jisohe:建筑设备 第一章流体力学_图文

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第1章 流体力学基本知识

教学目标:
?了解流体的主要力学性质;
?理解流体静力学和流体动力学的基本概念; ?掌握流动阻力与能量损失的基本概念。

? 流体力学是力学的一个分支,它是研究流 体静止和运动的力学规律,及其在工程技 术中的应用。

? 本章介绍流体静力学、流体动力学、流体 运动的基本知识,以及流体阻力和能量损 失的基本概念。

§1-1 流体的主要力学性质
一、惯性
? 定义:惯性是物体维持原有运动状态的性质。 质量:表征惯性的物理量。 流体的质量:常以密度来反映。 密度:对于均质流体,单位体积的质量称为密度 ? ? m /V ,即: 重度:对于均质流体,单位体积的流体所受的重 力称为流体的重力密度,简称重度。
即:
? ? G / V ? mg / V ? ? g

?液体的密度和重度可视为固定值,气体却不能。

二、粘滞性
? 定义:流体内部质点间或层流间因相对运动而产 生内摩擦力(切力)以反抗相对运动的性质叫做 粘滞性 。此内摩擦力称为粘滞力。 ? 对于静止流体,由于各层间没有相对运动,粘滞 性不显示。

管道中断面流速分布

? 流体的粘滞性大小,通常用动力粘滞性系数μ 和 运动粘滞性质系数ν 来反映。其值大,说明流体 的粘滞性也大。 动力粘滞系数与运动粘滞系数相互关系:

v??/?

?水与空气流动性哪个大?
P3表中有水和空气的粘滞性系数。可以看出,水的动力粘滞 性系数比空气大得多,可是运动粘滞性系数只是同温度空气 的十分之一。因此,水比空气流动性大。因为流体是运动学 概念,衡量流体流动性应用运动粘滞性系数。

三、压缩性和热胀性
? 定义: 流体的压强增大,体积缩小,密度增大的性质, 称为流体的压缩性。 流体温度升高,体积增大,密度减小的性质,称 为流体的热胀性。

结论:
1)液体压缩性和热胀性很小,在工程技术领域 中可忽略不计。 2)气体有显著的压缩性和热胀性。 3)但在处理问题时,也要具体问题具体分析。

§1-2 流体静力学的基本概念
? 流体静止是运动中的一种特殊状态。 ? 流体处于静止状态,不显示粘滞性(各质点之间 均不产生相对运动)。 ? 流体静力学的中心问题是研究流体静压强的分布 规律。

一、流体静压强及其特性
1、流体静压强的两个基本特性:
(1)静压强的方向指向受压面,并与受压面垂直。 (2)流体内任意一点的静压强在各个方向面上的 值均相等。

讨论:
在静止或相对静止流体中,任一点的液体压强的大小与作 用面方向无关,只与该点位置有关。各点位置不同,压强大 小可能不同,位置一定,不论取哪个方向,压强大小完全相 等。因此,流体静压强大小只是空间位置的函数。

二、流体静压强的分布规律
1、静水压强基本方程式:

P ? P ? rh 0
分布规律:
静压强分布图

1)静止液体内任意一点的压强等于液面压强加上液体重度与 深度乘积之和。 2)在静止液体内,压强随深度按直线规律变化。 3)在静止液体内同一深度的点压强相等,构成一个水平的等 压面。 4)液面压强可等值地在静止液体内传递。

2、静水压强基本方程的另一种形式
在容器中,任取两点:
p1 ? p0 ? r ( z0 ? z1 )

p2 ? p0 ? r ( z0 ? z2 )

经整理得: z ?

p

?

? C (常数)

?这个常数C与z(基准面位置)、p(液面压强)、 γ(液体重度有关)。

概念引入:
位置水头 :z
压强水头 :p/γ 测压管水头 :z+p/γ=C 同一容器内静止液体中, 测压管水头均相等。

三、压强的表示方法和度量单位
1、表示方法
(1)绝对压强Pj:以绝对真空为零点。 (2)相对压强P: 以大气压Pa为零点。 工程中,通常采用相对压强,P可正可负。
?绝对压强与相对压强的关系:P=Pj–Pa P为正值时:Pj>Pa,称为正压(表压,即压力表 读数)。 P为负值时:Pj<Pa,称为负压(负压的绝对值称 真空度,即真空表读数)。 真空度(只能是正值):Pk=Pa-Pj=-P

2、压强的度量单位
(1)用单位面积的压力表示来,单位为N/㎡(Pa) (2)用大气压的倍数
? 国际上规定标准大气压(温度为0℃时海平面上的压强, 即760㎜Hg)为101.325KPa。即1标准大气压=101.325KPa。

? 工程单位中规定工程大气压(相当于海拔200米处的正常 大气压)为1kgf/cm2,即1at=1kgf/cm2 = 98.07KPa。

例如:某点的绝对压强为303.975KPa,则称绝对压强为三
个标准大气压,或称相对压强为两个标准大气压。

(3)用液柱高度来表示,单位是mH2O、㎜H2O、㎜Hg 将压强转换为某种液柱高度的计算公式为:
h? p

?

一标准大气压: 三种压强换算关系:

101325 N / m2 h? ? 10.33m 3 9807 N / m

1工程大气压?10mH2O?735.6㎜Hg?98kN/㎡?98KPa
1标准大气压?101.325KPa?760㎜Hg

§1-3 流体动力学的基本概念
一、流体动力学的基本名词
1、元流 2、总流 3、过流断面,可能是平面,也可能是曲面 4、流量Q 5、流速Q=WV
? 由于粘滞性,过流断面上流速不是定值。在实际工程中 通常采用过流断面上各质点流速的平均值即平均流速。 平均流速通过过流断面的流量应等于实际流速通过断面的 流量。

二、流体运动的类型
1、有压流(管流) 流体在压差作用下流动,流体整个周围都和固体 壁相接触,没有自由表面。如给水管道中的水流。

2、无压流(重力流)
流体在重力作用下流动,流体的部分周界与固体 壁相接触,部分周界与气体相接触,形成自由表 面。如排水管道中的水流(有充满度,不是100% 充满)。

3、恒定流 流体运动时,流体中任一位置的压强、流速等运 动要素都不随时间而变化的流动。 4、非恒定流 流体运动时,流体中任一位置的压强、流速等运 动要素随时间的变化而变动的流动。

?自然界中都是非恒定流,建筑设备工程中为便于计 算和讨论,近似取为恒定流。

§1-4 流动阻力与能量损失的基本概念
? 流体在运动中,克服各种流动阻力所作的功,将 使它的一部分机械能不可逆转地转化为热能,从 而形成了能量损失。 能量损失(水头损失):单位质量的流体流动中 所消耗的机械能。

一、流动阻力和能量损失的两种形式
1、沿程阻力和沿程水头损失
? 沿程阻力:流体在管道中流动,所受的摩擦力。 ? 沿程水头损失:为克服摩擦力,单位质量流体所 消耗的机械能,常用hf表示。

lv hf ? ? d ? 2g

2

? -沿程阻力系数,可查有关手册或实验得出。

2、局部阻力和局部水头损失
? 局部阻力:在边壁出现急剧变化的区域,由于出 现了旋涡区和速度分布改组,流动阻力大大增加。 ? 局部水头损失:为了克服局部阻力,单位质量的 流体所消耗的机械能,通常用hj表示。

hj ? ? v / 2 g
2

? -局部阻力系数,不同管件对应不同值,可
查有关手册 。

? 上述两个公式不是严格的理论公式,而是根据工 程上长期实践的经验得出。目前,还不可能用纯 理论的方法解决能量损失计算的全部问题。 ?整个管道的总水头损失等于各管段的沿程水头损 失与各局部水头损失分别叠加之和。即:

hw ? ?hf ? ?hj

3、流态的判定
? 两种流态:层流和紊流 随着流速增大,层流→紊流 ? 判断流体的流动形态:Re ? vd /? ? 工程中,绝大多数流体运动处于紊流形态。

作 业
1、两个工程大气压(绝对压强)的相对压强是多 少?分别用Pa、mH2O、㎜Hg、kgf/cm2表示。

2、水与空气的流动性哪个大?为什么?


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