建筑设备第1章 流体力学基本知识

《建筑设备第1章 流体力学基本知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑设备第1章 流体力学基本知识（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、建筑设备工程,建筑工程系,第一章 流体力学基本知识,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，通过本章的学习同学们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。详细的内容请参考流体力学和泵与风机,物质的三种形态：固体、液体和气体 流体力学：研究流体平衡和运动的力学规律及其应用的科学,连续介质假设 从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。 从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。 所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。 这些质点在流体内部紧紧相

2、连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，称为连续介质。,11流体的主要物理性质,一、密度和容重 质量与密度质量：表征惯性的物理量流体的质量：常以密度来反映定义：对于均质流体，单位体积的质量称为密度 ()数学表达式：,重力与容重物体受到地球引力的特性，称为重力特征，常用容重来表征定义：对于均质流体，作用于单位体积流体的重量称为容重() 数学表达式：,容重与密度的关系： 密度和容重与压力、温度的关系 压力升高 流体的密度和容重增加 温度升高 流体的密度和容重减小,二、易流动性 流体不能承受拉力，静止流体不能抵抗切力，但是流体能承受较大的压力。 流体这种在静止时不能承受切应力和抵抗剪切变形的性质称为

3、易流动性 。,8,三、流体的粘滞性 定义：流体流动时流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（切力）以阻碍相对运动的性质叫做粘滞性 。内摩擦力称为粘滞力。 粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。,10,平板间液体速度变化,11,实际流体在管内的速度分布,牛顿内摩擦定律： F内摩擦力,N; S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）,N/ m2；,du/dn流速梯度，沿垂直流速方向单位长度的流速增值； 与流体种类有关的系数，kg/ms， (动力粘滞系数) ； 粘滞性的大小用粘滞系数表达运动粘滞系数()：,粘滞性与温度、压力的关系 粘滞性受温度影响大，受压力

4、影响小。 液体的粘滞性随温度的升高而降低。 气体的粘滞性随温度的升高而增加。,四、流体的压缩性和热胀性 流体压强增大，体积缩小的性质，称为流体的压缩性。 流体温度升高，体积膨胀的性质，称为流体的热胀性。 1）液体压缩性和膨胀性很小，引起工程误差很小，可忽略不计。,2）气体有显著的压缩性和膨胀性，t与P的变化对影响很大。 当流体的温度不过低，压强不过高时，t、P、三者关系服从理想气体状态方程： 式中： P气体的绝对压强，N/m2； T气体的绝对温度，K； 气体的密度，kg/m3；,R气体常数，J/kg.K。空气：R287；其他气体：R8314/N，N为该气体的分子量。 当气体v50m/s时，因的

5、变化1% ，密度可视作常数，这种气体称为不可压缩气体。 当气体v50m/s时，因的变化很大，密度不能视作常数，这种气体称为可压缩气体。,综上所述：建筑设备工程中的水、气流体，流速在大多情况下均较低，密度在流动过程中变化不大，密度可视为常数，一般将其认为是一种易于流动的，具有粘滞性的和不可压缩的流体。,12流体静压强及其分布规律,本节学习的目的： 学习和讨论流体静止（平衡）状态下的力学规律及其应用。流体静止时的特点：不显示其粘滞性，不存在切向应力。 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： 流体静压强的分布规律。,一、流体静压强及其特性 1.静压强的概念： N/m2（帕/pa）

6、 处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其他外力的作用，在流体内部及流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。 单体面积上流体的静压力称为流体的静压强。,2.流体静压强的特性：（1）流体静压强的方向与受压面垂直并指向受压面。（2）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各方向的静压强大小相等。,二、流体静压强的分布规律 1.自由表面及等压面 （1）自由表面是指液面与气体的交界面。在重力作用下，静止液面的自由面为水平面。敞口容器内的液体的自由面上是大气压。 （2）流体中具有相同压强各点所构成的面称为等压面。静止流体的自由面即为等压面。其下相同深度

7、处所组成的面也是等压面。 确定流体等压面的方法，有三个条件： 必须在静止状态；在同一种流体中；而且为连续液体。,2.分析静止液体中压强分布：,静止液体中压强分布,分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力有：上表面压力 下底面的静水压力 柱体重力,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）。该铅直小圆柱体处于静止状态，其轴向力平衡 化简,3.静水压强基本方程式： 特点： （1）方程表示静水压强与水深成正比的直线分布规律。 （2）作用于液面上的表面压强p0是等值地传递到静止液体中每一点上。 （3）对于气体，由于很小，当h 不大时，可忽略h 项，则p p0,水静压强分布图,4. 静压

8、强的特性 静压强的方向性流体具有各个方向上的静压强。 流体内部任意一点的静压强的大小与其作用的方向无关。 流体的静压强仅与其高度或深度有关，而与容器的形状及放置位置、方式无关。,三、压强的两种计算基准绝对压强： （pA ）以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强。 相对压强： （p ）以当地大气压Pa作为零点计量的压强。 绝对压强和相对压强的关系： pA p pa 或 p pA pa,P可正可负 P为正值时： pA pa，称为正压（表压，即压力表读数） P为负值时： pA pa，称为负压（真空度，即真空表读数） 真空度pk pa pA P,31,绝对压力、表压与真空度的关系,32,四

9、、压强的三种量度单位 从压强的基本定义出发，用单位面积上的力表示：力/面积 国际单位：N/m2, 以符号Pa表示工程单位：kgf/m2或kgf/cm2 用大气压的倍数表示国际规定标准大气压： 1标准大气压101.325KPa工程单位规定大气压： 1at1 kgf/cm2 98KN/m2 用液柱高度表示常用水柱高度或汞柱高度，单位：mH2O，mmH2O，mmHghp /,13 流体运动的基本知识,主要内容流体运动的基本概念连续性方程能量方程 一、流体运动的基本概念（一）压力流与无压流 1 .压力流：流体在压差作用下流动,流体整个周围都和固体壁相接触，没有自由表面。例如：,2 .无压流（重力流）：

10、液体在重力作用下流动，液体的部分周界与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表面。例如： （二）恒定流与非恒定流 1 .恒定流： 流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素都不随时间而变化的流动。如从水位不变的水箱中放水的水流运动，如图15（a）所示。,2 .非恒定流：流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素随时间的变化而变动的流动。如水位随水放出不断改变的水流运动，如图15（b）所示。 自然界中都是非恒定流，建筑设备工程中取为恒定流。,恒定流与非恒定流,（三）流线与迹线： 1.流线:是流体中同一瞬间由许多质点组成的曲线。在该曲线上所有各点的速度向量都与该曲线相切，如图16

11、所示。它形象地描绘了该瞬间整个流体的流动情况。 2.迹线:流体运动时，流体中某一个质点在连续时间内的运动轨迹。,37,流线,流线的基本特性： 恒定流时，流线的形状和位置不随时间而变化。恒定流时，流体质点运动的迹线与流线重合。 非恒定流时，流线的形状和位置随时间而变化。非恒定流时，流体质点运动的迹线与流线不相重合。,（四）均匀流与非均匀流： 1.均匀流：流体运动时，流线是平行直线的流动称为均匀流。 2.非均匀流：流体运动时，流线不是平行直线的流动称为非均匀流。 它又分为： （1）渐变流：流体运动中流线接近于平行线的流动称为渐变流。 （2）急变流：流体运动中流线不能视为平行直线的流动称为急变流。,

12、（五）元流、总流、过流断面、流量与断面平均流速： 1.元流：水流中一微小面积d上各点引出流线所形成的一个封闭管状曲面。 2.总流：流体运动时，无数元流的总和。3.过流断面：与元流或总流的流线成正交的横断面。 单位时间内通过过流断面d的液体体积为ud dQ,42,元流与总流,过流断面,4.流量：单位时间内通过某一过流断面的流体体积。一般流量指的是体积流量，单位是m3/s或L/s。 5.断面平均流速：断面上各点流速的平均值。 通过过流断面的流量为,断面平均流速为： 该关系式表达了流量（Q）、过流断面（）和平均流速（v）三者之间的关系。,二、恒定流的连续性方程式1.如图19所示，在恒定总流中任取一元

13、流，元流在11过流断面上的面积为d1,流速为u1;在22过流断面上的面积为d2,流速为u2。,应用质量守恒定律，在dt时段内流入的质量与流出的质量相等： 1u1d1dt2u2d2dt 或 1u1d12u2d2 从元流推广到总流，得：,由于过流断面上密度为常数，以 代入上式，得： 1Q1 2 Q2 （113） Qv 11v 122v 2 （113a） （113）、 （113a） 质量流量的连续性方程式。,2.g，同一地区重力加速度g相同。 1Q1 g2 Q2g 1Q1 2Q2 （114） 11v 122v 2 （114a） G1G2 （114b） （114）、 （114a）、 （114b）重量流

14、量的连续性方程式。,3 .当流体不可压缩时，流体的容重不变，上式得到： Q1 Q2 （115） 1v 12v 2 （115a） （115）、 （115a）体积流量的连续性方程式。 对可压缩流体，可用（113）、（114）。,连续性方程,说明管道中总流是连续的，过流断面与平均流速成反比，过流断面大，流速小；过流断面小，流速大；过流断面不变，流速亦不变；连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达式。,三、恒定总流能量方程式应用能量守恒及其转化规律 （一）恒定总流实际液体的能量方程式 1738年荷兰科学家达.伯努利考虑液体的粘性影响，推导出了1-1和2-2断面间流段实际液体恒定总流的能量方程，即伯努

15、里方程式：,z1、z2位置水头，表示单位重量的位置势能。 p1/、 p2/压强水头。P为相对压强（静压）。 1v12/2g、 2v22/2g流速水头（动压）。 动能修正系数。 1.051.1, 常取1.0 h12水头损失。（水从断面11流向断面22）,以上各项单位为长度，都可以在断面上用铅直线段在图中表示出来。 H zp/ v2/2g H总水头。 Hp zp/测压管水头。 将各断面上的总水头连成一条线，则此线称为总水头线，如图116中虚线所示。总水头线是沿流程下降的倾斜线。,将各断面上的测压管水头连成一条线，则此线称为测压管水头线，如图116中实线所示。测压管水头线沿流程方向可能上升，也可能下

16、降。,（二）实际气体恒定总流的能量方程式 对于不可压缩气体，由于气体容重很小，重力做功忽略不计，z0； 一般通风管道中，过流断面流速分布比较均匀，1。 实际气体总流的能量方程式为：,或： 式中： p 过流断面相对压强，工程上称静压。 rv2/2g工程上称动压。 p rv2/2g过流断面的静压与动压之和，工程上称全压。 rh1-212两过流断面间压强损失。,14 流动阻力和水头损失,一、流动阻力和水头损失的两种形式： 当流体沿管道流动时，存在沿程阻力损失和局部阻力损失。 任何一个建筑设备的管路系统都由许多串联或并联的计算管段组成。,（一）沿程阻力和沿程水头损失 沿程阻力-流体在管段中流动时，管道壁面对于流体会产生一个阻碍其运动的摩擦阻力。 沿程水头损失-流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程水头损失。（hf）,（二）局部阻力和局部水头损失