第1章建筑设备基础知识

第一章建筑设备基础知识§1-1流体的主要物理性质§1-2流体静力学基础§1-3流体流动阻力与水头损失§1-1流体的主要物理性质一.流体的定义二.流体的密度与容重三.流体的压缩性和膨胀性四.流体的黏性一.流体的定义物质在自然界中通常按存在状态的不同分为固体、液体和气体。液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体。在建筑设备工程中，给水、排水、采暖、燃气、通风与空调系统的介质都是流体。均质流体各点的密度相同，单位体积流体的质量称为流体的密度，用ρ表示（kg/m3）二.流体的密度与容重VMVG同样，单位体积流体的重量称为流体的容重，用γ表示（N/m3）。公式如上所示。根据牛顿第二定律G=Mg，因此gVMgVG二.流体的密度与容重在一个标准大气压（101.3kPa）下水的密度和容重温度密度容重温度密度容重温度密度容重0999.87980530995.67976470977.81958941000.0980740992.24973180971.83953010999.73980450998.07969090965.34946720998.23978960983.249642100958.389399二.流体的密度与容重【特别提示】流体的密度和容重随其温度和所受压力的变化而变化，即同一流体的密度和容重不是一个固定值，但在实际工程中，液体的密度和容重随温度和压力的变化而变化的数值不大，可视为一固定值；而气体的密度和容重随着温度和压力的变化而变化的数值较大，计算中不能视为固定值。三.流体的压缩性和膨胀性当流体所受的压力增大时，其体积缩小，密度增大，这种性质称为流体的压缩性。流体因温度升高使原有的体积增大，密度减小的性质称为流体的热膨胀性。液体分子之间的间隙很小，在很大的外力作用下，其体积只有极微小的变形，一般计算时可看成是不可压缩流体。气体分子之间的间隙大，分子之间的引力很小，气体的体积随压强和温度的变化是非常明显的，故称为可压缩流体。三.流体的压缩性和膨胀性【特别提示】水的热膨胀性比较特殊，当水温在4℃以下时，水的体积随温度的降低而增大，密度和容重相应减小，因此在北方冬季水暖管道试压后，就及时将水放掉，以免因水冻结、体积膨胀而使管道和散热器损坏。采暖系统因其温度变化较大，系统中水的体积也有一定的变化，必须充分考虑并解决。但是在气体速度较低时，流动过程中压强和温度变化较小时，实际工程中可看作是不可压缩流体，不考虑空气的压缩性和热膨胀性。流体运动时，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，称为流体的黏性。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。流速之所以有此分布规律，正是由于相邻两流层的接触面上产生了阻碍流层相对运动的内摩擦力，或称黏性力，这是流体的黏性显示出来的结果四.流体的黏性流体黏性的大小，与流体种类有关，同时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，水的黏性随温度的增高而减小，而空气的黏性却随温度的增高而增大。例如：花生油夏季扇扇子。流体在管道中某一断面的流速分布如图所示。§1-2流体静力学基础一.流体静压强平衡方程二.流体静压强的表示方法和度量单位一.流体静压强平衡方程1.流体静压强的概念处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其它外力的作用，在流体内部及液体与容器壁面之间存在着垂直于接触面的作用力，这种作用力称为静压力。单位面积上流体的静压力称为流体的静压强。以符号p表示，单位为N/m2。2.流体静压强的分布规律假如一容器内装有密度为ρ的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变化。在静止的液体中取一垂直小圆柱作为隔离体，研究其底面点的静压强，如图所示hAGP1poP2一.流体静压强平衡方程hAGP1poP2对隔离体进行受力分析:则其轴向的作用力P1=p1A，垂直向下P2=p2A，垂直向上G=ρghA=γhA，垂直向下根据隔离体静止状态的平衡条件，令方向向上为正，向下为负，则可得圆柱体的轴向力的平衡方程，即P2-P1-G=0p2A-p1A-γhA=0p2=p1+γh一.流体静压强平衡方程当液柱上表面设在水平面时，上表面压强即为液体表面p0，下表面压强即为液体中任一点的压强p，则平衡方程为：p=p0+γh式中：p―静止流体中任一点的压强，N/m2；P0―液体表面压强，N/m2；h―所研究的点在液面下的深度，m。当液柱上表面压强为0时，平衡方程为：p=γh一.流体静压强平衡方程静止流体内部任一点的静压强为：p=p0+γh3.流体静压强的特性静压强的方向性流体具有各个方向上的静压强，流体的静压强处处垂直并指向固体壁面。静压强的大小静止流体中任意一点的静压强大小与其作用方向无关，仅与其高度或深度有关。气体的静压强沿高度变化小，密闭容器可以认为静压强处处相等。一.流体静压强平衡方程二.流体静压强的表示方法和度量单位1.表示方法流体的静压强有两种表示方法：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pj表示。绝对压强永远是正值。2）相对压强以当地大气压强pa为零点计算的压强称为相对压强，用px表示。一般的压力表测量出的压强即为相对压强，所以相对压强又称为表压强，用p表示。相对压强可以是正值，也可以是负值。若某点的绝对压强高于大气压强时，相对压强值为正；某点的绝对压强低于大气压强时，相对压强值为负。相对压强与绝对压强之间的关系为：p=pj-pa相对压强为负值时，流体处于真空状态，通常用真空度（或真空压强）来度量流体的真空程度。真空度的含义是指某点的绝对压强不足于一个大气压强的部分，用pk表示，即pk=pa-pj真空度实际上等于负的相对压强的绝对值。【特别提示】工程中不突出说明时，所涉及的压强值均指相对压强值。二.流体静压强的表示方法和度量单位2.压强的度量单位（1）在国际单位制中，用单位面积的压力表示，其单位为Pa（帕），1Pa=1N/m2，也可用kPa（千帕）（2）用大气压表示，其单位为atm，1atm=101.325kPa，在工程单位制中用工程大气压at表示，1at≈98kPa；（3）用液柱高度来表示，单位是mH2O(米水柱)。三种压强单位的关系是：1at≈10mH2O≈98kPa1atm=101.325kPa【特别提示】在建筑给水、消防、热水系统中的流体为水，同时建筑物高度是以长度单位的“米”为单位，所以在工程中，我们多以mH2O为水的压强单位。二.流体静压强的表示方法和度量单位§1-3流体流动阻力与水头损失一.流动阻力和水头损失的两种形式二.沿程水头损失和局部水头损失1.沿程阻力和沿程水头损失流体在长直管道中流动，所受的摩擦阻力称为沿程阻力。为了克服沿程阻力，单位重量流体所造成的能量损失称为沿程水头损失。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，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。为了克服局部阻力，单位重量流体所造成的能量损失称为局部水头损失。一.流动阻力和水头损失的两种形式1.圆管沿程水头损失计算公式式中：hf――沿程水头损失，m；――沿程阻力系数（无因次量）；L――管道长度，m；d――管道直径，m；v――管道断面平均流速，m/s；g――重力加速度，9.8m/s2；i――单位摩阻，mm/m；二.沿程水头损失和局部水头损失100022iLgdLhf2.局部水头损失式中：hj――局部水头损失，m；ξ――局部阻力系数（无因次量）；3.总水头损失：式中：hw――计算管段的总水头损失，m；――各管段的沿程水头损失之和，m；――各管段的局部水头损失之和，m；ghj22hhhf二.沿程水头损失和局部水头损失知识连接1.关于流体的几个概念（1）过流断面：流体在运动时，与流体的运动方向垂直的流体横断面，单位㎡。（2）流量：在单位时间内通过过流断面的流体的体积称为体积流量，单位m3/s。（3）流速：在单位时间内流体移动所通过的距离称为流速，单位m/s。知识连接2.流体在建筑给排水中的运动类型有压流：流体在压差作用流动，流体各个过流断面的整个周界都与固体壁面相接触，没有自由表面，这种流体运动称为有压流或压力流。如给水管道、热水管道等。无压流：液体在重力作用在流动，流体各个过流断面的部分周界与固体壁面相接触，具有自由表面，这种流体运动称为无压流或重力流。也称明渠流。如排水管道，天然河流等。知识连接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。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。