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1、建筑设备（水）杜茂安杜茂安第一章 流体动力学第一章 流体动力学流体力学流体力学是研究流体的平衡和机械运 动规律以及在工程中应用的一门学科。是研究流体的平衡和机械运 动规律以及在工程中应用的一门学科。 流体的性质：流体的性质： 受到微小剪切力作用，就发生形变，即流 动；受到微小剪切力作用，就发生形变，即流 动； 不能承受拉力，但可以承受压力；不能承受拉力，但可以承受压力； 通常具有一定的体积，并具有自由表面。通常具有一定的体积，并具有自由表面。掌握流体力学的必要性掌握流体力学的必要性在给水排水工程、供热通风工程及城 市燃气工程中，管道内流体的工作介质都 是流体。在给水排水工程、供热通风工程及城
2、市燃气工程中，管道内流体的工作介质都 是流体。 例如，生活、生产用水的供给，污 水、雨水的排放，热能的供应，通风及空 气调节等都离不开流体例如，生活、生产用水的供给，污 水、雨水的排放，热能的供应，通风及空 气调节等都离不开流体。第一节 流体动力学的基本概念第一节 流体动力学的基本概念1. 恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流恒定流恒定流流场中所有空间点上一切运动要素都不随时间 改变。流场中所有空间点上一切运动要素都不随时间 改变。 非恒定流非恒定流流体的某一部分或全部运动要素随时间变 化。流体的某一部分或全部运动要素随时间变 化。2.一元流动、二元流动和三元流动 根据运动要素的空间维数来分类在研
3、究管道 与渠道中流动问题时，常沿运动方向取曲线坐标一元流动、二元流动和三元流动 根据运动要素的空间维数来分类在研究管道 与渠道中流动问题时，常沿运动方向取曲线坐标 s， 并将复杂运动转化为一元流动问题：， 并将复杂运动转化为一元流动问题： 三元流动三元流动：运动要素是三个空间坐标的函数：运动要素是三个空间坐标的函数 二元流动二元流动：运动要素是两个空间坐标的函数：运动要素是两个空间坐标的函数 一元流动一元流动：运动要素是一个空间坐标的函数：运动要素是一个空间坐标的函数3. 流线、均匀流流线、均匀流流线流线：某一瞬间在流场中绘出的所有质点的流速矢 量都与之相切的一系列曲线。：某一瞬间在流场中绘出
4、的所有质点的流速矢 量都与之相切的一系列曲线。 均匀流均匀流：若诸流线是平行直线且质点流速沿程不 变，这种流动称为均匀流。：若诸流线是平行直线且质点流速沿程不 变，这种流动称为均匀流。 渐变流渐变流：流线近似于平行直线，流体在等截面有限 长直管中的流动就是渐变流。：流线近似于平行直线，流体在等截面有限 长直管中的流动就是渐变流。 急变流急变流：流线费平行直线，指点流速眼、沿流线有 显著变化。当流体通过三通、弯头、阀门、变 径管等局部构件时可看作是急变流。：流线费平行直线，指点流速眼、沿流线有 显著变化。当流体通过三通、弯头、阀门、变 径管等局部构件时可看作是急变流。4. 流管、元流和总流流管、
5、元流和总流在流场中任取一非流线的封闭曲线，过曲线上各点的流线所 构成的管状表面称为在流场中任取一非流线的封闭曲线，过曲线上各点的流线所 构成的管状表面称为流管流管。流管及其内部流体称为。流管及其内部流体称为流束流束。?恒定流中流管的形状不随时间变化。恒定流中流管的形状不随时间变化。过流断面过流断面流束上与流线正交的横断面称为过流断 面。流束上与流线正交的横断面称为过流断 面。?在流线相互平行时，过流断面是平面；流线相互不平 行，过流断面为曲面。在流线相互平行时，过流断面是平面；流线相互不平 行，过流断面为曲面。1122 过流断面过流断面元流和总流元流和总流元流指元流指过流断面无限小过流断面无限
6、小时流管及内部的流体 ， 断面上各点的运动参数均相同。时流管及内部的流体 ， 断面上各点的运动参数均相同。总流是总流是过流断面为有限大小过流断面为有限大小的流管及其内部 的流体，是的流管及其内部 的流体，是由无数元流构成由无数元流构成，断面上各点的 运动参数一般情况下不相同。，断面上各点的 运动参数一般情况下不相同。层流流速分布紊流流速分布层流流速分布紊流流速分布6. 流量和断面平均流速流量和断面平均流速(1) 流量流量单位时间内通过某一过流断面流体的体积称为单位时间内通过某一过流断面流体的体积称为体积流量体积流量 Q，单位（单位（m3/s）。）。有时，流量用单位时间内通过某一过流断面的流体质
7、量 来表示，称为有时，流量用单位时间内通过某一过流断面的流体质量 来表示，称为质量流量质量流量Qm，单位（，单位（kg/s）。）。QQm= AudAQu微元断面的速度微元断面的速度（2）断面平均流速）断面平均流速总流过流断面上各点的流速总流过流断面上各点的流速 u 一般是不相等的。为了便于 计算，一般是不相等的。为了便于 计算，设想过流断面上流速设想过流断面上流速v 均匀分布均匀分布，通过的流量与实 际流量相同，通过的流量与实 际流量相同u uvAudAQ A=几何意义几何意义：以 底为：以 底为A，高为 的柱体体积等 于流速分布曲 线与过水断面 所围成的体积，高为 的柱体体积等 于流速分布曲
8、 线与过水断面 所围成的体积第二节能量方程第二节能量方程22 1122 1222pupu ggzz+=+理想流体元流伯诺里方程理想流体元流伯诺里方程适用条件：适用条件：恒定流恒定流 不可压缩流体不可压缩流体 质量力仅重力质量力仅重力 微元流束（元流）微元流束（元流）几何意义物理意义几何意义物理意义位置高度（位置水头）位置势能（位能）测压管高度(压强水头)压强势能(压能)测压管水头总势能流速高度（速度水头）动能总水头机械能总水头线是水平线机械能守恒位置高度（位置水头）位置势能（位能）测压管高度(压强水头)压强势能(压能)测压管水头总势能流速高度（速度水头）动能总水头机械能总水头线是水平线机械能守
9、恒理想流体元流伯诺里方程的物理意义与几何意义理想流体元流伯诺里方程的物理意义与几何意义gphp=gpz+mgzzmg=221 22umu gmg=22puzgg+22puzcgg+=?实际流体具有粘性，运动时产生流动阻力，克服阻力作 功，使流体的一部分机械能不可逆地转化为热能而散失实际流体具有粘性，运动时产生流动阻力，克服阻力作 功，使流体的一部分机械能不可逆地转化为热能而散失?粘性流体流动时，单位重量流体具有的机械能沿程不守恒 而是减少，总水头线不是水平线，而是沿程下降线粘性流体流动时，单位重量流体具有的机械能沿程不守恒 而是减少，总水头线不是水平线，而是沿程下降线lhgu gpzgu gp
10、z+=+222 22 22 11 1式中式中h hl l 实际流体元流单位重量流体由过流断面1-1运 动至过流断面2-2的机械能损失，又称为实际流体元流单位重量流体由过流断面1-1运 动至过流断面2-2的机械能损失，又称为元流的水头损失元流的水头损失实际流体元流的伯努力方程实际流体元流的伯努力方程u12/2gu12/2g总水头线测压管水头线总水头线和测压管水头线总水头线和测压管水头线第三节 水头损失第三节 水头损失 实际流体都具有粘性，在流动过程中流体与固 体的边界之间及速度不同的六层之间均会出现切应 力，表现为阻力。阻力做功过程中将使流体一部分 机械能不可逆转的形成能量损失。实际流体都具有粘
11、性，在流动过程中流体与固 体的边界之间及速度不同的六层之间均会出现切应 力，表现为阻力。阻力做功过程中将使流体一部分 机械能不可逆转的形成能量损失。 水头损失水头损失：单位重量液体的能量损失，包括：单位重量液体的能量损失，包括沿程水 头损失沿程水 头损失和和局部水头损失局部水头损失 。 沿程水头损失沿程水头损失：由于在管道上受到沿程不变得切应 力，流体克服沿程阻力而引起的能量损失。：由于在管道上受到沿程不变得切应 力，流体克服沿程阻力而引起的能量损失。 局部水头损失局部水头损失：因固体边界的急剧改变引起流速分 布的突然变化，使流动在局部地方受到障碍和干扰 时所产生的阻力，流体克服局部阻力时所产
12、生的比 较中的能量损失。：因固体边界的急剧改变引起流速分 布的突然变化，使流动在局部地方受到障碍和干扰 时所产生的阻力，流体克服局部阻力时所产生的比 较中的能量损失。22flvhdg=22mvhg=沿程水头损失计算公式：沿程水头损失计算公式：局部阻力水头损失：局部阻力水头损失：式中：ldv沿程阻力系数，管长， 管径， 管道平均流速式 中 ： 局 部 阻 力 系 数1.沿程阻力系数的经验公式1.沿程阻力系数的经验公式 1769年法国工程师谢才直接根据河渠的实测资 料提出的，是水力学最古老的公式之一1769年法国工程师谢才直接根据河渠的实测资 料提出的，是水力学最古老的公式之一C RJ=式中式中断
13、面平均流速，m/s；断面平均流速，m/s；R 为水力半径，m；为水力半径，m；J J水力坡度；水力坡度；C C谢才系数(反映沿程阻力大小)， m谢才系数(反映沿程阻力大小)， m0.50.5/s。/s。1/61CRn=式中式中n n 是综合反映壁面对水流阻滞作用的粗糙系 数，各种不同粗糙面的是综合反映壁面对水流阻滞作用的粗糙系 数，各种不同粗糙面的n n见P106表5-3见P106表5-31895年爱尔兰工程师曼宁（Manning）给出谢才系 数的经验公式适用于紊流粗糙区1895年爱尔兰工程师曼宁（Manning）给出谢才系 数的经验公式适用于紊流粗糙区)24(2 8 gRLhRJCRJfg=
14、gC8=适用于任何流区适用于任何流区（1）曼宁公式）曼宁公式1/61CRn=式中：式中：R水力半径（水力半径（m）；）；n粗糙系数，是一个综合反映固体壁面对流 体阻滞作用的系数，其值由基岩资料获得粗糙系数，是一个综合反映固体壁面对流 体阻滞作用的系数，其值由基岩资料获得（2）巴浦洛夫斯基公式）巴浦洛夫斯基公式1yCRn=2.50.130.75(0.10)ynRn=0.011n0.04, 0.1mR3.0m公式适用于2. 局部阻力系数的确定局部阻力系数的确定(1) 局部水头损失局部水头损失 hm的种类的种类 过流断面的扩大与收缩：过流断面的扩大与收缩：渐扩、突扩、渐缩、突 缩渐扩、突扩、渐缩、突
15、 缩 流动方向的改变：流动方向的改变：弯头弯头 流量的合入和分出：流量的合入和分出：三通三通 (2) 产生产生 hm的原因的原因 流体流经局部阻碍时，因惯性作用主流与壁面脱 离，其间流体流经局部阻碍时，因惯性作用主流与壁面脱 离，其间形成旋涡区形成旋涡区，是造成局部水头损失的主 要原因。 实验结果表明，局部阻碍处旋涡区越大，旋涡强 度越大，是造成局部水头损失的主 要原因。 实验结果表明，局部阻碍处旋涡区越大，旋涡强 度越大，hm越大。越大。 (3) 局部阻力系数一般通过实验确定局部阻力系数一般通过实验确定?突扩的特例突扩的特例 当流体在淹没情况下，流入断面很大的容器时， 作为突然扩大的特例A当流体在淹没情况下，流入断面很大的容器时， 作为突然扩大的特例A1 1/A/A2 200vA1A2管道出口局部阻力系数管道出口局部阻力系数1=v1v21122突扩局部阻力系数突扩局部阻力系数?管道进口局部阻力系数随其形状接近流线型化 程度增大而减小管道进口局部阻力系数随其形状接近流线型化 程度增大而减小0.5=(a)直角进口直角进口05. 0=(b)圆角进口圆角进口0 . 1=(c)外伸进口外伸进口突缩局部阻力系数突缩局部阻力系数
