的 狀態(tài)與規(guī)律。流體動(dòng)力學(xué)底下的子學(xué)科包狀態(tài)與規(guī)律。流體動(dòng)力學(xué)底下的子學(xué)科包 括有空氣動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)等。括有空氣動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)等。 流體動(dòng)力學(xué)的基本公理為守恒律，特流體動(dòng)力學(xué)的基本公理為守恒律，特

39、別是質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒。除別是質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒。除 了上面所述，流體還假設(shè)遵守了上面所述，流體還假設(shè)遵守“連續(xù)性假連續(xù)性假 設(shè)設(shè)” 。（流體由分子所組成，彼此互相碰。（流體由分子所組成，彼此互相碰 撞，也與固體相碰撞。然而，連續(xù)性假設(shè)撞，也與固體相碰撞。然而，連續(xù)性假設(shè) 假定流體是連續(xù)的，而非離散的。即視流假定流體是連續(xù)的，而非離散的。即視流 體足夠致密，可以認(rèn)為是一連續(xù)介質(zhì)。）體足夠致密，可以認(rèn)為是一連續(xù)介質(zhì)。） 一一.流體動(dòng)力學(xué)的一些基本概念流體動(dòng)力學(xué)的一些基本概念 （）流線與跡線（）流線與跡線 n流線：某瞬時(shí)在流場(chǎng)中所作的一條空間曲線，流線：某瞬時(shí)在流場(chǎng)中所作的一條

40、空間曲線， 曲線上各點(diǎn)速度矢量與曲線相切。曲線上各點(diǎn)速度矢量與曲線相切。 n跡線：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡跡線：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡 n恒定流中流線與跡線重合。恒定流中流線與跡線重合。 (2)元流元流與與總流總流 n元流：在流場(chǎng)中任意取不與流線重合的無元流：在流場(chǎng)中任意取不與流線重合的無 窮小的封閉曲線，過曲線上各點(diǎn)作流線，窮小的封閉曲線，過曲線上各點(diǎn)作流線， 所構(gòu)成的管狀表面叫元流。所以所構(gòu)成的管狀表面叫元流。所以元流元流由一股由一股 流束組成流束組成,一般情況下，元流形狀隨時(shí)間而一般情況下，元流形狀隨時(shí)間而 變，只有在穩(wěn)定流動(dòng)中，元流形狀才不隨變，只有在穩(wěn)定流動(dòng)中，元流形狀才不隨 時(shí)間變化時(shí)間變化

41、 n總流（管）：無數(shù)元流的總和叫總流總流（管）：無數(shù)元流的總和叫總流 （管）。管內(nèi)外流體不能通過總流（管）（管）。管內(nèi)外流體不能通過總流（管） 管壁。管壁。 (3)過水?dāng)嗝孢^水?dāng)嗝?過流斷面定義：在過流斷面定義：在總流（管）總流（管）上作出與流線上作出與流線 正交的橫斷面叫過流斷面。過流斷面一般為正交的橫斷面叫過流斷面。過流斷面一般為 曲面，只有均勻流的過流斷面才是平面。曲面，只有均勻流的過流斷面才是平面。 過流斷面的形狀有圓形、矩形和梯形等。過流斷面的形狀有圓形、矩形和梯形等。 （4）流量與斷面的平均流速）流量與斷面的平均流速 n流量定義：在單位時(shí)間內(nèi)，通過過流斷面流量定義：在單位時(shí)間內(nèi)，通

42、過過流斷面 的流體的體積或質(zhì)量叫流體的流體的體積或質(zhì)量叫流體的流量流量。(設(shè)設(shè) 為過流斷面面積，為過流斷面面積，v v為流速，為流速，為密度）為密度） smsl QQ skgvdQ smvdQ vm m v /10/(1 )/( )/( 33 3 升） 對(duì)不可壓縮流體： 質(zhì)量流量： 體積流量： 斷面的平均流速斷面的平均流速 22 2 4 4/ ) )/( d Q d Q v m sm Q v vv v 圓型管道內(nèi)的平均流速 為過水?dāng)嗝娴拿娣e（ 其中： 單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向 上所流經(jīng)的距離上所流經(jīng)的距離,叫流體的流速。由叫流體的流速。由 于管壁的粘性影響，斷面

43、上的速度于管壁的粘性影響，斷面上的速度 大小是不等的，層流狀態(tài)斷面上速大小是不等的，層流狀態(tài)斷面上速 度分布呈現(xiàn)拋物線；湍流呈現(xiàn)指數(shù)度分布呈現(xiàn)拋物線；湍流呈現(xiàn)指數(shù) 曲線。一般工程計(jì)算可取斷面上的曲線。一般工程計(jì)算可取斷面上的 平均流速。平均流速。 例：溫度為例：溫度為35空氣在空氣在250KPa的壓力下的壓力下 以以9m/s平均速度流過直徑為平均速度流過直徑為250mm的的 圓形通風(fēng)管道，求圓形通風(fēng)管道，求: (1)空氣的體積流量空氣的體積流量 (2)空氣的質(zhì)量流量？空氣的質(zhì)量流量？ 解：解： )/(24. 182. 244. 0 )/(83. 2 )35273(287 250000 )/(4

44、4. 0)25. 0( 4 9 3 32 skgQQ mkg smvQ vm v 體積流量： 二二.流體運(yùn)動(dòng)的類型流體運(yùn)動(dòng)的類型 (1)按與時(shí)間關(guān)系分：按與時(shí)間關(guān)系分： n定常流（恒定流）：在流定常流（恒定流）：在流 場(chǎng)中，流體質(zhì)點(diǎn)的一切運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間場(chǎng)中，流體質(zhì)點(diǎn)的一切運(yùn)動(dòng)要素都不隨時(shí)間 改變而變化，只是坐標(biāo)的函數(shù)，這種流動(dòng)為改變而變化，只是坐標(biāo)的函數(shù)，這種流動(dòng)為 穩(wěn)定流。流體運(yùn)動(dòng)與時(shí)間無關(guān)。穩(wěn)定流。流體運(yùn)動(dòng)與時(shí)間無關(guān)。 即：即：p = p(x,y,z) u = u(x,y,z) n非定常流（非恒定流）非定常流（非恒定流）:運(yùn)動(dòng)要素是時(shí)間和坐運(yùn)動(dòng)要素是時(shí)間和坐 標(biāo)的函數(shù)標(biāo)的函數(shù). 即即

45、p = p(x,y,z,t) u = u(x,y,z,t) (2)按與空間關(guān)系分：按與空間關(guān)系分： n一維流動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要素一維流動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要素(p和和v)在空間只是坐標(biāo)在空間只是坐標(biāo) x的函數(shù)的函數(shù). n二維流動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要素在空間只是坐標(biāo)二維流動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要素在空間只是坐標(biāo)x,y(或或 r,x)的函數(shù)的函數(shù). n三維流動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要素在空間是坐標(biāo)三維流動(dòng)：運(yùn)動(dòng)要素在空間是坐標(biāo)x,y,z的函的函 數(shù)數(shù). n有壓力流和無壓力流有壓力流和無壓力流: 流體在壓力差作用下的流動(dòng)叫有壓力流。流體在壓力差作用下的流動(dòng)叫有壓力流。 有壓力管道流中，管道上部無自由表面，有壓力管道流中，管道上部無自由表面， 如空氣在空調(diào)系統(tǒng)管

46、道中的流動(dòng)如空氣在空調(diào)系統(tǒng)管道中的流動(dòng). 只依靠重力作用下的流動(dòng)是無壓力流只依靠重力作用下的流動(dòng)是無壓力流,無壓無壓 力流管道或明渠有自由表面力流管道或明渠有自由表面.如污水管道流如污水管道流 動(dòng)動(dòng). n可壓縮流與不可壓縮流：可壓縮流與不可壓縮流： n層流和湍流：層流和湍流： n有旋流和無旋流：有旋流和無旋流： (3)按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分：按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分： （4）恒定流的分類與特征）恒定流的分類與特征: n均勻流均勻流:總流中的總流中的流線流線均為平行直線，則稱為均為平行直線，則稱為 均勻流。均勻流過水?dāng)嗝鏋槠矫妫湫螤詈途鶆蛄鳌＞鶆蛄鬟^水?dāng)嗝鏋槠矫妫湫螤詈?面積沿流程保存不變，如直徑不變的長(zhǎng)直管面積

47、沿流程保存不變，如直徑不變的長(zhǎng)直管 道中的均勻流等。道中的均勻流等。 n非均勻流：流體的流速大小及方向沿程不斷非均勻流：流體的流速大小及方向沿程不斷 變化的流動(dòng)。分漸變流和急變流變化的流動(dòng)。分漸變流和急變流.其中急變流其中急變流 中中 流體通過的有效斷面，其面積大小、形狀流體通過的有效斷面，其面積大小、形狀 和流動(dòng)方向發(fā)生急劇變化，則該流體的流速和流動(dòng)方向發(fā)生急劇變化，則該流體的流速 分布也產(chǎn)生急劇變化。在工程上，急變流發(fā)分布也產(chǎn)生急劇變化。在工程上，急變流發(fā) 生在彎頭、三通、異生在彎頭、三通、異 徑管、管徑突然擴(kuò)大徑管、管徑突然擴(kuò)大 、管徑突然縮小以及、管徑突然縮小以及 閘門等處。閘門等處。

48、 第第4節(jié)恒定流的連續(xù)性方程和能量方程節(jié)恒定流的連續(xù)性方程和能量方程 (一維流動(dòng)一維流動(dòng)) 一一.連續(xù)性方程連續(xù)性方程 (1)基本方程：根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)遵循質(zhì)量守基本方程：根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)遵循質(zhì)量守 恒定律，恒定律， 其穩(wěn)定流的連續(xù)性方程為：其穩(wěn)定流的連續(xù)性方程為： m Qvv dvdv v dvdv 222111 2 222 1 111 2 2221 1 11 沿截面是常量和由于 A- v1 v2 (2) 不可壓縮流體連續(xù)性方程：不可壓縮流體連續(xù)性方程： n由于由于沿流線沿流線為常數(shù)，所以：為常數(shù)，所以： n物理意義是：不可壓縮流體做穩(wěn)定流時(shí)，物理意義是：不可壓縮流體做穩(wěn)定流時(shí)， 流管的體積

49、流量保持不變。所以不可壓縮流管的體積流量保持不變。所以不可壓縮 流體在一維管道流動(dòng)中，過流斷面積越大，流體在一維管道流動(dòng)中，過流斷面積越大， 流速越小，流速同過流斷面積成反比。流速越小，流速同過流斷面積成反比。 2211 vv V1 1 V2 2 p1 p2 p1 Fig 1 Venturi flow v1 v2 v1v1 例例1：水流過一變截面管道。：水流過一變截面管道。 已知：已知：d1=50mm v1=10m/s d2=25mm 求：求：v2=？ 解：解： p1 p2 p1 Fig 1 Venturi flow v1 v2 v1v1 )/(40 ) 25 50 (10)( 44 22 2

50、 1 1 2 2 2 1 12 2 22 2 112211 sm d d v d d vv dvdvvv )/(55. 1) 75 50 ( 3) 75 25 (2 )()( 22 2 3 2 2 2 3 1 1 3 2 2 3 1 13 332211 sm d d v d d v vvv vvv 二二.理想流體的能量方程理想流體的能量方程(伯努利方程伯努利方程) (1)對(duì)單位質(zhì)量流體對(duì)單位質(zhì)量流體,沿流線有：沿流線有： (2)對(duì)單位體積流體對(duì)單位體積流體,沿流線有沿流線有: CgZ vp 2 2 0 2 2 2 1 2 1 PvP CgZvP 對(duì)氣體有： (氣體密度很小氣體密度很小,位能忽略

51、不計(jì)位能忽略不計(jì)) 靜壓靜壓動(dòng)壓動(dòng)壓總壓總壓 物理意義：在水平管道流動(dòng)中，流速大的物理意義：在水平管道流動(dòng)中，流速大的 地方靜壓小，流速小的地方靜壓大地方靜壓小，流速小的地方靜壓大,總壓?？倝罕?持不變（理想流體）持不變（理想流體） 。掌握這一流動(dòng)規(guī)律。掌握這一流動(dòng)規(guī)律 ，這對(duì)以后分析一些流動(dòng)現(xiàn)象十分重要。，這對(duì)以后分析一些流動(dòng)現(xiàn)象十分重要。 (3)對(duì)單位重量流體對(duì)單位重量流體,在一在一 條流線上條流線上： CZ g v g P 2 2 HZ g v g P Z g v g P 2 2 22 1 2 11 22 即： H叫總水頭叫總水頭,單位為單位為m。 壓力能壓力能 壓力水頭壓力水頭 動(dòng)能動(dòng)

52、能 速度水頭速度水頭 位能位能 位置水頭位置水頭 n例：例：如圖所示為測(cè)量管道流量常用的測(cè)量如圖所示為測(cè)量管道流量常用的測(cè)量 裝置示意圖。分別用總壓管和靜壓孔測(cè)量裝置示意圖。分別用總壓管和靜壓孔測(cè)量 氣流的總壓和靜壓。已知直管內(nèi)徑氣流的總壓和靜壓。已知直管內(nèi)徑D 0.3m，氣體密度，氣體密度1.2kg/m3，U型管型管 壓力計(jì)測(cè)得總靜壓差壓力計(jì)測(cè)得總靜壓差P0-P=0.2m水柱。水柱。 試：計(jì)算此管道的平均流速和空氣的體積試：計(jì)算此管道的平均流速和空氣的體積 流量流量Qv。 （1m水柱水柱 =9806.375Pa) )/(04. 4 4 )/(2 .57 2 . 1 2 . 098062 )(

53、2 2 3 2 222 0 0 2 sm D vAvQ sm pp v p v p V 空氣 解：解： 三三.不可壓粘性流體的能量方程不可壓粘性流體的能量方程 (1)方程：方程： （工程上使用的近似方程）（工程上使用的近似方程） 其中：其中：h 1-2為流體流過 為流體流過 1截面和截面和2截面后的水截面后的水 頭損失，是因克服摩擦頭損失，是因克服摩擦 阻力而損失的機(jī)械能。阻力而損失的機(jī)械能。 為速度分布修正系數(shù)為速度分布修正系數(shù),取取 決于決于v在在A上的分布。上的分布。 一一 般大于般大于1，工程實(shí)際中的，工程實(shí)際中的 湍流運(yùn)動(dòng)常取湍流運(yùn)動(dòng)常取 1。 21 2 222 2 2 111 1

54、22 h g v g p Z g v g p Z 21 2 22 2 11 21 2 2 22 2 1 11 21 2 22 2 2 11 1 2 1 2 1 22 22 pvpvp p v pgZ v pgZ g h g v g p Z g v g p Z 對(duì)氣體： ，得：等式兩邊乘以 得： Pw叫壓力損失。壓力損失主要由兩部分組叫壓力損失。壓力損失主要由兩部分組 成，一部分是沿程阻力損失成，一部分是沿程阻力損失pf,另一部分是另一部分是 局部阻力損失局部阻力損失pj，pw=pf+pj。 同理水頭損失：同理水頭損失： hw=hf+hj *例題：一噴嘴例題：一噴嘴,管道內(nèi)直徑管道內(nèi)直徑 d1=

55、10mm，噴嘴出口，噴嘴出口 的內(nèi)直徑的內(nèi)直徑d2=5mm，要，要 求出口水流速度求出口水流速度 V2=18m/s, 出口壓力出口壓力 P2=15Kpa。流動(dòng)損失。流動(dòng)損失 約為約為100kPa，垂直高差，垂直高差 H=3.6m。求：。求：(a)v1 (b)1-1處的處的(相對(duì)相對(duì))壓力壓力 p1。(水溫為水溫為5 C) 空氣 解解：查水的密度表得：查水的密度表得=1000kg/m3 sm d d V A A VV/5 . 4) 10 5 (18)( 22 1 2 2 1 2 21 用連續(xù)性方程得： a kp vv ppgZ v p v pgZp p v pgZ v pg z 30215187

56、511500035316 2 )5 . 418(1000 1000001500081. 910006 . 3 2 )( 22 22 Z )0( 22 2 1 2 2 2122 2 1 21 2 2 221 21 2 2 22 2 1 11 1 利用能量方程得 以上例中以上例中,如果在如果在1-1處設(shè)置一個(gè)水泵處設(shè)置一個(gè)水泵 ，則計(jì)算出來壓力損失就是管道在滿足流，則計(jì)算出來壓力損失就是管道在滿足流 量和出口壓力的情況下，水泵所需要增加量和出口壓力的情況下，水泵所需要增加 的能量。的能量。 從上例可看出來，管道阻力的大小是輸從上例可看出來，管道阻力的大小是輸 送流體耗用動(dòng)力大小的依據(jù)，在采暖系統(tǒng)送

57、流體耗用動(dòng)力大小的依據(jù)，在采暖系統(tǒng) 中的循環(huán)水泵參數(shù)就是根據(jù)水系統(tǒng)的總阻中的循環(huán)水泵參數(shù)就是根據(jù)水系統(tǒng)的總阻 力來進(jìn)行的確定的。通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)力來進(jìn)行的確定的。通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機(jī) 的壓頭也是根據(jù)系統(tǒng)的阻力來選定。滿足的壓頭也是根據(jù)系統(tǒng)的阻力來選定。滿足 流量和出口壓力的情況下，阻力小耗能就流量和出口壓力的情況下，阻力小耗能就 少，阻力大耗能就多。少，阻力大耗能就多。 四四.流動(dòng)的兩種形態(tài)流動(dòng)的兩種形態(tài) (1)流動(dòng)的兩種形態(tài)：流動(dòng)的兩種形態(tài)： 當(dāng)管道流速比較低時(shí)，當(dāng)管道流速比較低時(shí)， 玻璃管內(nèi)有股紅色水玻璃管內(nèi)有股紅色水 流的細(xì)流，像一條細(xì)流的細(xì)流，像一條細(xì) 線。表明液體質(zhì)點(diǎn)作線。表明液體質(zhì)

58、點(diǎn)作 有條不紊的運(yùn)動(dòng)，彼有條不紊的運(yùn)動(dòng)，彼 此不相混摻。這種流此不相混摻。這種流 動(dòng)形態(tài)稱為層流。層動(dòng)形態(tài)稱為層流。層 流通過分子間相互作流通過分子間相互作 用來傳遞動(dòng)量、熱量用來傳遞動(dòng)量、熱量 和質(zhì)量。和質(zhì)量。 n當(dāng)流速增加到一定程度時(shí)，紅色水流的當(dāng)流速增加到一定程度時(shí)，紅色水流的 細(xì)流開始動(dòng)蕩，呈波浪型，繼續(xù)加大流細(xì)流開始動(dòng)蕩，呈波浪型，繼續(xù)加大流 速，紅色水流的細(xì)流就向四周擴(kuò)散，液速，紅色水流的細(xì)流就向四周擴(kuò)散，液 體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、互相混摻、軌跡體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、互相混摻、軌跡 曲折混亂。流速越高，混摻程度越大。曲折混亂。流速越高，混摻程度越大。 這種的形態(tài)叫做湍（紊）流。湍流主要

59、這種的形態(tài)叫做湍（紊）流。湍流主要 通過質(zhì)點(diǎn)間的混摻來傳遞動(dòng)量、熱量和通過質(zhì)點(diǎn)間的混摻來傳遞動(dòng)量、熱量和 質(zhì)量的，傳遞速率遠(yuǎn)大于層流。水利工質(zhì)量的，傳遞速率遠(yuǎn)大于層流。水利工 程所涉及的流動(dòng)，一般為湍流。程所涉及的流動(dòng)，一般為湍流。 (2)雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)：雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)： 實(shí)驗(yàn)證明，確定圓管內(nèi)流動(dòng)是層流還是實(shí)驗(yàn)證明，確定圓管內(nèi)流動(dòng)是層流還是 湍流，流動(dòng)速度不是惟一因素，還與管道湍流，流動(dòng)速度不是惟一因素，還與管道 直徑和流體的性質(zhì)有關(guān)。判斷依據(jù)是一個(gè)直徑和流體的性質(zhì)有關(guān)。判斷依據(jù)是一個(gè) 叫雷諾數(shù)的無量綱參數(shù)。叫雷諾數(shù)的無量綱參數(shù)。 式中式中、分別為液體的密度、動(dòng)力粘滯系數(shù)分別為液體的密

60、度、動(dòng)力粘滯系數(shù) ，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；v為為流動(dòng)的特征速度；流動(dòng)的特征速度； L為特征長(zhǎng)度，管道取直徑為特征長(zhǎng)度，管道取直徑d。 vLvL Re 故，對(duì)管道流動(dòng)：故，對(duì)管道流動(dòng)： 由于由于 所以，雷諾數(shù)表征液體慣性力與粘滯力之比，所以，雷諾數(shù)表征液體慣性力與粘滯力之比， 雷諾數(shù)小時(shí)雷諾數(shù)小時(shí),粘性效應(yīng)在整個(gè)流場(chǎng)中起主要作粘性效應(yīng)在整個(gè)流場(chǎng)中起主要作 用用,流動(dòng)為層流。雷諾數(shù)大時(shí)，慣性效應(yīng)在整流動(dòng)為層流。雷諾數(shù)大時(shí)，慣性效應(yīng)在整 個(gè)流場(chǎng)起決定作用，流動(dòng)變成為湍流。個(gè)流場(chǎng)起決定作用，流動(dòng)變成為湍流。 我們把流動(dòng)從層流轉(zhuǎn)捩（我們把流動(dòng)從層流轉(zhuǎn)捩（lie）為湍流所對(duì)）為湍流所對(duì) 應(yīng)的雷諾數(shù)叫