流体力学基础知识

,*,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,第一章 制冷与空调技术理论基础,第一部分 工程流体力学基础知识,一、流体的主要物理性质,（一）密度和比体积,单位体积物质具有的质量，称为该物质的,密度,，用希腊字母,表示。,密度的倒数称为,比体积,，也叫做,比容,，用字母v表示，含义是单位质量物质所占的空间体积。,（二）重度,单位体积物质具有的重量称作,重度,，用希腊字母,表示,重度与密度的关系为：,=g,（三）流体的压缩性和热胀性,一定量的流体所受外界压力增大的时候，其体积将缩小，密度会增大，该性质称为流体的,压缩性,。,一定量的流体受热温度升高的时候，其体积将增大，密度会减小，该性质称为流体的,热胀性,。,气体的压缩性必液体显著的多，一般将液体视为不可压缩流体。在一些情况下（如空气沿通风管道前进）也将气体视作不可压缩流体。于此同时，我们对于液体的热胀性要给予足够的认识和重视。如高楼水系统种一般设置膨胀水箱。,（四）流体的粘滞性,所有的流体都有,粘滞性,，这是由于分子之间的引力造成的，粘滞性会影响流体流动的性质，粘滞性的大小可以用,粘度,来衡量。粘度越大的流体其流动的时候阻力越大。,例子：水、食用油、热沥青的粘性和流动性比较。,理想流体,：粘滞性会使得流体流动复杂化，为了简化问题分析，引入理想流体的概念：,没有粘滞性的流体即是理想流体,。对于粘滞性较小的流体，比如水，在很多情况下可以忽略其粘滞性，将其视作理想流体。但是在涉及较远距离输送的时候则必须考虑粘滞阻力造成的影响。,二、流体的静压力,静止流体内部单位面积上的法向表面里叫做,静压力,，即物理学上所说的静压强。,流体静压力是具有,能量意义,的，和静压力相关的是流体的,分子势能,，也叫做,压力势能,。,液体静压力分布规律：,1.液体内部静压力大小p=p,0,+h 或 p=p,0,+gh，其中p,0,为液面处压力大小。,2.取流体内部任意一点，该点处各个方向上 的静压力大小相等。,3.p,0,一定时，流体内部同一深度各点静压力大小相等，构成一个等压面，该等压面为水平面。,4.静压力分布与容易形状无关，连通器内等压面仍然是水平面。,5.p,0,变化时，液体内部各点静压力将做同样变化，说明外界压力可以等值的在液体内部向各个方向进行传递。,对于气体，高度差不大时，一般忽略公式中后一项，认为气体内部压力与所受外界压力相等，即p=p,0。,三、绝对压力与表压力,由p=p,0,+h表示的流体静压力是流体的绝对压力，它是以绝对真空为压力零点计算的流体静压力，代表流体内部某一点的实际压力。,工程上使用的测压仪表自身也处于大气压力的作用下，他们在当地大气压力下示数为零。用仪表测量流体压力得到的读数只反应流体压力比当地大气压力高或者低多少，其实是一个压力差，因此叫做表压力。,绝对压力p、表压力p,e,、大气压力p,a,之间关系为：,p,e,=p-p,a,或 p=p,e,+p,a,四、伯努利方程及其应用,一元稳定流动和伯努利方程是工程流体力学种非常基础和重要的知识，但是相对于楼宇专业，其作用不是太大，而且难度较高，因此本部分知识不做太深入的讲解，只选取其中对于与我们专业比较有用的内容进行讲授。,（一）、一元稳定流动,有关一元稳定流动的相关概念作为了解性内容由同学们自己学习了解。需要强调的是：,流量和平均流速,单位时间内流过过流截面的流体量称作,流量,。分质量流量q,m,和体积流量q,V,。,由于流体具有粘滞性，过流截面上各点流速大小一般不等，工程上为简化计算，引入,平均流速,的概念。体积流量q,V,，截面面积A，平均流速,之间的关系为：,质量流量与体积流量的关系是：,（二）、伯努利方程,伯努利方程的本质是一个能量方程，列出这个方程的基础是机械能守恒定律。,对于理想流体，由于没有粘滞阻力损失，所以在流动过程中应当满足机械能守恒，即动能和势能的总和不变。对于流体来说，其中的动能部分自然和流体的流速有关，而势能部分则和流体的静压力有关。,由于动能和势能在一定条件下可以相互转化，所以对应的，流体的流动速度和流体的静压力也可以按照一定条件进行相互转化，同时可以建立等量关系，列出相应的方程。,*动压力、静压力和全压力,在液体内部取一个边长很小的立方体分析其六面受力情况。显然，对于静止的流体，六个面受力相等，但是对于向一定方向稳定流动的流体，迎着流动方向一面受力要大于其他五个面。,狂风可以吹倒大树，洪水可以冲垮房屋，说明告诉流动的流体可以对阻碍物产生巨大的作用力。,如果对流体种向这阻碍物冲过去的一个分子的运动情况进行分析，发现其速度在与阻碍物接触后会明显的减小甚至于静止下来，而与此同时，巨大的压力产生了。,将盛满谁的桶底部钻一,个洞，会有水流喷出，,测量其压力，发现小于,同等高度的桶的内部。,显然，流体的静压力转,变为流体的速度了。,结论：,流体的静压力和流体的速度可以在一定条件下相互转化，这种转化是基于机械能守恒条件下，势能和动能之间的转化。,1.动能与势能转化满足,2.p,0,=0时静压力 p=,gh,将方程1等式两边消去m，再乘以,得到：,实际上，同学们高中学习物理的机械能守恒定律的方程表达式：,也可以按照刚才的做法化简，得到：,很明显，其中 是静压力，,而其中的 则称作,动压力,动压力具有,方向性,，其方向和,速度方向,相同。,静压力和东压力的和称作,全压力,。,伯努利方程应用举例：毕托管测流速,五、流动阻力损失,在制冷与空调系统中，制冷剂、空调用水及空气在管道中流动时，都会受到流动阻力作用。流体克服流动阻力运动必然有部分机械能转换为热能耗散掉，产生能量损失。这些能量损失会明显的降低设备的效率。在设计制冷与空调系统的各种管路和选择泵与风机时，必须考虑各种流动阻力产生的能量损失。,（一）、流动阻力及能量损失的两种形式,1.沿程阻力和沿程损失,流体在直管中流动时，由于流体的粘滞性和管壁对流体的阻滞作用所受的摩擦阻力，称为沿程阻力。为了克服沿程阻力而消耗的单位重量的流体机械能，称为,沿程损失,，用h,f,表示。沿程损失分布在整个管段的全程，与管段的长度成正比，所以也称为长度损失，或称摩擦阻力。,2.局部阻力和局部损失,管道中的弯头、三通、阀件和过流截面有变化（例如管径突然增大或者缩小）时的连接件等统称为管道局部构件。流体流经管道局部构件时，由于构件边壁的阻碍或扰动作用及流体自身的惯性，将发生撞击、旋涡等现象，流速的大小和方向会有急剧的改变，形成较大的流动阻力，称为局部阻力。局部阻力造成的能量损失比较集中。为克服局部阻力而消耗的单位重量流体的机械能，称为,局部损失,，用h,j,表示。,整个管道的能量损失应该分段计算沿程损失和局部损失，再进行叠加。,（二）、流体的两种流态及其对能量损失的影响,流动阻力及能量损失既与流动的外部边界条件(如管壁)的情况有关，还与流体自身的流动状态有关。流动状态主要可划分为层流和湍流(或称紊流)两种。,工程上一般使用雷诺数判断流体流态，当雷诺数大于2000时认为时湍流状态，小于2000时认为时层流状态。,沿程损失h,f,与平均流速,关系可表示为：,对于层流m=1，对于湍流m=1.752.0。很显然，湍流状态的损失要大的多，因此在成本允许的情况下，输送管道要尽量粗一些，保证以层流的形态进行输送。,（三）、影响流动阻力损失大小的因素,流体的沿程阻力损失跟,管道长度成正比；跟平均流动速度的平方成正比，跟管径大小成反比。,流体的局部阻力损失跟,平均流动速度的平方成正比。,显然，流体的流动阻力损失还跟流体本身的粘滞性和管道跟局部构件的粗糙程度有关系。,（四）减少流动阻力损失的措施,减少沿程阻力,1.设计时尽量减少管程；,2.采取更粗的管道；（会增加成本）,减少局部阻力,1.进口处理,流线型最佳；,2.用渐扩和渐缩代替突然的扩大和缩小；,3.减少转弯，转弯处用圆弧代替直角，加装导流叶片；,4.改善三通的性能；,5.管件的布置与衔接更合理，管道与泵和风机的连接要合理,采用更光滑的管道,在流体种加入少量添加剂改善流体粘滞性,六、泵与风机,有关离心式水泵的结构和工作原理的内容在高中物理中已经有讲授，这里不在赘述。需要注意的是,离心式泵与风机是中心进入边沿流出，离心式水泵开机前要将机壳中注满水。,水泵和风机在工程中是一种能量转换装置，它消耗原动机的能量，提高流体的,全压力,。,泵与风机的主要性能参数：,流量、扬程和压头、功率、效率、转速,请同学们自行了解。,*水泵的安装高度问题,水泵有,高于水面，平于水面，和低于水面,三种安装方式。其中平于水面和低于水面的水泵需要用密封良好的电动机拖动，代价较昂贵，而高于水面的水泵既可以用一般电动机拖动也可以用汽油机或者柴油机拖动，所以使用较为广泛。,泵的气蚀,：,当泵的位置高于水面的时候，水从水面上升到泵的过程中由于位置的升高和向动压的转化，水的静压力会减小，低压下水极易汽化，水中溶解的其他气体也会分离出来形成气泡，这些气泡进入水泵高压区后将消失，因此在水流过水泵的过程中会对水泵内部的零件造成冲击和腐蚀。破坏泵内构件，这种现象叫做泵的气蚀。水泵安装的位置越高，气蚀现象就越严重,*允许吸上真空高度和泵的最大安装高度,为了避免气蚀，就要保证水进入泵的时候有足够的静压力，也就是要保证水泵中心的真空度足够小。因此根据试验给每个类型的水泵都定出一个允许吸上真空高度H,SY,，再结合泵的吸水管阻力损失水头hs和水流的动压水头 可以求出泵的实际最大安装高度：,*泵和风机的特性曲线,水泵和风机在工作的时候其状态并不是一成不变的，它的各个参数都会发生变化，作为使用者，我们都希望我们的泵和风机能够有大的流量、足够大的扬程或压头，以及很高的效率，但是这种理想的状态并不一定可以得到，工程人员通过试验找出了几个主要的性能参数之间的关系并画除了相应的关系曲线，主要有流量扬程曲线、流量功率曲线、流量效率曲线，通过这些曲线，我们可以根据自己的需求去选择合适的泵和风机，让它们工作在较好的状态。,一般来说，拖动泵和风机的电动机或者内燃机的转速是恒定的，然后根据其特性曲线来选取合适的泵和风机,*其他类型的泵与风机,轴流式水泵与风机,其流动特点是，流体沿叶轮的轴向流入流出。其性能特点是，轴流式风机风压较低，但风量较大。,贯流式风机,其流动特点是气流沿着径向流入又从径向流出。这种风机的风量较小，但是噪音很低，多用于室内空调。,作业,1.什么是静压力？什么是绝对压力和表压力？,2.什么是动压力和全压力？全压力、动压力、静压力的关系是什么？,3.什么是流动阻力损失？有哪两种形式？都跟那些因素有关？,4.泵与风机分为哪些种类？,