流体力学泵与风机1流体的物理性质

LIUTILIXUEBENGYUFENGJI高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材1主编白桦鲍东杰副主编赵云鹏王京主审刘家春流体力学泵与风机2内容简介本书为高等职业技术教育建筑设备专业规划教材，全书共12章，主要内容有：流体静力学，一元流体动力学，流动阻力与能量损失，管路计算，孔口、管嘴出流和气体射流，流体测量，明渠流动、堰流和渗流，泵与风机的构造及工作原理，泵与风机的基本理论，泵与风机的运行和选型与使用管理，其它常用泵与风机等。本教材适用于高职高专院校建筑环境与设备工程技术、供热通风与空调工程技术、制冷工程技术、给排水工程技术等专业，也可供相关专业的师生及工程技术人员参考。内容简介3本教材从培养高等素质技能型人才的目标出发，以工学结合为主线，以学生的实际水平和职业要求为出发点，精选教学内容，减少数理论证，着重于基本概念的理解和基本原理的应用，不追求体系完整和内容全面，突出实用性和实践性。内容叙述力求结构合理，层次分明，深入浅出，通俗易懂，各章除配有“知识点”“能力目标”外，还配有“小结”，“思考题与习题”，同时，为便于自学，书末附有部分习题的参考答案。本教材流体力学引言、第1、7章由徐州建筑职业技术学院白桦编写，第4、8章由邢台建筑职业技术学院鲍东杰编写，第2、3、6章由徐州建筑职业技术学院刘前言4红侠编写，第5章由广西建筑职业技术学院周舟编写，泵与风机引言、第9、10章由黑龙江建筑职业技术学院赵云鹏编写，第11、12章由邯郸建筑职业技术学院王京编写。本书由白桦、鲍东杰担任主编，赵云鹏担任副主编，由徐州建筑职业技术学院刘家春教授担任主审。全书由白桦统编定稿。本教材编写过程中，参考引用了有关院校编写的教材和生产科研单位的技术资料及研究成果，在此一并表示感谢！由于编者水平有限，书中不妥之处，恳请读者批评指正。前言LIUTILIXUEBENGYUFENGJI高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材5第一部分流体力学流体力学泵与风机61流体力学及其研究对象流体力学是一门应用性广、基础性强的学科，它研究的对象主要是流体的内部及其与相邻固体和其它流体之间的动量、热量及质量的传递和交换规律。流体是气体和液体的总称。流体力学是力学的基本原理在液体和气体中的应用。力学原理包括质量守恒、能量守恒和牛顿运动定律。流体力学的基本内容可以分为：研究流体处于平衡状态时的压力分布和对固体壁面作用的流体静力学；研究不考虑流体受力和能量损失时的流体运动速度和流线的流体运动学；研究流体运动过程中产生和施加在流体上的力和流体运动速度与加速度之间关系的流体动力学。流体力学72流体力学的发展流体力学是人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体静力学的基础。流体力学83流体力学的应用流体及流体力学现象充斥在我们生活的各个方面，如云彩的漂浮、鸟的飞翔、水的流动、天气变化、管道内液体的流动、风道内气体的流动、空气阻力和升力、建筑物上风力的作用、土壤内水分的运动、石油通过地质结构的运动等，都存在于我们日常生活及生产各个方面；血液在血管中的流动，心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送等使流体力学与生物工程和生命科学相联系；水从地下、湖泊或河流中用泵输送到每家每户的供水系统，再进入废水的排放系统，液体和气体燃料送到炉堂内燃烧产生热水或蒸汽用于供热的供热系统或产生动力的动力系统，提供流体携带将热量从低温送到高温空气中的制冷系统，在炎热的夏季将室内热量送到室外的制冷与空调系统，废液和废气的处理与排放系统等，使流体力学现象与日常生活密切相关。流体力学94流体的力学模型客观上存在的流体的流动及其物质结构和物理性质是非常复杂的。如果考虑所有因素，将很难推导出它的力学关系式，为此，在分析研究流体力学问题时，对流体加以科学的抽象，建立力学模型，以便列出流体运动规律的数学方程式。下面介绍几个主要的流体力学模型。（1）连续介质与非连续介质模型（2）不可压缩流体与可压缩流体的力学模型（3）理想流体与粘性流体（实际流体）的力学模型流体力学105流体力学的研究方法目前，解决流体力学问题的方法有现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四种。（1）现场观测（2）实验室模拟（3）理论分析（4）数值计算流体力学116流体力学的学习首先，流体力学包含很多内容，在分析和讨论时必须对内容作一定限定，分清研究对象和适用条件。学习流体力学时需要注意力学原理的应用，把握质量守恒、能量守恒、动量守恒和热力学定律在流体中应用的形式。流体力学中许多理论和概念是建立在这些基本原理和定律以及实验观察之上的。总之，在学习流体力学中，要注意基本概念、基本原理和基本方法的理解与掌握，只有深刻地理解流体力学原理和掌握这些原理的应用方法才能够解决工程实际中遇到的各种流动问题。所以，将流体力学理论应用到工程实际中是流体力学学习的基本目的之一。流体力学LIUTILIXUEBENGYUFENGJI高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材12第一部分流体力学1流体的物理性质流体力学泵与风机13【知识点】流体的基本特征，流体的惯性和重力特性，流体的压缩性和热胀性，流体的黏性，表面张力，汽化压强【能力目标】充分理解：各物理量的定义、产生的原因，外界因素变化对流体的影响，如流体的密度、容重、压缩性、热胀性、黏性、表面张力、汽化压强，特别是黏性必须加以深刻理解。领会：牛顿黏性内摩擦定律的意义，动力黏性系数和运动黏性系数的关系。熟练掌握及运用：液体和气体黏性随温度的变化规律，流体各主要物理量的计算和查用。1流体的物理性质14流体的物理性质取决于其分子结构，有些物理性质对流体受力和流体运动有着非常显著的影响，所以学习流体力学及其在工程实际中应用时必须首先了解流体的物理性质。本章介绍与流体运动密切相关的流体主要物理性质。物质通常有三种存在状态：气态、液态和固态。固体分子通常比较紧密，由于分子间吸引力很大而使其保持固定形状。而流体分子间吸引力小，分子间粘附力小，因此流体没有一定的形状。静止流体在非常微小的切向力作用下将会流动，并且只要切向力存在流动必将持续，因此流动性是流体最基本的特性。这是它便于用管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工作介质的主要原因。1流体的物理性质151.1液体的惯性和重力特性11.2流体的压缩性和热胀性21.3液体的黏性31.4表面张力41流体的物理性质1.5汽化压强516惯性是流体保持原有运动状态的性质。质量是用来度量物体惯性大小的物理量，质量愈大，惯性也就愈大。流体和固体一样，也具有质量。通常用密度来表示其特征。单位体积流体的质量称为流体的密度，以符号ρ表示，单位是kg/m3。在连续介质假设的前提下，对于均质流体，其密度的表达式为：1.1流体的惯性和重力特性1.1.1流体的惯性17式中V——流体的体积，m3；m——流体的质量，kg。密度对流体的影响主要体现在单位体积流体的惯性力和加速度的大小。低密度流体，如气体，惯性力小，达到相同加速度时需要的力也小，因此，物体在空气中的运动比在液体（如水）的运动要容易，同样提升相同容积的空气比水要容易的多。Vm1.1流体的惯性和重力特性18流体处于地球引力场中，它所受的重力是地球对流体的引力。单位体积流体的重量称为流体的容重，以符号γ表示，单位是N/m3，对于均质流体，其容重的表达式为：式中V——流体的体积，m3；G——流体的重力，N。由于物体的重力等于质量与重力加速度的乘积，即重力为G=mg，故密度与容重的关系为：VGg1.1.2流体的重力特性1.1流体的惯性和重力特性19不同流体的密度和容重各不相同，同一种流体的密度和容重则随温度和压强而变化。一个标准大气压下，常用流体的密度和容重见表1.1。【例题1.1】试求在标准状态下，3m3空气的重量和质量是多少？【解】根据式（1.2），查表1.1，得根据重量与质量的关系式，得31.35377.11VG6.3807.931.35gGmNkg1.1流体的惯性和重力特性20名称水水银纯乙醇煤油空气氧氮密度kg/m3100013590790800-8501.21.431.25容重N/m3980713331877457848-833811.7714.0212.27测定温度（℃）4015152000表1.1常用流体的密度和容重（标准大气压下）1.1流体的惯性和重力特性21【例题1.2】试设计一个可容纳100t水的蓄水池，若底面积A为25m2，问蓄水池的有效高度为多少？【解】由式（1.1）知蓄水池的体积为：1001000100000mVm3故水池的有效高度为：425100AVHm1.1流体的惯性和重力特性22温度不变，流体的体积随压强的增加而缩小，这种特性称流体的压缩性。压强不变，流体的体积随温度的升高而增大，这种特性称流体的热胀性。液体的压缩性一般用体积压缩系数或体积弹性模量来度量。在一定温度下，液体原有的体积为V，在压强增量dp作用下，体积改变了dV，则压缩系数为：1.2流体的压缩性和热胀性dpVdV1.2.1液体的压缩性和热胀性23式中β——液体体积压缩系数，m2/N；V——压缩前液体的体积，m3；dV——液体体积变化量，m3；dp——压强的增加值，N/m2。式中的负号是由于dp0，dV0,为使压缩系数为正值而加的。压缩系数的倒数为液体弹性模量，用E表示，单位是N/m2。即β值愈大或E愈小，则液体的压缩性也愈大。dVdpVE11.2流体的压缩性和热胀性24表1.2为0℃时水在不同压强下的压缩系数。从表中可以看出，水的压缩系数是很小的。如压强由4000kPa增加到8000kPa时相对体积的变化为：该数值表明，此时水的相对体积的变化大约为0.2%。所以工程上一般可将液体视为不可压缩的，即认为液体的体积（或密度）与压强无关。9320.51510(80004000)100.2110VpV压强（kPa）5001000200040008000压缩系数m2/N0.538×10-90.536×10-90.531×10-90.528×10-90.515×10-9表1.2水在不同压强下的压缩系数1.2流体的压缩性和热胀性25液体的热胀性一般用体积热胀系数α来度量。在一定的压力下，液体原有的体积为V，当温度升高dT时，体积变化为dV，则热胀系数为：式中α——液体的体积热胀系数，1/℃；V——热胀前液体的体积，m3；dV——液体体积变化量，m3；dT——温度的增加值，℃。水的密度在4℃时具有最大值，高于4℃后，水的密度随温度升高而下降，液体热胀性非常小，表1.3列举了水在一个大气压下，不同温度时的容重及密度。dTVdV1.2流体的压缩性和热胀性26温度（℃）容重（N/m.3）密度（kg/m3）温度（℃）容重（N/m.3）密度（kg/m3）温度（℃）容重（N/m.3）密度（kg/m3）09806999.9209790998.2609645983.219806999.9259778997.1659617980.6298071000309775995.7709590977.8398071000359749994.1759561974.9498071000409731992.2809529971.8598071000459710990.2859500968.7109805999.7509690988.1909467965.3159799999.1559657985.71009399958.4表1.3一个大气压下水的容重及密度1.2流体的压缩性和热胀性27气体和液体在这方面大不相同，压强和温度的改变对气体密度的影响很大，当许多实际气体远离其液相状态时，这些气体可以近似地看作理想气体。理想气体的压强、温度、密度间