建筑設(shè)備流體力學(xué)課件

第一章流體力學(xué)第一章流體力學(xué)1.1流體力學(xué)基本知識(shí)本章了解和掌握的內(nèi)容的內(nèi)容：流體的主要物理性質(zhì)慣性、重力特性、粘滯性、壓縮性和膨脹性流體靜壓強(qiáng)及其分布規(guī)律流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流動(dòng)阻力和水頭損失1.1流體力學(xué)基本知識(shí)本章了解和掌握的內(nèi)容的內(nèi)容：研究對(duì)象流體氣體液體流體的主要物理性質(zhì)基本特征：具有流動(dòng)性研究對(duì)象流體氣體液體流體的主要物理性質(zhì)基本特征：具有流動(dòng)性流動(dòng)性使流體具有的特點(diǎn)：流體沒有固定的形狀，其形狀由約束它的邊界形狀決定。流體的運(yùn)動(dòng)與它的物理學(xué)力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。即流體運(yùn)動(dòng)時(shí)其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間有復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體的運(yùn)動(dòng)和變形聯(lián)系在一起。流動(dòng)性使流體具有的特點(diǎn)：

在供熱通風(fēng)與空調(diào)、燃?xì)夤こ毯徒o水排水工程中,用于熱的供應(yīng)、空氣的調(diào)節(jié)、通風(fēng)、除塵降溫、排除熱濕氣體及有害氣體、燃?xì)獾墓?yīng)與輸配以及給水供應(yīng)和污水排出等,都是以流體作為工作介質(zhì),通過流體的各種物理作用,分別對(duì)氣體或液體的流動(dòng)進(jìn)行有效的組織與控制來實(shí)現(xiàn)的。因此,流體力學(xué)是研究流體宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并運(yùn)用這些規(guī)律解決實(shí)際工程問題的一門學(xué)科。 在供熱通風(fēng)與空調(diào)、燃?xì)夤こ毯徒o水排水工程中,用于熱的供應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的兩個(gè)分支：液體：水力學(xué)和流體力學(xué)氣體：氣體動(dòng)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的兩個(gè)分支：液體和氣體的區(qū)別：氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；液體有一定的體積，存在一個(gè)自由液面；氣體能充滿任意形狀的容器，無一定的體積，不存在自由液面。

液體和氣體的共同點(diǎn)：

兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。液體和氣體的區(qū)別：

在工程實(shí)踐中用流體力學(xué)解決的問題,一般都具有較大的幾何尺寸,因此,流體力學(xué)不去研究微觀的分子運(yùn)動(dòng),而只研究流體表現(xiàn)出來的統(tǒng)計(jì)平均力學(xué)性質(zhì),即研究流體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng),把流體看成是由無數(shù)流體微團(tuán)(或稱質(zhì)點(diǎn))充滿的、內(nèi)部無空隙的連續(xù)體(或稱為連續(xù)介質(zhì))。引入連續(xù)介質(zhì)這個(gè)假設(shè)就可以不考慮復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng),而只考慮流體在外力作用下的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。同時(shí)還可進(jìn)一步認(rèn)為:表征流體運(yùn)動(dòng)和性質(zhì)的各物理量在空間是連續(xù)分布的,從而把連續(xù)函數(shù)的概念引入到流體力學(xué)中來。這樣,就可以利用數(shù)學(xué)分析這一有力的工具來研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 在工程實(shí)踐中用流體力學(xué)解決的問題,一般都具有較大的幾何尺

流體力學(xué)雖然主要研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng),但自然界的一切事物都是相互聯(lián)系的,單純的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是不存在的,尤其是氣體的機(jī)械運(yùn)動(dòng),總是和熱運(yùn)動(dòng)分不開的,流體力學(xué)只不過是著重從機(jī)械運(yùn)動(dòng)的角度來研究而已。 流體力學(xué)雖然主要研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng),但自然界的一切事物都

流體力學(xué)的應(yīng)用:重工業(yè):冶金、電力、采掘等工業(yè)輕工業(yè):化工、紡織、造紙等工業(yè)交通運(yùn)輸業(yè):飛機(jī)、船舶設(shè)計(jì)以及農(nóng)田灌溉、水利建設(shè)、河道整治等工程土建工程和環(huán)境工程:給水排水、供熱通風(fēng)、燃?xì)夤?yīng)等工程,

城市地下工程:地下空間的通風(fēng)、防火排煙

煤炭工業(yè):礦井通風(fēng)、排水等 流體力學(xué)的應(yīng)用:流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)慣性和重力特性粘滯性膨脹性與壓縮性壓強(qiáng)增大體積縮小溫度升高體積膨脹建筑環(huán)境與設(shè)備工程中的水、氣流體一般認(rèn)為是一種易于流動(dòng)的、具有粘滯性的不可壓縮的流體密度容重流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì)慣性和重力特性粘滯性膨脹流體的密度和容重隨外界壓力和溫度而變化。水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和4攝氏度時(shí),其ρ=1000kg/m3、γ=9.807kN/m3。水銀在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和0攝氏度時(shí),密度和容重是水的13.6倍。干空氣在溫度為20攝氏度、壓強(qiáng)為01324.72Pa時(shí)密度和容重分別為1.2kg/m3和11.80N/m3。流體的密度和容重隨外界壓力和溫度而變化。流體的粘滯性du/dy－流速梯度，沿垂直流速方向單位長(zhǎng)度的流速增值流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的內(nèi)摩力用以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)流體的粘滯性du/dy－流速梯度，沿垂直流速方向單牛頓在1687年總結(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,首先提出了流體內(nèi)摩擦力的假說——牛頓內(nèi)摩擦定律。將切應(yīng)力表示為：牛頓在1687年總結(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,首粘度的影響因素流體粘度μ（動(dòng)力粘滯性系數(shù)）的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變化而變化。

1）流體種類。一般地，相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。

2）壓強(qiáng)。對(duì)常見的流體，如水、氣體等，μ值隨壓強(qiáng)的變化不大，一般可忽略不計(jì)。

3）溫度。是影響粘度的主要因素。當(dāng)溫度升高時(shí)，液體的粘度減小，氣體的粘度增加。

粘度的影響因素流體粘度μ（動(dòng)力粘滯性系數(shù)）的溫度對(duì)流體粘度的具體影響a.液體：內(nèi)聚力是產(chǎn)生粘度的主要因素，當(dāng)溫度升高，分子間距離增大，吸引力減小，因而使剪切變形速度所產(chǎn)生的切應(yīng)力減小，所以μ值減小。

b.氣體：氣體分子間距離大，內(nèi)聚力很小，所以粘度主要是由氣體分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)量交換的結(jié)果所引起的。溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)量交換頻繁，所以μ值增加。溫度對(duì)流體粘度的具體影響膨脹性與壓縮性膨脹性：流體溫度改變時(shí)，其體積變化或密度變化的性質(zhì)壓縮性：作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化的性質(zhì)膨脹性與壓縮性膨脹性：流體溫度改變時(shí)，其體積變化或密度變化的膨脹性與壓縮性結(jié)論：1、液體壓縮性和膨脹性很小，引起工程誤差很小，可忽略。2、氣體有顯著的壓縮性和膨脹性，t與P的變化對(duì)v影響很大

速度較低的氣體——不可壓縮氣體

速度較高的氣體——可壓縮氣體3、當(dāng)氣體的溫度不過低、壓強(qiáng)不過高時(shí)，T、P、v三者關(guān)系服從理想氣體狀態(tài)方程膨脹性與壓縮性結(jié)論：

一般將建筑環(huán)境與設(shè)備工程系統(tǒng)中流速較低、密度變化很小的水和氣體，認(rèn)為是一種易于流動(dòng)、具有粘滯性和不可壓縮的流體。

連續(xù)介質(zhì)

連續(xù)介質(zhì)是流體力學(xué)或固體力學(xué)研究的基本假設(shè)之一。它認(rèn)為流體或固體質(zhì)點(diǎn)在空間是連續(xù)而無空隙地分布的，且質(zhì)點(diǎn)具有宏觀物理量如質(zhì)量、速度、壓強(qiáng)、溫度等，都是空間和時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，滿足一定的物理定律（如質(zhì)量守恒定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、能量守恒定律、熱力學(xué)定律等）。連續(xù)介質(zhì) 連續(xù)介質(zhì)是流體力學(xué)或固體力學(xué)研究的基本假設(shè)之表面張力表面張力：由于分子間的吸引力，在液體的自由表面上能夠承受極其微小的張力。表面張力是液體的特有性質(zhì)表面張力系數(shù)σ，單位N/m表面張力發(fā)生在：液體與氣體接觸的周界面；液體與固體接觸的周界面；液體與液體接觸的周界面表面張力的影響在一般是工程中被忽略，但在水滴和氣泡的形成、液體霧化、氣液兩相流的傳熱介質(zhì)的研究中不能被忽略表面張力表面張力：由于分子間的吸引力，在液體的自由表面上能夠表面張力

由于表面張力的作用,如果把兩端開口的玻璃細(xì)管豎立在液體中,液體就會(huì)在細(xì)管中上升和下降當(dāng)管徑很小時(shí),h可以很大。因此,用來測(cè)定壓強(qiáng)的玻璃細(xì)管直徑不能太大,否則就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。如果把玻璃細(xì)管豎立在水中當(dāng)水溫為20度時(shí),則水在管中的上升高度為如果把玻璃細(xì)管豎立在水銀中,當(dāng)水銀溫度為20度時(shí),則水銀在管中的下降高度為表面張力 由于表面張力的作用,如果把兩端開口的玻璃細(xì)管豎立1.1.3流體靜力學(xué)目的：學(xué)習(xí)和討論流體靜止?fàn)顟B(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，不存在切相應(yīng)力流體靜止是運(yùn)動(dòng)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1.1.3流體靜力學(xué)目的：學(xué)習(xí)和討論流體靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)流體靜壓強(qiáng)一、流體靜壓強(qiáng)及其特性

(1)

靜水壓力與靜水壓強(qiáng)靜止液體作用在與之接觸的表面上的水壓力稱為靜水壓力P.在靜水中表面積為△

A的水體，微小面積△A所受作用力△P，該微小面積上的平均壓強(qiáng)為當(dāng)△A無限縮小至趨于點(diǎn)K時(shí)，K點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)

靜水壓強(qiáng)的因次：力/面積。單位：Pa、N/m2、bar、kgf/m2

等105Pa=1bar

返回首頁(yè)流體靜壓強(qiáng)一、流體靜壓強(qiáng)及其特性返回首頁(yè)流體靜壓強(qiáng)特性流體靜壓強(qiáng)的方向與受壓面垂直并指向受壓面。因?yàn)殪o止流體不能承受拉應(yīng)力和不存在切應(yīng)力,所以,只能存在垂直于表面內(nèi)法線方向的壓應(yīng)力——壓強(qiáng)。任意點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)的大小與受壓面的方向無關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。即同一點(diǎn)的各向靜壓強(qiáng)大小相等。流體靜壓強(qiáng)特性（1）分析靜止液體中壓強(qiáng)分布

作用與軸向的外力有：上表面壓力下底面的靜水壓力柱體重力

靜止液體中壓強(qiáng)分布柱體側(cè)面積的靜水壓力其方向與軸向垂直，在軸向投影為零

返回首頁(yè)二、流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律返回首頁(yè)二、流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律

第二節(jié)流體靜力學(xué)特點(diǎn)

方程表示靜水壓強(qiáng)與水深成正比的直線分布規(guī)律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；對(duì)于氣體,由于γ很小,當(dāng)γh不大時(shí),可忽略h

項(xiàng),則p＝p0靜水壓強(qiáng)基本方程式：鉛直小圓柱體處于靜止?fàn)顟B(tài)，其軸向力平衡

流體靜壓強(qiáng)規(guī)律適用于靜止、同種、連續(xù)液體第二節(jié)流體靜力學(xué)特點(diǎn)方程表示靜水壓強(qiáng)與水深成正比的直線幾個(gè)概念等壓面：流體中壓強(qiáng)相等的各點(diǎn)組成的面絕對(duì)壓強(qiáng)pA：是以完全真空為零點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)相對(duì)壓強(qiáng)p：是以大氣壓強(qiáng)為零點(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)真空壓強(qiáng)/真空度pk：某點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的部分工程中通常采用相對(duì)壓強(qiáng)幾個(gè)概念

相對(duì)壓強(qiáng)與絕對(duì)壓強(qiáng)的關(guān)系為：p=pA-pa

某一點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)比較,可以大于大氣壓強(qiáng)pa,也可以小于大氣壓強(qiáng)pa,因此相對(duì)壓強(qiáng)可以是正值也可以是負(fù)值。相對(duì)壓強(qiáng)為正值稱為正壓(即壓力表讀數(shù));負(fù)值稱負(fù)壓,這時(shí)流體處于真空狀態(tài),通常用真空度(或真空壓強(qiáng))來度量流體的真空程度。所謂真空度,是指某點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)低于大氣壓強(qiáng)的部分,用pk

表示,即pk=pa-pA=-p

某點(diǎn)的真空度愈大,說明它的絕對(duì)壓強(qiáng)愈小。真空度的最大值為pk=pa=98kN/m2,即絕對(duì)壓強(qiáng)為零,處于完全真空狀態(tài);真空度的最小值為零時(shí),即pk=0,表明在一個(gè)大氣壓強(qiáng)下。

真空度在pk=0~98kN/m2的范圍內(nèi)變化。 相對(duì)壓強(qiáng)與絕對(duì)壓強(qiáng)的關(guān)系為：p=pA-pa壓強(qiáng)的三種度量單位：用壓強(qiáng)的定義表示用大氣壓的倍數(shù)表示用液柱高度表示標(biāo)準(zhǔn)大氣壓符號(hào)atm，工程大氣壓at標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：1atm=101.325kPa工程大氣壓：1at=1kgf/cm2壓強(qiáng)的三種度量單位：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓符號(hào)atm，工程大氣壓at1.1.4流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流體運(yùn)動(dòng)的基本概念壓力流

無壓流

恒定流非恒定流1.1.4流體運(yùn)動(dòng)的基本知識(shí)流體運(yùn)動(dòng)的基本概念壓力流無壓壓力流：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。最常見的壓力流是滿管流，如供熱工程中管道輸送蒸汽、熱水，空調(diào)管道中流動(dòng)的氣體，給水管道中輸送的液體。無壓流：流體在重力作用下流動(dòng)時(shí)，液體的部分周界和固體壁相接觸，部分周界和氣體相接觸。如天然河、明渠流、管道排污水、管道排雨水和管道排空調(diào)的凝結(jié)水。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恒定流：在流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng).非恒定流：在流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間而變化的流動(dòng)恒定流：在流場(chǎng)中任何空間點(diǎn)上的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)都不隨時(shí)間而變化流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流線流線：同一時(shí)刻連續(xù)流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向線，是一條空間曲線，在該曲線上所有各點(diǎn)的速度向量都與該曲線相切.跡線：流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所走過的軌跡線

恒定流時(shí),流線的形狀和位置不隨時(shí)間而改變,且流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的流線與跡線相重合;但在非恒定流時(shí),流線與跡線一般是不相重合的。流線不能相交。流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流線流線：同一時(shí)刻連續(xù)流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)方向線均勻流非均勻流均勻流和非均勻流均勻流:質(zhì)點(diǎn)的流速的大小和方向均不變的流動(dòng)。非均勻流：漸變流和急變流流體運(yùn)動(dòng)的基本概念均勻流非均勻流均勻流和非均勻流流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)的基本概念元流總流過流斷面元流：水流中取一微小面積dA，在dA上各點(diǎn)引出流線所形成微小流束?？偭鳎毫黧w運(yùn)動(dòng)時(shí)，無數(shù)元流的總和過流斷面：與元流或總流的流線成正交的橫斷面流體運(yùn)動(dòng)的基本概念元流元流：水流中取一微小面積dA，在dA上流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一過流斷面的流體數(shù)量單位時(shí)間內(nèi)通過過流斷面dA的液體體積為dQ=udA體積流量質(zhì)量流量重量流量斷面平均流速：斷面上各點(diǎn)流速的平均值。過流斷面面積乗斷面平均流速得到的流量，等于實(shí)際流速通過該斷面的流量。斷面平均流速計(jì)算公式：流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一過流斷面的流體數(shù)量二、恒定流的連續(xù)性方程式恒定流的連續(xù)性方程式實(shí)質(zhì)：質(zhì)量守恒。不可壓縮的總流體積流量的連續(xù)性方程式或可壓縮的總流體積流量的連續(xù)性方程式或二、恒定流的連續(xù)性方程式恒定流的連續(xù)性方程式不可壓縮的總流體任意斷面：實(shí)際流體恒定總流能量方程：三、恒定流元流的能量方程式不可壓縮、無粘性、恒定流理想流體恒定總流能量方程：任意斷面：實(shí)際流體恒定總流能量方程：三、恒定流元流的能幾個(gè)概念（參考圖1-14）位置水頭壓強(qiáng)水頭流速水頭水頭損失總水頭線總水頭坡度/水力坡度測(cè)壓管水頭線幾個(gè)概念（參考圖1-14）建筑設(shè)備流體力學(xué)課件建筑設(shè)備流體力學(xué)課件1.1.5流動(dòng)阻力和水頭損失

總水頭線是沿著流體流動(dòng)方向逐漸下降的。流體流動(dòng)存在能量損失,稱之為水頭損失或流動(dòng)阻力。1.1.5流動(dòng)阻力和水頭損失 總水頭線是沿著流體流動(dòng)方向流動(dòng)阻力的兩種形式：、沿程阻力：在長(zhǎng)直管路(或明渠)中流動(dòng)的流體所受到的摩擦阻力。局部阻力：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)生劇烈的碰撞,所形成的阻力。對(duì)應(yīng)的能量損失沿程（水頭）損失：為了克服沿程阻力而消耗的單位重量流體的機(jī)械能量。局部（水頭）損失：為了克服局部阻力消耗的單位重量流體的機(jī)械能量。流動(dòng)阻力的兩種形式：、能量損失的計(jì)算沿程損失沿管長(zhǎng)均勻發(fā)生局部損失局部障礙引起的整個(gè)管路的能量損失等于：各管段的沿程損失和局部損失之和能量損失的計(jì)算沿管長(zhǎng)均勻發(fā)生局部損失局部障礙引起的整個(gè)管路的流體流動(dòng)的兩種形態(tài)——層流和紊流流體流動(dòng)的兩種形態(tài)——層流和紊流

對(duì)于流動(dòng)形態(tài)的判斷,雷諾用無因次量綱分析方法得到無因次量——雷諾數(shù)Re來判別。

若Re<2300時(shí),流動(dòng)為層流形態(tài);若Re>2300時(shí),流動(dòng)為紊流形態(tài)。對(duì)于圓管的有壓管流: 對(duì)于流動(dòng)形態(tài)的判斷,雷諾用無因次量綱分析方法得到無因次量對(duì)于非圓管流:若Re<500時(shí),非圓管流為層流形態(tài)；若Re>500時(shí),非圓管流為紊流形態(tài)。在建筑設(shè)備工程中,絕大多數(shù)的流體運(yùn)動(dòng)都處于紊流形態(tài)。只有在流速很小、管徑很大或粘性很大的流體運(yùn)動(dòng)時(shí)(如地下滲流