維修電工第六章-流體力學基礎課件

1、第六章流體力學基礎第一節(jié)流體及其基本性質(zhì)一、流體的概念 液體和氣體統(tǒng)稱為流體。 在物理性質(zhì)方面，流體與固體之間存在很大差異。其差異主要表現(xiàn)在：固體具有一定的抗壓、抗拉、抗切能力。而流體只具有較強的抗壓能力，它的抗拉、抗切能力極小，只要流體受到微小的拉力和切力作用，就會發(fā)生連續(xù)不斷地變形，使各質(zhì)點間產(chǎn)生不斷的相對運動。流體的這種性質(zhì)稱為流動性。這是它便于用管道輸送，適宜在制冷和空調(diào)系統(tǒng)中作為工質(zhì)的主要原因之一二、流體的主要物理性質(zhì)(一)粘滯性 當流體內(nèi)各部分之間有相對運動時，接觸面之間存在內(nèi)摩擦力，阻礙流體的相對運動，這種性質(zhì)稱為流體的粘滯性或粘性，流體的內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。表6-1水的粘度表6

2、-2一個大氣壓下空氣的粘度(二)壓縮性和膨脹性 1686年牛頓在大量實驗的基礎上，提出了牛頓內(nèi)摩擦定律：當流體作層狀流動時，內(nèi)摩擦力的大小與兩流層間的速度差du成正比，與距離dy成反比；與流層間的接觸面積A成正比；與流體的種類有關；與流體的壓力大小無關。內(nèi)摩擦力的數(shù)學表達式為 在流體力學中，經(jīng)常出現(xiàn)運動粘度，單位是m2/s或cm2/s(稱為斯)，它是動力粘度與流體密度的比值，即二、流體的主要物理性質(zhì) 流體的壓縮性是指在一定溫度下，流體體積隨壓強增大而減小的性質(zhì)；而膨脹性是指在一定壓強下，流體體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)。(三)表面張力 在液體的自由表面中，每個分子都受到垂直指向液面的不平衡力。在

3、這種力的作用下，液體表面中的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢，從而使液面盡可能地收縮成最小面積。使液體表面有收縮傾向的力稱為液體的表面張力。氣體不能形成自由表面，所以不存在表面張力。三、作用在流體上的力作用在流體上的力分為表面力和質(zhì)量力兩種。 表面力是指作用在流體表面上的力，與作用面積大小成正比。表面力包括與表面相垂直的壓力和與表面相切的切向力(摩擦力)。對于靜止流體，表面上不存在切向力，只受壓力作用。 質(zhì)量力是作用在流體內(nèi)部每一個質(zhì)點上的力，與流體質(zhì)量成正比。質(zhì)量力包括重力和慣性力。靜止流體所受的質(zhì)量力只有重力。第二節(jié)流體靜力學基礎一、流體靜壓強及其特性圖6-1流體靜壓強 流體質(zhì)點之間、流體與容

4、器壁之間都有相互作用力。將靜止流體單位面積上的作用力叫做流體靜壓強，單位是帕(Pa)。 流體靜壓強有兩個重要特性：其一，流體靜壓強的方向必然垂直于作用面，并指向作用面；其二，靜止流體內(nèi)任一點各方向的靜壓強均相等。二、流體靜壓強基本方程式(一)流體靜壓強基本方程式的推導如圖61所示，設在靜止液體中取一鉛直放置的微小圓柱體，橫截面積為dA，高度為h，上表面與自由表面重合，壓強為p0，下底面靜壓強為p。圖6-2靜止水箱根據(jù)力的平衡條件Fy=0，則得1)在靜止液體中，靜壓強的分布規(guī)律隨深度按直線規(guī)律變化。2)在同種、靜止、連續(xù)的液體中，位于同一深度各點的靜壓強值均相等。二、流體靜壓強基本方程式1)在靜

5、止液體中，靜壓強的分布規(guī)律隨深度按直線規(guī)律變化。2)在同種、靜止、連續(xù)的液體中，位于同一深度各點的靜壓強值均相等。流體靜壓強基本方程式還有另外一種表示形式。圖62所示為一靜止水箱，水箱下任選基準面00，水面壓強為p0，水中任選的1、2兩點壓強分別為p1和p2，距離基準面的高度分別為Z0、Z1和Z2，由式（64）可得二、流體靜壓強基本方程式(二)等壓面 由壓強相等的各點所組成的面叫等壓面。特性是：等壓面與質(zhì)量力相互垂直；等壓面不能相交；兩種互不摻混的液體，其交界面必為等壓面。等壓面對解決許多流體平衡問題很有用處，正確地選擇等壓面可以簡化計算。選擇等壓面必須滿足三個條件，即液體必須是僅受重力作用的

6、靜止、同種、連續(xù)流體。二、流體靜壓強基本方程式(三)靜壓強基本方程式的應用1.連通器 所謂連通器，就是指互相連通的兩個或兩個以上容器的組合體。按液體重度和液面壓強的不同分三種情況來討論連通器內(nèi)液體的平衡。圖6-3連通器二、流體靜壓強基本方程式2.液柱式測壓計 工程上廣泛采用液柱式測壓計測量壓縮機、泵、風機、某些管道斷面的流體壓強。圖6-4測壓管(1)測壓管測壓管是一根兩端開口的玻璃直管或U型管，管內(nèi)采用水或水銀、酒精等作為測量介質(zhì)。應用時一端連接在被測容器或管道上；另一端開口，直接與大氣相通，液面相對壓強為零。如圖6-4所示.二、流體靜壓強基本方程式圖6-5壓差計(2)壓差計壓差計又稱比壓計，

7、用來測量流體兩點間壓強差。如圖6-5所示，應用時接于被測流體A、B兩處，按U型管中水銀的高度差可計算出A、B兩處的壓強差。二、流體靜壓強基本方程式圖6-6微壓計(3)微壓計在測定微小壓強或壓強差時，為了提高測量精度，可以將直管測壓計的細管根據(jù)需要與水平方向成角放置，成為一臺傾斜式微壓計，如圖6-6所示。第三節(jié)流體動力學基礎一、流體動力學基本概念(一)流體運動規(guī)律的研究方法研究流體運動規(guī)律一般有兩種方法，即拉格朗日法和歐拉法。(二)恒定流與非恒定流描述流體運動特征的物理量，如壓強、流速等稱為流體的運動要素。按流體的運動要素是否隨時間變化，可以將流體的運動分為恒定流和非恒定流。(三)漸變流與急變流

8、漸變流又稱緩變流，是指流速變化比較緩慢，流線近似于平行線的流動形式。由于漸變流流速變化比較小，所以在分析其運動規(guī)律時，可以不考慮慣性力和粘滯力的影響，只考慮重力與壓力的作用，這與靜止流體所考慮的一致。(四)流線與跡線一、流體動力學基本概念流線是指某一瞬時流體質(zhì)點的切線方向與該點的速度方向相重合的空間曲線，它是流體質(zhì)點的流動方向線，是歐拉法對流體運動的描述。流線是一條光滑的曲線或直線，不能折轉，且兩條流線不可能相交。流線的疏密程度可以反映流速的大小，流線密集處流速大，流線稀疏處流速小。(五)過流斷面、流量與平均流速在流動流體中，與流線處處垂直的斷面稱為過流斷面，其面積用符號A表示，單位為m2。當

9、流線相互平行，則過流斷面為一平面；當流線互不平行時，則過流斷面為一曲面。(六)濕周、水力半徑與當量直徑過流斷面上的液體與固體壁面接觸的周界長度稱為濕周，用符號x表示。二、恒定流連續(xù)性方程 恒定流連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的具體表現(xiàn)形式。 在恒定流中任取兩個過流斷面，其面積和平均流速分別為A1、v1和A2、v2，則體積流量分別為qV1=v1A1,qV2=v2A2，對于不可壓縮流體，其密度不變，而且管段固體邊界沒有流體的流入流出，因此，這兩個過流斷面的流量應該是相等的，即三、恒定流能量方程(一)能量方程式及意義 流體的各種流動過程實際上也就是流體能量的轉換過程。流體具有動能與勢能，其中流

10、體的勢能又分為位置勢能（簡稱位能）和壓力勢能（簡稱壓能）。流體在各種流動過程中的能量不斷轉換，但轉換過程符合能量守恒定律。從動能原理出發(fā)，推導恒定流能量方程式為三、恒定流能量方程(二)能量方程式的應用1.應用能量方程式的步驟 首先需確定流體的流動必須是恒定流且為不可壓縮流體；然后在漸變流斷面上選取兩個斷面為研究對象，并將通過兩斷面中較低斷面中心點的水平面確定為基準面；列能量方程式，如果兩端面之間流體有機械能輸入（+H）或輸出(-H)，則能量方程式可改寫為：Z1+p1/+a1v2/（2g）H=Z2+p2/+a2v2/（2g）+hw；然后根據(jù)已知條件并結合恒定流連續(xù)性方程確定方程的各項；最后得出結

11、論。2.應用實例圖6-7文丘里流量計三、恒定流能量方程圖6-8皮托管 (1)文丘里(Venturi)流量計文丘里流量計是根據(jù)伯努利方程設計的一種測量管路流量的裝置，屬于差壓式流量計。它由前段圓錐面(漸縮管)、中段圓柱面(喉管)、尾段圓錐面(漸擴管)三部分組成，如圖6-7所示。 (2)皮托(Pitot)管皮托管是測量流體某點流速的儀器，如圖6-8所示，由一個測壓管和一個測速管組成。使用皮托管時，將皮托管下部小孔正對來流方向放入流體中，測得測壓管與測速管高度差，即可計算出該點流速。第四節(jié)能 量 損 失一、流態(tài)及其判別準則圖6-9雷諾實驗裝置示意圖 實際液體流動具有兩種不同的流動形態(tài)(簡稱流態(tài))，并

12、且能量損失的規(guī)律與流態(tài)密切相關。1883年，英國物理學家雷諾在如圖6-9所示的實驗裝置上進行了大量實驗：水箱A上進水管和溢流結構用于保證水位一、流態(tài)及其判別準則圖6-10層流與紊流 當玻璃管B中流速很小時，可以觀察到其內(nèi)部呈現(xiàn)出一條細直而又鮮明的有色流束，如圖6-10a所示。這種流體質(zhì)點互不混雜，有規(guī)則流動，稱為層流。顯然層流只存在由粘性引起的層間滑動摩擦阻力。當閥門C繼續(xù)開大，流速增加到一定值時，有色流束發(fā)生波動，但仍不與周圍的清水摻混，如圖6-10b所二、能量損失的定義及計算(一)能量損失定義及分類流體在流動過程中由于存在粘滯性和慣性，從而受到阻力，使一部分機械能不可逆地轉化為熱能而散失掉

13、，這種機械能損失稱為能量損失。根據(jù)流體流動時的邊界條件不同，把能量損失分為兩類：在邊界沿程不變的區(qū)域，如直管段，為克服摩擦阻力而損失的能量稱沿程阻力損失，用符號hf表示；在管道的彎頭、三通、閥門、突然擴大或突然縮小等局部位置，流體的流動狀態(tài)發(fā)生急劇變化，流速重新分布，并有旋渦產(chǎn)生，為克服局部阻礙而造成的能量損失稱局部阻力損失，用符號hj表示。(二)能量損失計算1.沿程阻力損失的計算(1)層流運動沿程損失圓管層流運動時，在管壁處切應力最大、流速最??；而在管軸處切應力最小、流速最大，通過理論推導可知過流斷面上的切應力按直線規(guī)律分布，流速按拋物線規(guī)律分布，且斷面的平均流速是最大流速的一半。 流體層流

14、運動時，沿程損失與管長、管徑、斷面平均流速及雷諾數(shù)有關，計算公式為二、能量損失的定義及計算圖6-11水力光滑與水力粗糙(2)紊流運動沿程損失紊流運動規(guī)律比較復雜，分析計算時主要采用實驗法來加以歸納總結，以解決工程實際問題。1)紊流結構。2)水力光滑與水力粗糙。 3)能量損失。二、能量損失的定義及計算表6-3常用管道的當量粗糙度值2.局部阻力損失的計算局部阻力損失的普遍計算公式為二、能量損失的定義及計算表6-4常見各種局部阻礙的值二、能量損失的定義及計算表6-4常見各種局部阻礙的值二、能量損失的定義及計算表6-4常見各種局部阻礙的值二、能量損失的定義及計算表6-4常見各種局部阻礙的值二、能量損失的定義及計算表6-4常見各種局部阻礙的值三、減小能量損失的途徑1)對于管子進口，如圖6-12所示，采用流線型進口可將能量損失降為最低。圖6-12幾種不同管道進口三、減小能量損失的途徑2)