第1章流体力学基本知识.

第一章流体力学基本知识第一节流体的主要物理性质第二节流体静压强及其分布规律第三节流体运动的基本知识第四节流动阻力和水头损失第五节孔口、管嘴出流及两相流体简介第一节流体的主要物理性质一、密度和容重密度：对于均质流体，单位体积的质量称为流体的密度。容重：对于均质流体，单位体积的重量称为流体的容重。二、流体的黏滞性粘滞性：相邻流层An、An+1之间u不同，必然存在有相对运动，导致摩擦力的产生，流体内部之间的摩擦力称内摩擦力，称粘滞力。流体在粘滞力作用下，具有抵抗流体的相对运动的能力，称粘滞性。影响流体黏滞性的因素压力的变化对流体的动力粘度μ的影响很小，温度对μ的影响很显著：〈1〉温度升高，液体的粘度减小（因为T上升，液体的内聚力变小，分子间吸引力减小；）〈2〉温度升高，气体的粘度增大(气体的内聚力很小，它的粘滞性主要是分子间动量交换的结果。当T上升，作相对运动的相邻流层间的分子的动量交换加剧，使得气体的粘度增大。)三、流体的压缩性和热胀性压缩性：流体压强增大体积缩小的性质。不可压缩流体：压缩性可以忽略不计的流体。可压缩流体：压缩性不可以不计的流体。热胀性：流体温度升高体积膨胀的性质。液体的热胀性很小，在计算中可不考虑（热水循环系统除外）；气体的热胀性不能忽略。建筑设备工程中的水、气流体，可以认为是易于流动、具有粘滞性、不可压缩的流体。第二节流体静压强及其分布规律流体静止是运动中的一种特殊状态。由于流体静止时不显示其黏滞性，不存在切向应力，同时认为流体也不能承受拉力，不存在由于粘滞性所产生运动的力学性质。因此，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表面压强为：p=△p/△ω(1-6)点压强为：limp=dp/dω(Pa)点压强就是静压强（1）流体静压强的方向必定沿着作用面的内法线方向。（2）任意点的流体静压强只有一个值，它不因作用面方位的改变而改变。流体静压强的两个特征：二、流体静压强的分布规律在静止液体中任取一点A点在自由表面下的水深h，自由表面压强为p0。设A点的静水压强为p,通过A点取底面积为，高为h，上表面与自由面相重合的铅直小圆柱体，研究其轴向力的平衡，此时作用下轴向的外力有：上表面压力P0=p0，方向铅直向下（图中未绘出）；柱体侧面积的静水压力，方向与轴向垂直（图中未绘出），在轴向投影为零。此铅直圆柱体处于静止状态，故其轴向力平衡为：化简后得：p=p0+γh(1-8)式中p——静止液体中任意点的压强，kN/m2或kPa；p0——表面压强，kN/m2或kPa；γ——液体的容重，kN/m3；h——所研究点在自由表面下的深度，m。0ΔωpγhΔωpΔΔ0上式是静水压强基本方程式，又称为静水力学基本方程式。式中γ和p0都是常数。方程表示静水压强与水深成正比的直线分布规律。方程式还表明，作用于液面上的表面压强p0是等值地传递到静止液体中每一点上。方程也适用于静止气体压强的计算，只是式中的气体容重很小，因此，在高差h不大的情况下，可忽略项，则p=p0。例如研究气体作用在锅炉壁上的静压强时，可以认为气体空间各点的静压强相等。等压面：流体中压强相等的各点所组成的面为等压面。压强的度量基准：（1）绝对压强：是以完全真空为零点计算的压强，用PA表示。（2）相对压强：是以大气压强为零点计算的压强，用P表示。相对压强与绝对压强的关系为：P=PA-Pa(1-9)第三节流体运动的基本知识（一）压力流与无压流1.压力流：流体在压差作用下流动时，流体整个周围都和固体壁相接触，没有自由表面。2.无压流：液体在重力作用下流动时，液体的部分周界与固体壁相接触，部分周界与气体接触，形成自由表面。一、流体运动的基本概念（三）流线与迹线1.流线：流体运动时，在流速场中画出某时刻的这样的一条空间曲线，它上面所有流体质点在该时刻的流速矢量都与这条曲线相切，这条曲线就称为该时刻的一条流线。2.迹线：流体运动时，流体中某一个质点在连续时间内的运动轨迹称为迹线。流线与迹线是两个完全不同的概念。非恒定流时流线与迹线不相重合，在恒定流时流线与迹线相重合。（二）恒定流与非恒定流1.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的流动称为恒定流动。2.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动的流动称为非恒定流。自然界中都是非恒定流，工程中可以取为恒定流。（四）均匀流与非均匀流1.均匀流：流体运动时，流线是平行直线的流动称为均匀流。如等截面长直管中的流动。2.非均匀流：流体运动时，流线不是平行直线的流动称为非均匀流。如流体在收缩管、扩大管或弯管中流动等。它又可分为：（1）渐变流：流体运动中流线接近于平行线的流动称为渐变流。（2）急变流：流体运动中流线不能视为平行直线的流动称为急变流。（五）元流、总流、过流断面、流量与断面平均流速；1.元流：流体运动时，在流体中取一微小面积dω，并在dω面积上各点引出流线并形成了一股流束称为元流。在元流内的流体不会流到元流外面；在元流外面的流体亦不会流进元流中去。由于dω很小，可以认为dω上各点的运动要素（压强与流速）相等。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，与元流或总流全部流线正交的横断面称为过流断面。用dω或ω表示，单位为m2或cm2。均匀流的过流断面为平面，渐变流的过流断面可视为平面；非均匀流的过流断面为曲面。4.流量：流体运动时，单位时间内通过过流断面流体体积称为体积流量，用符号Q表示，单位是m3/s或L/s。5.断面平均流速：流体流动时，断面各点流速一般不易确定，当工程中又无必要确定时，可采用断面平均流速（v）简化流动。断面平均流速为断面上各点流速的平均值。二、恒定流的连续性方程压缩流体容重不变，即体积流量相等。流进A1断面的流量等于流出A2断面的流量；三、恒定总流能量方程（一）恒定总流实际液体的能量方程(1-13)Z1、Z2—断面中心对基准面的位置高程，位置水头；即：单位重量液体具有的位能；p1/r、p2/r—测压管高度，压强水头；即：单位重量液体具有的压能；、—流速水头；即：单位重量液体具有的动能；hw1-2是流体流动过程中从断面1-1到2-2之间阻力所作的负功；单位重量液体产生的能量损失，称为水头损失；三者之和为断面的单位重量液体具有的机械能。21222222111122hgvapzgvapzgva2211gva2222（二）实际气体恒定总流的能量方程对于不可压缩气体，液体能量方程同样适用，由于气体密度很小，式中重力做功可忽略不计。对一般通风管道中，过流断面上的流速分布比较均匀，动能修正系数可采用a=1，这样，实际气体总流的能量方程式为或者写为实际气体总流的能量方程与液体总流的能量方程比较，除各项单位以压强来表达气体单位体积平均能量外，对应项意义基本相近2122221122hgvpgvp2122221122hgvpgvp第四节流动阻力和水头损失一、流动阻力和水头损失的两种形式（一）沿程阻力和沿程水头损失流体在长直管（或明渠）中流动，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流体的机械能量，称为沿程水头损失hf。（二）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，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈地碰撞，所形成的阻力称局部阻力。为了克服局部阻力而消耗的重力密度流体的机械能量称为局部水头损失hj。二、流动的两种形态——层流和紊流流体在流动过程中，呈现出两种不同的流动形态。当液体流速较低时，呈现为成层成束的流动，各流层见并无质点的掺混现象，这种流态就是层流。加大流速到一定程度，质点或液团相互混掺，流速愈大，混掺程度愈烈，这种流态就成为紊流。判断流动形态，雷诺氏用无因次量纲——雷诺数Re来判别。(1-17)式中Re——雷诺数；v——圆管中流体的平均流速，m/s，cm/s；d——圆管的管径，m，cm；v——流体的运动粘滞系数，其值可由表查得，m2/s。对于圆管的有压管流：若Re2000时，流体为层流型态；若Re2000时，流体为紊流型态。对于明渠流，通常以水力半径R代替公式中的d，于是明渠中的雷诺数为：Re=(1-18)因为水力半径，其中ω是过流断面积，x是湿周，为流动的流体同固体边壁在过流断面上接触的周边长度。vvdRevvR若Re500时，明渠流为层流型态。若Re500时，明渠流为紊流型态。在建筑设备工程中，绝大多数的流体运动都处于紊流型态。只有在流速很小，管径很小或粘滞性很大的流体运动时（如地下水渗流，油管等）才可能发生层流运动。四、沿程阻力系数λ和流速系数C的确定沿程阻力系数λ是反映边界粗糙情况和流态对水头损失影响的一个系数。1933年尼古拉兹表发表了其反映圆管流运情况的实验结果，得出了一些结论：1.层流区2.层流转变为紊流的过渡区3.紊流区（一）沿程阻力系数λ的经验公式1.水力光滑区2.水力过渡区3.粗糙管区（二）流速系数C经验公式（1）曼宁公式（2）海澄-威廉公式五、局部水头损失在实际水力计算中，局部水头损失可以采用流速水头乘以局部阻力系数后得到，即hj=ζ（1-35）式中ζ——局部阻力系数。ζ值多是根据管配件、附件不同，由实验测出。v——过流断面的平均流速；它应与ζ值相对应。除注明外，一般用阻力后的流速；g——重力加速度。gv22第五节孔口、管嘴出流及两相流体简介一、孔口出流（一）薄壁圆形小孔口的液体自由出流（二）淹没出流二、管嘴出流三、牛顿型、非牛顿型流体和气-液、气-固两相流动