第一節(jié) 流體力學基礎知識

1、第一章 基本知識 第一節(jié) 流體力學基礎知識 物質的三種形態(tài)：固體、液體和氣體 流體力學 - 研究流體平衡和運動的 力學規(guī)律及其應用的科學。,第一節(jié) 流體的主要物理性質,一. 流體的密度和容重 （一）密度 1 . 密度：對于均質流體，單位體積的質量。 kg/m3 2 . 容重：對于均質流體，單位體積的重量。 N/m3,3.密度與容重的關系 4.密度和容重與壓力、溫度的關系 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）流體的粘滯性,1. 流體粘滯性的概念,流體內部質點間或流層間因相對運動而產生內摩擦力（粘滯力）以反抗流體相對運動的性質。 2.粘滯性的表示形式 動力粘滯

2、系數(shù) kg/ms 運動粘滯系數(shù) m2/s,3.粘滯性與溫度、壓力的關系 粘滯性受溫度影響大，受壓力影響小。 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。 原因分析：粘滯性是流體分子間的吸引力和分子不規(guī)則的熱運動產生動量交換的結果。液體，分子間的吸引力是決定性因素；氣體，分子間的熱運動是決定性因素。,（三）流體的壓縮性和熱脹性 1.流體的壓縮性 流體受壓，體積縮小，密度增大的性質，稱為流體的壓縮性。 2.流體的熱脹性 流體受熱，體積膨脹，密度減小的性質，稱為流體的熱脹性。,3.液體的壓縮性與熱脹性 液體的壓縮性與熱脹性都很小。 4.氣體的壓縮性與熱脹性 氣體的具有顯著的壓縮

3、性與熱脹性。理想氣體狀態(tài)方程：,二、流體靜壓強及其分布規(guī)律 （一）流體的靜壓強及其特征,1.流體靜壓強的概念,( N/m2 ),p稱為a點的靜壓強,2.靜壓強的單位 從壓強的定義出發(fā): 力/面積 國際單位: N/m2 (以符號Pa表示) 用大氣壓的倍數(shù)表示: 國際單位: 標準大氣壓 1標準大氣壓=101325Pa=1.01325bar(巴),3.流體靜壓強的特征 (1)流體靜壓強 p 的方向必定沿著作用面的內法線方向; (2)任意點的流體靜壓強只有一個值，它不因作用面的方位改變而改變。,二.流體靜壓強的分布規(guī)律,1.靜水壓強基本方程式,-又稱靜水力學基本方程式,水池（壩）壁相對壓強分布圖,3.

4、流體靜壓強的測量 文丘里流量計是一種常用的測量有壓管道流量的裝置，屬壓差式流量計，常用于測量空氣、天然氣、煤氣、水等流體的流量。它包括“收縮段”、“喉道”和“擴散段”3部分，安裝在需要測定流量的管道上。,以N-N為等壓面，則：,注：水銀的密度是13.6g/cm3,練習,A、B兩管平齊，里面盛滿水，下面的U形管里充有水銀，水銀柱高差為h=20cm,則A、B兩管中的壓強差值為（ ）kPa。 A.20.1 B.24.7 C.26.7 D.1.96,B,作業(yè),如圖所示,用U形水銀壓差計測量水管A、B兩點的壓強差,水銀面高hp=10cm,A、B兩點壓強差為多少kPa。,2.絕對壓強與相對壓強,p,pa,

5、0,0,絕對壓強,A,B,A點絕對壓強 pA,A點相對壓強 p,大氣壓強(98kN/m2),B點絕對壓強pB,B點真空度pk,絕對壓強：是以完全真空為零點計算的壓強，用P表示。 相對壓強：是以大氣壓強Pa為零點計算的壓強，用P表示。 絕對壓強與相對壓強的關系： P = P - Pa 真空度：是指某點的絕對壓強不足于一個大氣壓強的部分，用Pk表示。即： Pk = Pa - P = -P,練習1,1、某點的絕對壓強是30KN/m2，相對壓強是多大？真空度是多大？ -68KN/m2；68KN/m2 2、絕對壓力為0.4個大氣壓，其真空度為（）。 A0.4個大氣壓 B0.6個大氣壓 C0.4個大氣壓

6、D0.6個大氣壓,D,練習,3、油的密度為800kg/m3，油處于靜止狀態(tài)，油面與大氣接觸，則油面下0.5m處的表壓強為kPa。 （A）0.8；（B）0.5；（C）0.4；（D）3.9 4、靜止油面(油面上為大氣)下3m深度處的絕對壓強為_(油的密度為800kg/m3，當?shù)卮髿鈮簽?00kPa) A3kPa B23.5kPa C102.4kPa D123.5kPa,D,D,作業(yè),水深5m處的相對壓強約為多少kPa。,三、恒定流的連續(xù)性方程 （一）流體運動的基本概念 1、壓力流與無壓流 （1）壓力流：流體在壓差作用下流動時，流體整個周圍和固體壁相接觸，沒有自由表面，如供熱管道。,供熱管道,（2）

7、無壓流：液體在重力作用下流動時，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，如天然河流等。,2、恒定流與非恒定流 （1）恒定流 ：流體運動時，流體中任一位置的壓強、流速等運動要素不隨時間變化的流動。 （2）非恒定流 ：流體運動時，流體中任一位置的運動要素如壓強、流速等隨時間變化的流動。,注意：自然界中都是非恒定流，工程中取為恒定流。,3、流線與跡線 （1）流線：同一時刻連續(xù)流體質點的流動方向線。 （2）跡線：同一質點在連續(xù)時間內的流動軌跡線。,4、均勻流與非均勻流 （1）均勻流：流體運動時，流線是平行直線的流動。 （2）非均勻流：流體運動時，流線不是平行直線的流動。 1）

8、漸變流：流體運動中流線接近于平行線的流動。 2）急變流：流體運動中流線不能視為平行線的流動。,5、元流、總流、過流斷面、流量與斷面平均流速 （1）元流：流體運動時，在流體中取一微小面積dw，并在dw面積上各點引出流線并形成的一股流束。 （2）總流：流體運動時，無數(shù)總流的總和。,（3）過流斷面：流體運動時，與元流或總流全部流線正交的橫斷面。以dw或w示之，單位：m2或cm2。 注意：均勻流的過流斷面為平面； 非均勻流的過流斷面一般為曲面，其中漸變 流的過流斷面可視為平面。,（4）流量 體積流量：流體運動時，單位時間內通過過流斷面的流體體積。以Q表示，單位：m3/s，L/s。 重量流量：流體運動時

9、，單位時間內通過過流斷面的流體流量。以Q表示，單位：N/s。 質量流量：流體運動時，單位時間內通過過流斷面的流體質量。以Q表示，單位：kg/s。,（5）斷面平均流速 斷面上各點流速的平均值，以 v 表示。,u,v,練習,1、恒定流是（ ）。 A.流動隨時間按一定規(guī)律變化的流動 B.流動中任意空間點的運動要素不隨時間變化的流動 C.各過流斷面的速度分布相同的流動 D.各過流斷面的壓強相同的流動 2、非恒定流，以下對于流線和跡線的正確說法是( )。 A.流線和跡線正交 B.流線和跡線重合 C.流線曲線上任意一點的速度矢量與曲線相切 D.流線越密速度越小,B,C,A1,dA1,u1,1,2,1,2,

10、dQ,u2,A2,dA2,（二）恒定流的連續(xù)性方程式,恒定流中一個控制體：過水斷面1 過水斷面2，以及兩個斷面之間的邊壁與液體之間的交界面。從過水斷面1上取一微小流束，符號如圖。,將上式沿總流過水斷面進行積分,質量流量的連續(xù)性方程,當流體不可壓縮，流體的密度不變。,體積流量的連續(xù)性方程,流量一定時，斷面平均流速與斷面面積成反比。在過水斷面積小的地方流速大；過水斷面面積大的地方流速小。管道越粗，流速越小，管道細，流速越大。,練習,變直徑管，直徑由100mm擴大到200mm，直徑變大后的流速為1.5m/s，直徑變化前的流速為（ ）m/s。 A. 2 B. 3 C. 6 D. 9,C,1,1,2,2

11、,Z1,Z2,v1,v2,p2,hw1-2,-恒定總流實際液體的能量方程（伯努里方程式）,p1,四、恒定流能量方程式 （一）恒定總流實際液體的能量方程,總水頭=重力水頭+靜壓水頭+動壓水頭,上式中： 1-1，2-2過流斷面單位重量液體位能，也稱位置水頭 1-1，2-2過流斷面單位重量液體壓能，也稱壓強水頭 1-1，2-2過流斷面單位重量液體動能，也稱速度水頭 單位重量液體通過流段1-2的平均能量損失，也稱水頭損失,補充：重力水頭跟高度有關，靜壓水頭跟壓強有關，動壓水頭跟流體流速有關。,補充,位置水頭：計算點距基準面 0 - 0 的位置高度;在水力學中,稱為位置水頭;它表征單位重量液體的位置勢能

12、,簡稱單位位能。 壓強水頭：單位重量水體從大氣壓為零點算起的以水柱高度表示的壓能。 速度水頭：流速水頭是指因為流體的流動速度而具有的機械能，又稱動能。 水頭損失：流在運動過程中單位質量液體的機械能的損失稱為水頭損失。產生水頭損失的原因有內因和外因兩種，外界對水流的阻力是產生水頭損失的主要外因，液體的粘滯性是產生水頭損失的主要內因，也是根本原因。,練習,1、總流能量方程中 表示（ ）。 A.單位重量流體具有的機械能 B.單位質量流體具有的機械能 C.單位體積流體具有的機械能 D.通過過流斷面流體的總機械能 2、應用總流能量方程時，流動應為（ ）。 A.均勻流或漸變流 B.恒定流 C.非恒定流 D

13、.可壓縮流體,A,B,如圖所示垂直下泄恒定流水管，出口流速v=6m/s,管徑不變，上游斷面1-1高于出口斷面2-2,高差為4m,水頭損失不計，則上斷面1-1的壓強水頭為（ ）mH2O。 A. 4 B. 6 C. 5 D. -4,練習,D,練習,圖6-16所示一高壓噴嘴，噴嘴出口斷面1-1的平均流速為10m/s,噴至2-2斷面的平均流減少為1m/s,不計水頭損失，則噴射高度H為（ ）m。,A.4.54 B.3.25 C.5.05 D.6.22,C,練習,水在截面不同的水平管中作穩(wěn)定流動，出口處的截面積為管的最細處的3倍。若出口處的流速為2m/s，問最細處的壓強為多少？若在此最細處開一小孔，水會不

14、會流出來？ 由連續(xù)性方程S1v1=S2v2，得最細處的流速v2=6m/s， 再由伯努利方程在水平管中的應用，管的最細處的壓強為：P2=0.85105Pa 小于大氣壓強1.01105Pa，所以水不會流出來。,作業(yè),水在粗細不均勻的水平管中作穩(wěn)定流動。已知截面S1處的壓強為110Pa，流速為0.2m/s，截面S2處的壓強為5Pa，求S2處的流速（內摩擦不計）。,對于不可壓縮氣體，液體能量方程式同樣可以適用，并可簡化為：,(二)實際氣體總流的能量方程式,第四節(jié) 流動阻力和水頭損失 一、流動阻力和水頭損失的兩種形式 （一）沿程流動阻力和沿程水頭損失 沿程阻力-流體在長管中流動，所受的摩擦阻力。 沿程水

15、頭損失-為了克服沿程阻力而消耗的單位重量流體的機械能量，以 hf表示。,（二）局部阻力和局部水頭損失 局部阻力 -流體的邊界在局部地區(qū)發(fā)生急劇變化時，迫使主流脫離邊壁而形成漩渦，流體質點間產生劇烈的碰撞，所形成的阻力。 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械能量，以 hj表示。 整個管道的總水頭損失為：,二、流動的兩種型態(tài)-層流和紊流,1.層流：流體成層成束地流動，各流層間并無質點的摻混現(xiàn)象。 2.紊流：流體的流速較大，質點或液團相互摻混的流體型態(tài)。 3.流體流動型態(tài)的判別(以圓管有壓流為例） 雷諾數(shù) -層流 雷諾數(shù) -紊流 注意：建筑設備工程中，絕大多數(shù)的流體運動都處于紊

16、流型態(tài)。,練習,1、變直徑管流中，細斷面直徑d1，粗斷面直徑 d2=2d1，則粗細斷面雷諾數(shù)關系是 。 2、有兩個圓形管道，管徑不同，輸送的液體也不同，則流態(tài)判別數(shù)（雷諾數(shù)）不相同。（判斷題）,X,練習,1、有一水煤氣焊接鋼管，長度l=200mm，直徑d=100mm。試求流量Q=20L/s，水溫15攝氏度時，該管中水流為層流還是端流？ 提示：由公式 ，可得斷面平均速度。,作業(yè),1、什么是層流和紊流？怎樣判別水流的流態(tài)？ 2、某管道直徑d=50mm，通過溫度為10攝氏度燃料油，燃料油的運動粘滯系數(shù)v=5.1610-6m2/s，試求保持層流狀態(tài)的最大流量Qmax。,（三）沿程水頭損失 采用半經驗公

17、式： 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系數(shù)。 的確定方法： 層流： 紊流：,實際工程中，根據(jù)具體情況采用不同的經驗公式或查圖表（莫迪圖）。,（四）局部水頭損失 計算公式為： 式中： -局部阻力系數(shù)，根據(jù)管配件、附件不同，由實驗測出，可查閱有關手冊。 （五）總水頭損失,練習,1、有一水煤氣焊接鋼管，長度l=200mm，直徑d=100mm。試求流量Q=20L/s，水溫15攝氏度時，該管的沿程水頭損失？ 已求參數(shù)： 阻力系數(shù)： 沿程水頭損失：,練習,2、從水箱引出一直徑不同的管道，如下圖所示，已知d1=150mm，d2=125mm，第二段管子上有一平閘閥，其開度為a/d

18、=0.5，當輸送流量Q=25L/s時，求局部水頭損失hj。,練習,2、從水箱引出一直徑不同的管道，如下圖所示，已知d1=150mm，d2=125mm，第二段管子上有一平閘閥，其開度為a/d=0.5，當輸送流量Q=25L/s時，求局部水頭損失hj。,（1）進口處 進口損失：查局部水頭損失系數(shù)表得直角進口 ，則： 其中,練習,2、從水箱引出一直徑不同的管道，如下圖所示，已知d1=150mm，d2=125mm，第二段管子上有一平閘閥，其開度為a/d=0.5，當輸送流量Q=25L/s時，求局部水頭損失hj。,（2）縮小處 縮小損失：根據(jù) 查局部水頭損失系數(shù)表，得：,練習,2、從水箱引出一直徑不同的管道，如下圖所示，已知d1=150mm，d2=125mm，第二段管子上有一平閘閥，其開度為a/d=0.5，當輸送流量Q=25L/s時，求局部水頭損失