第1章流体力学基本知识

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1、建筑设备工程建筑设备工程第一章第一章 流体力学基本知识流体力学基本知识第第1节节 流体的主要物理性质流体的主要物理性质第第4节节 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失第第5节节 孔口、管嘴出流及两相流体简介孔口、管嘴出流及两相流体简介第第3节节 流体运动的基本知识流体运动的基本知识第第2节节 流体静压强及其分布规律流体静压强及其分布规律n本章介绍流体静力学，流体动力学，流体运动本章介绍流体静力学，流体动力学，流体运动的基本知识，流体阻力和能量损失，通过本章的基本知识，流体阻力和能量损失，通过本章的学习可以对流体力学有一个大概的了解，但的学习可以对流体力学有一个大概的了解，但讲到的内容是很基础的

2、。讲到的内容是很基础的。第第1节节 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 一、密度和容重一、密度和容重n质量与密度质量与密度质量：表征惯性的物理量质量：表征惯性的物理量流体的质量：常以密度来反映流体的质量：常以密度来反映n密度密度()：对于均质流体，单位体积的质量：对于均质流体，单位体积的质量n数学表达式：数学表达式：重力与容重重力与容重n物体受到地球引力的特性，称为重力特征，物体受到地球引力的特性，称为重力特征，常用容重来表征常用容重来表征n定义：对于均质流体，作用于单位体积流体定义：对于均质流体，作用于单位体积流体的重量称为容重的重量称为容重()n数学表达式：数学表达式：二、流体的粘滞性二

3、、流体的粘滞性粘滞性粘滞性：流体内部质点间或层流间因相对运动：流体内部质点间或层流间因相对运动而产生内摩擦力（切力）以反抗相对运动的而产生内摩擦力（切力）以反抗相对运动的性质。性质。牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：F内摩擦力内摩擦力,N;S摩擦流层的接触面面积摩擦流层的接触面面积,m2；流层单位面积上的内摩擦力（切应力）流层单位面积上的内摩擦力（切应力）,N/m2；du/dn流速梯度，沿垂直流速方向单位长度流速梯度，沿垂直流速方向单位长度的流速增值；的流速增值；(动力粘滞系数动力粘滞系数)与流体种类有关的系数；与流体种类有关的系数；粘滞性的大小还用运动粘滞系数粘滞性的大小还用运动粘滞系数()表

4、达：表达：三、流体的压缩性和热胀性三、流体的压缩性和热胀性n压缩性压缩性：流体压强增大，体积缩小的：流体压强增大，体积缩小的性质。性质。n热胀性热胀性:流体温度升高，体积膨胀的性流体温度升高，体积膨胀的性质质。结论：结论：三、流体的压缩性和热胀性三、流体的压缩性和热胀性n1）液体压缩性和膨胀性很小，引起工程误差）液体压缩性和膨胀性很小，引起工程误差很小，可忽略不计。很小，可忽略不计。结论：结论：2）气体有显著的压缩性和膨胀性，）气体有显著的压缩性和膨胀性，t与与P的变化对的变化对影响很大。影响很大。三、流体的压缩性和热胀性三、流体的压缩性和热胀性n当流体的温度不过低，压强不过高时，当流体的温度

5、不过低，压强不过高时，t、P、三者关系服从理想气体状态方程：三者关系服从理想气体状态方程：式中：式中：P气体的绝对压强，气体的绝对压强，N/m2；nT气体的绝对温度，气体的绝对温度，K；n气体的密度，气体的密度，kg/m3；nR气体常数，气体常数，J/kg.K。n当气体当气体v50m/s时时，因，因的变化的变化1%，密度可视作常数，这种气体称为不密度可视作常数，这种气体称为不可压缩气体。可压缩气体。n当气体当气体v50m/s时时，因，因的变化很大，的变化很大，密度不能视作常数，这种气体称为密度不能视作常数，这种气体称为可压缩气体。可压缩气体。n综上所述：建筑设备工程中的水、气流体，综上所述：建

6、筑设备工程中的水、气流体，可以被认为是一种易于流动的，具有粘滞性可以被认为是一种易于流动的，具有粘滞性的和不可压缩的流体。的和不可压缩的流体。第第2节节 流体静压强及其分布规律流体静压强及其分布规律n本节学习的目的本节学习的目的：学习和讨论流体静止（平衡）：学习和讨论流体静止（平衡）状态下的力学规律及其应用。状态下的力学规律及其应用。n流体静止时的特点流体静止时的特点：不显示其粘滞性，：不显示其粘滞性，不存在切向应力。不存在切向应力。n流体静止是运动中的一种特殊状态。流体静止是运动中的一种特殊状态。流体静力学研究的中心问题：流体静力学研究的中心问题：流体静流体静压强的分布规律。压强的分布规律。

7、一、流体静压强及其特性一、流体静压强及其特性pp0lim1.静压强的概念静压强的概念：N/m2（帕（帕/pa）2.流体静压强的特性：流体静压强的特性：（1）流体静压强的方向与受压面垂直）流体静压强的方向与受压面垂直并指向受压面。并指向受压面。（2）任意点的静压强的大小和受压面）任意点的静压强的大小和受压面的方向无关，或者说作用于同一点上的方向无关，或者说作用于同一点上各方向的静压强大小相等。各方向的静压强大小相等。二、流体静压强的分布规律二、流体静压强的分布规律1.自由表面及等压面自由表面及等压面（1）自由表面是指液面与气体的交界）自由表面是指液面与气体的交界面。在重力作用下，静止液面的自由面

8、。在重力作用下，静止液面的自由面为水平面。敞口容器内的液体的自面为水平面。敞口容器内的液体的自由面上是大气压。由面上是大气压。（2）流体中具有相同压强各点所构成）流体中具有相同压强各点所构成的面称为等压面。静止流体的自由面的面称为等压面。静止流体的自由面即为等压面。其下相同深度处所组成即为等压面。其下相同深度处所组成的面也是等压面。的面也是等压面。n确定流体等压面的方法确定流体等压面的方法，有三个条件：，有三个条件：n必须在静止状态；在同一种流体中；必须在静止状态；在同一种流体中；而且为连续液体。而且为连续液体。2.分析静止液体中压强分布：分析静止液体中压强分布：静止液体中压强分布静止液体中压

9、强分布 n分析铅直小圆柱体，分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力作用于轴向的外力有：有：n上表面压力上表面压力 n分析铅直小圆柱体，分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力作用于轴向的外力有：有：n下底面的静水压力下底面的静水压力 n分析铅直小圆柱体，分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力作用于轴向的外力有：有：n柱体重力柱体重力 n柱体侧面积的静水压力其方向与轴向垂直，在柱体侧面积的静水压力其方向与轴向垂直，在轴向投影为零（相互抵消）。轴向投影为零（相互抵消）。n该铅直小圆柱体处于静止状态，其轴向力平衡该铅直小圆柱体处于静止状态，其轴向力平衡n化简化简3.静水压强基本方程式静水压强基本方程式n特点：特点

10、：（1）方程表示静水压强与水深成正比）方程表示静水压强与水深成正比的直线分布规律。的直线分布规律。n特点：特点：（2）作用于液面上的表面压强）作用于液面上的表面压强p0是等是等值地传递到静止液体中每一点上。值地传递到静止液体中每一点上。（3）对于气体，由于）对于气体，由于很小，当很小，当h 不大不大时，可忽略时，可忽略h 项，则项，则p p0水静压强分布图水静压强分布图 三、压强的两种计算基准三、压强的两种计算基准n绝对压强绝对压强（pA）：以设想没有大气以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的存在的绝对真空状态作为零点计量的压强。压强。n相对压强相对压强（p）：以当地大气压以当地大气压

11、Pa作作为零点计量的压强。为零点计量的压强。n三、压强的两种计算基准三、压强的两种计算基准n绝对压强和相对压强的关系：绝对压强和相对压强的关系：n pA p pan或或 p pA panP可正可负可正可负nP为正值时：为正值时：pA pa，称为正压（表，称为正压（表压，即压力表读数）压，即压力表读数）nP为负值时：为负值时：pA 4000时，圆时，圆管内已形成湍流；当管内已形成湍流；当Re在在2000 4000范围范围内，流动处于一种过渡状态。内，流动处于一种过渡状态。建筑设备工程中，绝大多数为紊流型态。建筑设备工程中，绝大多数为紊流型态。n三、沿程水头损失三、沿程水头损失n对于紊流型态，目前

12、采用理论和实验相结合的对于紊流型态，目前采用理论和实验相结合的方法，建立半经验公式来计算沿程方法，建立半经验公式来计算沿程水头损失。水头损失。gvdlhf22式中：式中：hf 沿程水头损失，沿程水头损失，m;n沿程阻力系数沿程阻力系数;n l管长管长,m;n d管径，管径，m;nv管中平均流速，管中平均流速，m/s。gvdlhf22n四、四、沿程（摩擦）阻力系数沿程（摩擦）阻力系数n尼古拉兹实验全面揭示了不同流态下尼古拉兹实验全面揭示了不同流态下和和Re数数及相对粗糙度（及相对粗糙度（/d）的关系。不同的流态，）的关系。不同的流态，有不同的计算有不同的计算值的公式。值的公式。1、层流区、层流区

13、n当当Re4000后形成，整个紊流区还可以分为后形成，整个紊流区还可以分为三个区域：三个区域：n（1）水力光滑管区）水力光滑管区n沿程（摩擦）阻力系数沿程（摩擦）阻力系数只与雷诺数只与雷诺数Re有关而有关而与相对粗糙度（与相对粗糙度（/d）无关。）无关。nRe105时，时，n（2）水力过渡区）水力过渡区2Relg42.1dn流动状态从水力光滑管区过渡到粗糙管区（阻力流动状态从水力光滑管区过渡到粗糙管区（阻力平方区）的一个区域。平方区）的一个区域。n沿程（摩擦）阻力系数沿程（摩擦）阻力系数与雷诺数与雷诺数Re和相对粗糙和相对粗糙度（度（/d）都有关。）都有关。n（3）粗糙管区（阻力平方区）粗糙管

14、区（阻力平方区）2lg274.11dn在此区域内，沿程（摩擦）阻力系数在此区域内，沿程（摩擦）阻力系数仅取决仅取决于管壁的相对粗糙度（于管壁的相对粗糙度（/d）而与雷诺数）而与雷诺数Re无无关。关。五、局部水头损失五、局部水头损失gvhj22式中：式中：局部阻力系数。由实验测出，可查局部阻力系数。由实验测出，可查阅有关手册。阅有关手册。n v过流断面的平均流速。过流断面的平均流速。n g 重力加速度。重力加速度。n流体运动中任意两过流断面间的水头损失流体运动中任意两过流断面间的水头损失为：为：n gvgvdlhhhjf2222孔口、管嘴出流及两相流体简介孔口、管嘴出流及两相流体简介n孔口出流孔口出流n管嘴出流管嘴出流n牛顿型、非牛顿型流体和气液、气固两相流动牛顿型、非牛顿型流体和气液、气固两相流动