流体力学基本知识课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第1篇 建筑设备基础知识,1 流体力学基本知识,2 传热学基本知识,第1篇 建筑设备基础知识1 流体力学基本知识,1,1,流体力学基本知识,1.1 流体的主要力学性质,1.2 流体静力学的基本概念,1.3 流体动力学的基本概念,1.4 流动阻力与能量损失的基本概念,1 流体力学基本知识1.1 流体的主要力学性质,2,1.1 流体的主要力学性质,流体：物质在自然界中通常按其存在状态的不同分为固体(固相)、液体(液相)和气体(气相)。液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体，它们具有和固体截然不同的力学性质。,流体力学：研究流体处于静止状态与运动状态的力学规律及其实际应用的科学称为流体力学，它是力学的一个分支。,流体的特性：,流体中由于各质点之间的内聚力极小，不能承受拉力，静止流体也不能承受剪切力。,流体具有较大的流动性，且不能形成固定的形状。,流体在密闭状态下能承受较大的压力。,1.1 流体的主要力学性质流体：物质在自然界中通常按其存,3,1.1.1 流体的惯性,流体和其他固体物质一样都具有惯性，即物体维持其原有运动状态的特性。物质惯性的大小是用质量来度量的，质量大的物体，其惯性也大。,对于均质流体，单位体积的质量称为流体的密度，即,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，即,流体的密度和重度随温度和所受压力的变化而变化,。,1.1.1 流体的惯性,4,常用流体的密度和重度：,水在标准大气压，温度为4时密度和重度分别为：,，水银在标准大气压，温度为0时密度和重度是水的13.6倍。,干空气在标准大气压，温度为20时密度和重度分别为：,常用流体的密度和重度：,5,1.1.2 流体的粘滞性,流体的粘滞性,：流体在运动时，由于内摩擦力的作用，使流体具有抵抗相对变形（运动）的性质。,用流速仪可测得流体管道中某一断面的流速分布，如图1.1所示。流体沿管道直径方向分成很多流层，各层的流速不同，管轴心的流速最大，向着管壁的方向逐渐减小，直至管壁处的流速最小，几乎为零，流速按某种曲线规律连续变化。,1.1.2 流体的粘滞性流体的粘滞性：流体在运动时，由于内,6,注意：,对于静止流体，由于各流层间没有相对运动，粘滞性不显示。,流体粘滞性的大小通常用动力粘滞性系数 和运动粘滞性系数 来反映，它们是与流体种类有关的系数，粘滞性大的流体，和 的值也大，它们之间存在一定的比例关系。,流体的粘滞性还与流体的温度和所受压力有关，受温度影响大，受压力影响小。实验证明，水的粘滞性随温度的增高而减小，而空气的粘滞性却随温度的增高而增大,。,牛顿内摩擦定律：,切应力,注意：对于静止流体，由于各流层间没有相对运动，粘滞性不显示。,7,例题,：,已知：平板面积1m,2,与台面之间距离为1mm，充满粘滞系数为0.1Pas的液体，现平板以2m/s的速度平移，求拖动平板所需的力？,例题：,8,解：,解：,9,1.1.3 流体的压缩性和热胀性,流体的压缩性：流体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质。,流体的热胀性：流体温度升高，体积增大，密度减小的性质。,液体的压缩性和热胀性都很小。气体与液体具有显著不同的压缩性和热胀性。,在温度不过低，压强不过高时，气体密度、压强和温度三者之间的关系，有下列气体状态方程式：,对于空气：,1.1.3 流体的压缩性和热胀性流体的压缩性：流体的压强,10,1.1.4 流体的表面张力,表面张力：由于流体分子之间的吸引力，在流体的表面上能够承受极其微小的张力，这种张力称表面张力。,作用点：在液体表面上；在液体与固体的接触界面。,毛细现象：由于表面张力的作用，如果把两端开口的玻璃管竖在液体中，液体会在细管中上升（水）或下降（汞）一定高度，这种现象称作毛细现象。,补充：液体表面曲率越大，表面张力就越大。,1.1.4 流体的表面张力表面张力：由于流体分子之间的吸引,11,1.2 流体静力学的基本概念,流体静力学研究的中心问题是流体静压强的分布规律。,1.2.1 流体静压强及其特性,推导实验：在一容器的静止水中，取出小水体J作为隔离体来进行研究，如图1.2所示。为保持其静止（平衡）状态，周围水体对隔离体有压力作用。设作用于隔离体表面某一微小面积上的总压力是P，则面积上的平均压强为,当所取的面积无限缩小为一点a时，即0，则平均压强的极限值为,1.2 流体静力学的基本概念流体静力学研究的中心问题是流体,12,流体静压强具有两个基本特性：,静压强的方向指向受压面，并与受压面垂直；,流体内任一点的静压强在各个方向面上的值均相等。,流体静压强具有两个基本特性：,13,1.2.2 流体静压强的分布规律,推导：在静止液体中任取一垂直小圆柱作为隔离体，研究其底面点的静压强，如图1.3所示。已知圆柱体高度为h，端面面积为，圆柱体顶面与自由面重合，所受压强为。在圆柱体侧面上的静水压力方向与轴向垂直(水平方向，图中未绘出)，而且是对称的，故相互平衡。则圆柱体轴向的作用力有：,(1)上表面压力，方向垂直向下；,(2)下底面静压力，方向垂直向上；,(3)圆柱体的重力，方向垂直向下。,1.2.2 流体静压强的分布规律推导：在静止液体中任取一垂,14,根据圆柱体静止状态的平衡条件，令方向向上为正，向下为负，则可得到圆柱体轴向力的平衡方程，即,上式是静水压强基本方程式，又称为静水力学基本方程式。,流体静压强的分布规律,：,(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。水压机等一些液压传动装置就是根据这一原理制成的。,根据圆柱体静止状态的平衡条件，令方向向上为正，向下为负，则可,15,静水压强的基本方程式还可表示成另一种形式，见图1.5，设水箱水面的压强为 ，在箱内的液体中任取两点，在箱底以下任取一基准面0-0。箱内液面到基准面的高度为 ，1点和2点到基准面的高度分别为 和 ，根据静水压强基本公式，可列出l点和2点的压强表达式。,静水压强的基本方程式还可表示成另一种形式，见图1.5，设水箱,16,由于点1和点2是在箱内液体中任取的，故可推广到整个液体中得到具体普遍意义的规律，即,这就是静水压强基本方程式的另一种表达形式。该方程式表明在同一种静止液体中，任一点 的总是一个,常数，常数的值与基准面的位置选择及液面压强值有关。,z为任一点的位置相对于基准面的高度，称为,位置水,头,；是在该点压强作用下液体沿测压管所能上升的高,度，称为,压强水头,；两水头相加 称为,测压管水,头,。而 表示在同一容器内的静止液体中，所以各,点的测压管水头均相等。,由于点1和点2是在箱内液体中任取的，故可推广到整个液体中得到,17,对于静止气体的压强计算，由于气体的重度很小，在高度差不大的情况下可将方程中的 项忽略不计，认为 。也就是说在密闭容器中，可以认为容器内各点的气体压强是相等的。,对于静止气体的压强计算，由于气体的重度很小，在高度差不大的情,18,1.2.3工程计算中压强的表示方法和度量单位,1.2.3.1 表示方法,(1)绝对压强 以绝对真空为零点计算的压强称为绝对压强，用 表示。,(2)相对压强 以大气压强为零点计算的压强称为相对压强，用 表示。,在实际工程中，通常采用相对压强。相对压强与绝对压强的关系为,当绝对压强大于大气压强时，相对压强的正值称,正压,，可用压力表测出，也称表压；当绝对压强小于大气压强时，则相对压强为负值称为,负压,，这时该流体处于真空状态，通常用,真空度,(或真空压强)来表示流体的真空程度。即,1.2.3工程计算中压强的表示方法和度量单位1.2.3.1,19,1.2.3.2 压强的度量单位,压强的度量单位通常有三种：,(1)用单位面积的压力来表示，单位是N/m,2,(帕，Pa)或kN/m,2,(千帕，kPa)；,(2)用工程大气压来表示，单位是工程大气压，l工程大气压=98.07kPa，在工程单位制中，1工程大气压lkgf/cm,2,(千克力/厘米,2,)；,(3)用液柱高度来表示，单位是mH,2,O(米水柱)、mmHg(毫米汞柱)。,将压强转换为某种液柱高度的计算公式为,三种压强单位的关系是：,1个工程大气压10mH,2,O735.6mmHg98Kn/m,2,98000Pa,1个标准大气压101.325kPa760mmHg,1.2.3.2 压强的度量单位,20,例题1.1 如图1.7所示，一密闭水箱，箱内流体表面的绝对压强78.4KPa，箱外的大气压强98KPa，求水深1.5m处A点的绝对压强、相对压强和真空度，并用压强的三种单位表示。,例题1.1 如图1.7所示，一密闭水箱，箱内流体表面,21,解,根据静水压强基本方程式，则A点的绝对压强为：,A点的相对压强为：,因为A点的相对压强是负值，说明A点处于真空状态，其真空度为：,用工程大气压表示A点的压强：,=93.111/980.95个工程大气压,-4.889/98-0.05个工程大气压,4.889/980.05个工程大气压,用mH2O表示A点的压强：,因为1个工程大气压10mH,2,O，则A点的压强可表示为,=0.9510=9.5mH2O,=-0.0510=-0.5mH2O,=0.0510=0.5mH2O,解 根据静水压强基本方程式，则A点的绝对压强为：,22,1.3 流体动力学的基本概念,1.3.1 流体动力学的一些基本概念,(1)元流 流体运动时,为研究方便我们把流体中一微小面积形成的一股流束称为元流。,(2)总流 流体运动时,无数元流的总和称为总流。,(3)过流断面 流体运动时,与流体的运动方向垂直的流体横断面。过流断面可能是平面，也可能是曲面，形状有圆形、矩形、梯形等。,(4)流量 单位时间内流体通过过流断面的体积或质量。一般流量指的是体积流量,但也可用质量流量来表示。,(5)流速 单位时间内流体移动所通过的距离。,1.3 流体动力学的基本概念1.3.1 流体动力学的,23,平均流速通过过流断面的流量应等于实际流速通过该断面的流量，这是确定平均流速的假定条件。,流量、过流断面和流速三者之间应符合以下关系,1.3.2 流体运动的类型,(1)有压流 流体在压力差作用下流动，流体各个过流断面的整个周界都与固体壁相接触，没有自由表面，这种流体运动称为有压流或压力流，也称为管流。如供热管道中的汽、水等带热体，给水管中的水流都是有压流。,(2)无压流 流体在重力作用下流动，流体各个过流断面的部分周界与固体壁相接触，具有自由表面，这种流体的运动称为无压流或重力流，或称为明渠流。如天然河道、明渠、排水管中的水流都是无压流。,平均流速通过过流断面的流量应等于实际流速通过该断面的流量，这,24,(3)恒定流 流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素不随时间变化，这种流体运动称为恒定流，如图1.11(a)所示。,(4)非恒定流 流体运动时，流体中任一位置的运动要素如压强、流速等随时间变化而变化，这种流体运动称为非恒定流，如图1.11(b)所示。,(3)恒定流 流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动,25,1.4 流动阻力与能量损失的基本概念,1.4.1 流动阻力和能量损失的两种形式,单位质量的流体流动中所消耗的机械能，称为能量损失或水头损失。,1.4.1.1 沿程阻力和沿程水头损失,流体在长直管（或明渠）中流动时，所受到的摩擦力称为沿程阻力。为了克服沿程阻力，单位质量的流体所消耗的机械能称为沿程水头损失，常用 来表示。,1.4 流动阻力与能量损失的基本概念1.4.1 流动阻,26,1.4.1.2 局部阻力和局部水头损失,流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使流体流速的大小和方向发生显著变化，甚至使主流脱离边壁形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，从而对流体运动形成了阻力，这种阻力称为局部阻力。,为了克服局部阻力，单位质量的流体所消耗的机械能称为局部水头损失，常用 来表示。,管道系统中，在管径不变的直管段上，只有沿程水头损失 ，在管段入口处和管道变径处以及弯头、闸门等水流边界急剧改变处产生局部水头损失 。,流体力学基本知识课件,27,1.4.2 流态与判定,流体在流动的过程中，呈现出两种不同的流动状态层流和紊流。,判定流体的流动形态，常用无因次量雷诺数Re来判别。,对于圆管的有压管流：Re2000时，流体为层流形态；Re2000时，流体为紊流形态,。,当Re500时，明渠流为层流形态；当Re500时，明渠流为紊流形态。,1.4.2 流态与判定,28,1.4.4 非圆管的沿程损失,以上讨论的是圆管，圆管是最常用的断面形式，但工程上也常用到非圆管的情况。例如通风系统中的风道，有许多就是矩形的。如果把非圆管折合成圆管计算，那么前面讲述的公式和图表等，也就适用于非圆管了。折合的方法是通过建立非圆管的当量直径来实现的。,水力半径及的定义为过流断面面积A和湿周X之比。,圆管的水力半径为,边长为a和b的矩形断面水力半径为,1.4.4 非圆管的沿程损失,29,边长为d的正方形断面的水力半径为,令非圆管的水力半径R和圆管的水力半径d/4相等，即得当量直径的计算公式,矩形管的当量直径为,方形管的当量直径为,有了当量直径，只要用代表d，非圆管的沿程阻力损失就可以计算出来,边长为d的正方形断面的水力半径为,30,非圆管的雷诺数也能计算出来,在实际工程中应尽可能减小阻力。减小阻力的办法很多：,一是改进流体外部的边界，改善边壁对流动的影响；,二是在流体内部投加极少量的添加剂，使其影响流体的内部结构来实现减阻。,非圆管的雷诺数也能计算出来,31,习题:,1.有一水煤气焊接钢管，长度 ，直径 ，试求流量 ，水温15时，该管的沿程水头损失是多少？（当紊流且时 ，）,2.有一管径 的室内水管，管中流速 ，水温25，判别管中水的流态？,习题:1.有一水煤气焊接钢管，长度,32,