流体力学基础知识

流体力学基础知识第一节流体的物理性质一、流体的密度和重度流体单位体积内所具有的质量称为密度，密度用字母表示，单位为kg/m3。流体单位体积内所具有的重量称为重度，重度用表示，单位为N/m3，两者之间的关系为g，g为重力加速度，通常g＝9．806m/s2流体的密度和重度不仅随流体种类而异，而且与流体的温度和压力有关。因为当温度和压力不同时，流体的体积要发生变化，所以其密度和重度亦随之变化。对于液体来讲，密度和重度受压力和温度变化的影响不大，可近似认为它们是常数。对于气体来讲，压力和温度对密度和重度的影响就很大。二、流体的粘滞性流体粘滞性是指流体运动时，在流体的层间产生内摩擦力的一种性质。所谓动力粘度系数是指流体单位接触面积上的内摩擦力与垂直于运动方向上的速度变化率的比值，用来表示。所谓运动粘度是指动力粘度与相应的流体密度之比，用来表示。运动粘度或动力粘度的大小与流体的种类有关，对于同一流体，其值又随温度而异。气体的粘性系数随温度升高而升高，而液体的粘性系数则随温度的升高而降低。液体粘滞性随温度升高而降低的特性，对电厂锅炉燃油输送和雾化是有利的，因此锅炉燃用的重油需加热到一定温度后，才用油泵打出。但这个特性对水泵和风机等转动机械则是不利的，因为润滑油温超过60℃时，由于粘滞性下降，而妨碍润滑油膜的形成，造成轴承温度升高，以致发生烧瓦事故。故轴承回油温度一般保持在以60℃下。第二节液体静力学知识一、液体静压力及其特性液体的静压力是指作用在单位面积上的力，其单位为Pa。平均静压力是指作用在某个面积上的总压力与该面积之比。点静压力是指在该面积某点附近取一个小面积△F，当△F逐渐趋近于零时作用在△F面积上的平均静压力的极限叫做该面积某点的液体静压力。平均静压力值可能大于该面积上某些点的液体静压力值，或小于另一些点的液体静压力值，因而它与该面积上某点的实际静压力是不相符的，为了表示某点的实际液体静压力就需要引出点静压力的概念。液体静压力有两个特性1、液体静压力的方向和其作用面相垂直，并指向作用面。2、液体内任一点的各个方向的液体静压力均相等。二、液体静力学基本方程hpp0称为液体静力学基本方程式，它表明液体内任一点的静压力等于自由液面上的压力p0加上该点距自由液面的深度h与液体重度的乘积。由液体静力学基本方程式可知，静压力是随着深度按线性规律变化的，即点的位置越深，则压力就越大。三、绝对压力、表压力和真空当某一点的液体静压力是以绝对真空为零算起时，这个压力称为绝对压力以大气压力为零算起的压力，称为表压力或相对压力。表压力可用绝对压力减去当地大气压力进行计算。如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，即表压力为负值，则称该处处于真空状态，真空的大小，一般用真空值或真空度表示。真空值是指大气压力与绝对压力的差值。由于真空值就是负的表压力，因此真空值也称负压。真空度是指真空值与当地大气压力相比的百分数。液体静压力的计量单位有许多，为了便于对照使用，特将常遇到的几种压力单位及其换算列于表中：帕斯卡工程大气压标准大气压米水柱毫米汞柱N/m2Kgf/cm2atmmH2OmmHg10．102×10-40．0987×10-41．02×10-475．03×10-49．8×10410．96810735．610．13×1041．033110．3376010．00×1041．020．98710．2750．2133．2250．001360．0013160．01361四、连通器所谓连通器就是液面以下互相连通的两个容器。连通器液体平衡可以分为三种情况第一种情况，在两个相连的容器中注入同一种液体，且液面上的压力也相等，所以其液面高度相等。可以利用此原理制成锅炉汽包和各种容器上的水位计。第二种情况，在连通器中盛以相同的液体，但液面上的压力不等，其液面上的压力差，等于连通器液面差所产生的压力。利用此原理可以制成各种液体压力计，如锅炉U形管风压表等。第三种情况，在连通器两容器中盛有两种不同的液体，但液面上的压力相同，由于两种液体互不相混，自分界面起，液面高度与液体重度成反比。利用这一原理可以测定液体重度或进行液柱高度换算。第三节液体动力学知识一、流量、流速流量是指液体在单位时间内通过过流断面（即液流中与流线垂直的截面）的体积，液体流量用Q表示，单位为m3/s。平均流速是指过流断面上各点流速的算术平均值，即假定过流断面上各点都以相同的平均流速流动时所得到的流量需与各点以实际流速流动时所得到的流量相等。实际流速是指液体某一质点在空间中的移动速度。二、液体连续性方程式液体连续性方程式为FcFc2211常数此方程式表示管道中各个过流断面上，其面积与平均流速的乘积均相等，且等于常数。由液体连续性方程式cc21=FF12c1————平均流速c2————平均流速F1————过流断面面积F2————过流断面面积上式表明，液体的平均流速与相应的过流断面面积成反比。即在管道断面缩小处，液体流速就快；而在管道断面增大处，液体流速就慢。三、伯诺里方程式实际液体的伯诺里方程式为：hZpuZpu＇sgg2222112122u1、u2——断面处液体流速p1、p2——断面处的压力Z1、Z2——断面的液体相对于某一基准面的位置高度g——重力加速度γ——液体的重度hs′——断面间单位重量液体的能量损失四、伯诺里方程式的应用1、流速测速仪——皮托管可应用一根测速管与一根测压管组成皮托管，有效的测量出管道中液体（或气体）每一点的流速u。测定液体流速时的计算公式为ghu2测定气体流速时的计算公式为uhg2——流速修正系数，可用试验方法得出，其值一般为0。9～1。03h——差压计U形管中液面高度差，m。2、流量测量装置——文丘里管文丘里管用于管道中的流量测量，它是由收缩段和扩散段所组成，两段结合处称为喉部。在文丘里管入口前的直管段断面和喉部断面两处测量静压值，根据静压差和两个已知截面面积就可以计算通过管道的流量。即1212442121ddppdgQ如果压力差pp21用差压计中U形管液面高度差来表示，则421dQ12124dd　hg文丘里管除用于测定管道中的流量外，还应用于锅炉其他场合，例如喷水减温器就是利用其喉部工质流速增加，压力下降，以增大见减温水的喷水压差。又如喷射泵即利用其喉部工质流速增加，使压力下降到低于大气压力、形成真空，将泵内空气抽出，以便进行水泵启动前的灌水。再如钢珠除尘器也是利用文丘里管喉部形成的真空，将钢珠由尾部烟道下部抽到上部，再由上部落下，以达到清洁尾部受热面的目的。目前文丘里管还用于停炉时排除过热器积水以及提高水膜除尘器的效率。第四节流动阻力与流动阻力损失计算一、流动阻力的类型实际液体在管道中流动时的阻力可分为两种类型：一种是沿程阻力，它是由于液体在直管内运动，因液体层间以及液体与壁面之间的摩擦而造成的阻力，沿程阻力所引起的液体能量损失称为沿程阻力损失。另一种是局部阻力，因局部障碍（如阀门、弯头、扩散管等）引起液体显著变形以及液体质点间的相互碰撞而产生的阻力，局部阻力引起的液体能量损失，称为局部阻力损失。二、层流与紊流层流状态是指液体运动过程中，各质点的流线互不混杂，互不干扰的流动状态。紊流状态是指液体运动过程中，各质点的流线互相混杂，互相干扰的流动状态。液体的流动是层流还是紊流可用雷诺数Re进行判别。由层流转变到紊流的雷诺数称为临界雷诺数，以Reej表示。实验表明，液体在圆管内流动时的临界雷诺数为Reej=2300。因此，当Re≤2300时，流动为层流；当Re＞2300时，认为流动已经是紊流。三、沿程阻力损失、局部阻力损失和管道系统的总阻力损失管道流动中单位重量液体的沿程阻力损失hy可用下式计算：gLcdhdy22式中——为沿程阻力系数，它与雷诺数Re以及管壁粗糙度有关。L——管道长度，m。dd——管道的当量直径，m。对于圆管即为内径，m。c——平均流速，m/s。g——重力加速度。管道流动中单位重量液体的沿程阻力损失hj可用下式计算：gchj22——局部阻力系数工程上的管道系统是由许多等直管段和管子件组成。这时整个管道的流动阻力损失用下式计算：hhhjy——表示总和。四、压力管路中的水锤在压力管路中，由于液体流速的急剧变化，从而造成管道中液体的压力显著地、反复地、迅速变化的现象，称为水锤（或叫水击）。水锤可以发生在压力管路上的阀门迅速关闭或水泵等设备突然停止运转时。在这种情况下，由于管中的流速迅速减小，使压力发生显著升高，这种以压力升高为特征的水锤，叫做正水锤。正水锤的压力升高可以超过管中正常压力的几十倍至几百倍，以致使管壁材料产生很大的应力，而压力的反复变化将引起管道和设备的振动，都将造成管道、管件和设备的损坏。水锤也可以发生在压力管路上的阀门迅速开启或水泵等设备突然启动时。在这种情况下，由于流速急剧增加，使压力发生显著降低，这种以压力降低为特征的水锤，叫做负水锤，这种负水锤也会引起管道和设备的振动，同时负水锤时的压力降低，可能使管中产生不利的真空，由于外面大气压的作用，而将管道挤扁。为了预防水锤的危害，可采取增加阀门启闭时间，尽量缩短管道长度，以及在管道上装设安全阀或空气室，以限制压力升高的数值等措施。