流体力学初讲

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1、2017/9/30,1,流 体 力 学,郑仁宇4月12日,2017/9/30,2,主 要 内 容,1 流体力学概述2 流体的基本物理性质3 伯努利方程4 液体的空化和空蚀现象5 水击现象,2017/9/30,3,1 流体力学概述,一、流体力学的研究内容及研究对象： 流体力学是力学的一个重要分支，主要是研究流体的平衡与机械运动规律及其在生产实践中应用的一门科学，即研究流体本身静止和运动两个状态及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。 流体力学的学习是研究泵与风机必备的的基础理论知识，也是热能与动力工程专业的专业基础课。 流体力学研究对象：研究得最多的是水和空气。,研究内容及研究对象

2、,2017/9/30,4,二、流体力学的发展史： 1、萌芽：距今约2200年前，希腊学者阿基米德写的“论浮体”一文，奠定了流体静力学的基础。以后近千年流体力学鲜有发展。 2、主要发展：17世纪，帕斯卡法）阐明了静止流体中压力的概念，力学奠基人牛顿（英）提出的牛顿粘性定律。之后，毕托（法）发明了测量流速的毕托管；欧拉（瑞士）采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，伯努利（瑞士）从经典力学的能量守恒出发伯努利方程。从20世纪60年代起，流体力学开始了向其他学科的互相交叉渗透，使得流体力学的研究取得了巨大的成就。,流体力学的发展史,2017/9/30,5,三、流体

3、力学的应用 流体是人类生活和生产中经常遇到的物质形式，因此许多科学技术部门都和流体力学有关。例如水利工程、土木建筑、交通运输、石油开采、化学工业、生物工程等都有大量的流体问题需要应用流体力学的知识来解决。 而与我们息息相关的：整个发电系统中冲转汽轮机用的的蒸汽、锅炉燃烧用的煤气、冷凝器凝汽用的循环水以及附近工段的高炉供风、制氧及给排水等。,流体力学的发展史,2017/9/30,6,一、流体的概念 1、流体的概念：力学上把在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质，称为流体。 流体不能抵抗剪切变形，而只能抵抗变形速度，即对变形速度呈现一定的阻力。流体具有的极易变形的这个特性叫做流动性。

4、因为气体和液体都具有流动性，习惯上把液体和气体合称为流体。,2 流体的基本物理性质,流体的概念,2017/9/30,7,2、流体和固体的区别 从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗能力的不同: 固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形即流体易变形，没有固定的形状。,流体的概念,2017/9/30,8,3、液体和气体的区别和共同点 区别： (1)气体易于压缩；而液体难于压缩； (2)液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。 液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力

5、作用下都会发生变形或流动，故二者统称为流体。 气体与汽体（蒸汽）的区别：蒸汽易凝结成液体，气体较难。,流体的概念,2017/9/30,9,二、密度 按照牛顿定律，流体总是力图保持它的运动状态不变，这就是所谓的惯性。惯性的大小是用质量来度量的，质量越大，惯性就越大。为了便于比较不同流体惯性的大小，通常用密度来表明流体质量的密集程度。 流体单位体积内所具有的质量称为密度，用希腊字母表示，即 式中 流体的密度，kg/m3； m 流体的质量，kg； V 流体的体积，m3。,密度,2017/9/30,10,三、重度 根据万有引力定律，任何物体之间都有吸引力。地球对物体的吸引力叫做重力，又称重量。为了比较

6、不同流体重量的大小，一般用重度来表示。即 式中： 流体的重度，N/m3; G 流体的重量，N; V 流体的体积，m3.流体的密度与重度的关系 =g,重度,2017/9/30,11,四、流量 单位时间内通过有效截面的流体体积称为体积流量，以qv表示。其单位为m3/s、m3/h等。 单位时间内通过有效截面的流体质量称为质量流量,以qm表示，其单位为kg/s、t/h等。 由于微元流束有效截面上各点的流速V是相等的，所以通过微元流束有效截面积为的体积流量qv和质量流量qm分别为： qv=VA (3-16) qm=VA (3-17),流量,2017/9/30,12,五、定常流动和非定常流动 根据流体的流

7、动参数是否随时间而变化，可将流体的流动分为定常流动和非定常流动。,图 流体的出流,定常、非定常流动,2017/9/30,13,六、压缩性与膨胀性 流体的体积随压力和温度而改变。流体所承受的压力增大时，流体体积缩小的性质称为压缩性。流体温度升高时，流体体积增大的性质称为膨胀性。液体压缩性的大小用压缩系数来表示。压缩系数表示温度不变时，单位压力变化所引起的液体体积相对变化量。 在工程实际计算中，常常忽略压力变化时体积的改变，而把液体的密度视为常数。这种液体称为不可压缩流体。 液体膨胀性的大小用膨胀系数来表示。膨胀系数表示压力不变时，单位温度变化所引起的液体体积相对变化量。温度与压力的改变，对气体的

8、体积影响很大。因为压力及温度变化时气体的体积要发生较大的变化，气体的密度和重度都不能视为常数，所以气体称为可压缩流体。,压缩性与膨胀性,2017/9/30,14,七、粘性 流体运动时，在流体层产生内摩擦以抵抗流体变形的特性称为流体的粘性。（作相对运动的流体必须克服粘性的阻碍，因而造成能量的消耗，粘性是引起流体运动能量损失的根本原因）。 流体的粘滞性是指，流体在运动状态下抵抗剪切变形能力。流体的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动。因此，流体的粘滞性是指抵抗流体质点之间的相对运动能力。流体抵抗剪切变形能力，可通过流层之间的剪切力表现出来（这个剪切力称为内摩擦力）。流体在流动过程中，必然要克服内摩

9、擦力做功，因此流体粘滞性是流体发生机械能损失的根源。,粘性,2017/9/30,15,1牛顿内摩擦定律由牛顿提出并经试验证明，相邻两层流体间内摩擦力的大小与两流体的接触面积及速度差成正比，与两层流体间的距离成反比，并与流体种类及温度有关，而与流体所承受的压力无关。用数学式表达为：式中 T流体的内摩擦力，N; A流层间的接触面积，m2； 流体的动力粘度，表征流体种类及温度影响的一个比例常数（又称动力粘滞系数或绝对粘度）；Pas； 流体的速度梯度，它表示了与流速相垂直的y方向上速度的变化率s-1。,粘性,2017/9/30,16,2、动力粘度和运动粘度： 动力粘性系数：又称绝对粘度、动力粘度、粘度

10、，是反映流体粘滞性大小的系数。单位：牛秒/米2， N.s/m2 或： 帕秒，Pas注意：各单位间的换算关系 运动粘性系数：又称相对粘度、运动粘度。/ 单位：厘米2/秒，斯，cm2/s； 国际单位：米2/秒， m2/s,粘性,2017/9/30,17,八、流体静力学及基本方程 凡是流体之间没有相对运动，就称为平衡状态。流体静力学研究流体在平衡状态下的力学规律及应用。 作用在流体上的力有两大类，即表面力与质量力。作用在所取流体分离体表面上的力称为表面力；作用在流体每一个质点上并与质量成正比的力，称为质量力，质量力又称为体积力。流体静力学基本方程式它表明，在重力作用下的静止液体中，任意一点的静压力p

11、等于自由表面上的压力p0加上该点的距自由表面的深度h与液体重度的乘积。,粘性,2017/9/30,18,九、压力表示方法 1绝对压力 当流体的静压力是以绝对真空为零点算起时，这个压力值称为绝对压力，以字母p表示。 对液体而言，若自由表面上是大气压力pa，则液体中某一点的绝对压力可表示为：,压力表示方法,2017/9/30,19,2相对压力以大气压力pa为零点算起的压力叫做相对压力。也就是绝对压力减去当地大气压力，便得到相对压力值，以pg表示绝对压力等于相对压力加上大气压力，即,压力表示方法,2017/9/30,20,3真空如果流体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该处具有真空。真空值是指大气压

12、力与绝对压力的差值，用字母pv表示，即相对压力与真空值有以下关系:真空度是指真空值与当地大气压比值的百分数。,压力表示方法,2017/9/30,21,十、等压面及连通器 1等压面 静止流体内，由静压力相等的各点组成的面称为等压面。等压面是水平面。液体等压面时水平面这一结论是在静止、连通及同一种液体这样三个前提下得到的，任一条件不能满足，水平面就不是等压面。 2连通器 连通器是液面以下互相连通的两个（或几个）容器。 液面的高度与重度成反比。,等压面及连通器,连通器液体平衡的三种情况：1） 盛有相同液体和液面上压力相等的连通器，其液面高度相等，如锅炉汽包水位计，油箱油位计等；2）盛有相同液体，但液

13、面上压力不相等的连通器，其液面上的压力差等于液面差所产生的压力值，如汽轮机凝汽器的水银真空计；3）连通器中盛有两种液体（不相混），但液面上压力相等自分界面起，液面高度与重度成反比，利用这种关系可以测定液体的重度或进行液柱高度的换算。,等压面及连通器,十一、流动损失 由于流体本身具有粘性，流体流动的边界又不是十分光滑的，而且还有各种变化导致流动状态发生变化，使流体在流动的过程中收到阻力，即流动阻力。由流动阻力而引起的损失称为阻力损失。 将流动阻力分为沿程阻力、局部阻力 沿程阻力：液体流动由于粘性使各流层之间以及液体壁面之间产生一定的阻力，这一阻力存在于整个流动过程中，称为沿程阻力，液体因克服沿程

14、阻力而损失的能量，称为沿程阻力损失。简称沿程损失。 局部阻力：固体边界在局部地方的突然发生变化对流动产生的阻力，仅存在于局部范围内，称为局部阻力。液体因克服局部沿程阻力而损失的能量，称为局部阻力损失。简称局部损失。,流动损失,减小流动阻力的措施 有两只途径，一是改善流体与固体边界接触状况，二是采用添加剂减阻 1）改善固体边界状况 增大过流断面几何尺寸 减少管长 减少局部管件提高 改善局部管件结构（原则是尽可能避免或减少漩涡的产生或发展） 2）添加阻垢剂 在流动的液体中加入极少量的添加剂使流动阻力大大减少。,流动损失,2017/9/30,25,一、连续性方程 液流中各个过流断面上平均流速与断面面积的乘积均相等，且等于常数，即 可以看出，同一时间内，不同过流断面处流过的液体体积是相等的。也就是说，断面大的地方，流速低；断面小的地方，流速高。 连续性方程式是质量守恒定律在流体力学中的具体表现形式。,伯努利方程,3 伯努利方程,2017/9/30,26,二、伯努利方程 液体的能量方程式又称为伯努利方程式。 已知液流在1、2状态下的状态参数（包括速度、压力和高度），以及从1状态过渡到2状态时液流的内摩擦功hw，可以写出单位质量的实际液体的能量方程式：,