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1、流体力学泵与风机主讲教师：杨 艺E-mail：yiyang_广东海洋大学工程学院 热能与动力工程系电话：13902501802参考书:1 流体力学泵与风机, 许玉望主编, 中国建 筑工业出版社, 第一版2 流体力学, 吴望一主编, 北京大学出版社, 第一版 3 流体力学基本理论与方法, 赵克强,韩占忠 编, 北京理工大学出版社, 第一版 图书馆索取 号:o35/06 4 流体力学水力学题解, 莫乃榕,槐文信编, 华 中科技大学出版社, 第一版 图书馆索取号:o35- 44/M864 5 流体力学学习方法及解题指导, 程军等编, 同济大学出版社, 第一版 图书馆索取号 :o35/c540第一章
2、诸 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用流体力学是研究流体机械运动规律及其应用的科学， 是力学的一个重要分支。流体力学研究对象是液体和气体，统称为流体。 流体力学的任务是研究流体平衡和运动的力学规律， 及其在工程中的应用。 定义 研究对象 研究任务流体力学泵与风机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。第一章 诸 论 分类流体力学可分为理论力学和工程流体力学。前者以理论 研究为主，后者研究实际工程中的流体力学问题。第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用流体力学又可分为水力学和气体动力学。水力学研究不可压缩流体，主要是液体和一定条件下 气体的平衡和运动规律；气体动
3、力学研究可压缩流体，主要是气体的平衡和运 动规律。流体力学组成：一是研究流体平衡规律的流体静力学 ；二是研究流体运动规律的流体动力学。 组成流体力学泵与风机流体力学泵与风机第一章 诸 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用 流体力学发展简史：流体力学发展简史：第一阶段（16世纪以前）：流体力学形成的萌芽阶段 公元前2286年公元前2278年大禹治水疏壅导滞（洪水归于河） 公元前300多年李冰 都江堰深淘滩，低作堰 公元584年公元610年隋朝 南北大运河、船闸应用埃及、巴比伦、罗马、希腊、印度等地水利、造船、航海产业发 展 系统研究古希腊哲学家阿基米德论浮体（公元前250年）奠定了流体 静
4、力学的基础流体力学泵与风机第一章 诸 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用第二阶段（16世纪文艺复兴以后-18世纪中叶）流体力学成为一门独立 学科的基础阶段 1586年 斯蒂芬水静力学原理 1650年 帕斯卡“帕斯卡原理” 1612年 伽利略物体沉浮的基本原理 1686年 牛顿牛顿内摩擦定律 1738年 伯努利理想流体的运动方程即伯努利方程 1775年 欧拉理想流体的运动方程即欧拉运动微分方程流体力学泵与风机第一章 诸 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用第三阶段（18世纪中叶-19世纪末）流体力学沿着两个方向发展 欧拉（理论）、伯努利（实验） 工程技术快速发展，提出很多经验公式1
5、769年 谢才谢才公式（计算流速、流量）1895年 曼宁曼宁公式（计算谢才系数）1732年 比托比托管（测流速）1797年 文丘里文丘里管（测流量） 理论1823年纳维，1845年斯托克斯分别提出粘性流体运动方程组（N-S方程）流体力学泵与风机第一章 诸 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用第四阶段（19世纪末以来）流体力学飞跃发展 理论分析与试验研究相结合 量纲分析和相似性原理起重要作用1883年 雷诺雷诺实验（判断流态）1903年 普朗特边界层概念（绕流运动）1933-1934年 尼古拉兹尼古拉兹实验（确定阻力系数）流体力学与相关的邻近学科相互渗透，形成很多新分支和交叉学科第一章 诸
6、 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用 研究方法理论研究方法力学模型物理基本定律求解数学方程分析 和揭示本质和规律 实验方法相似理论模型实验装置 数值方法计算机数值方法是现代分析手段中发展最快的方 法之一流体力学泵与风机力学领域的基本单位是：长度，质量和时间；它们的单 位分别是：m，kg，s。流体力学泵与风机应用贮槽第一章 诸 论第一节 流体力学的研究对象、任务及其应用流体力学泵与风机转子流量计阀门离心泵贮槽计算内容： 流速、流量、压强、管径、扬程、功率 应用的典型例子流体力学泵与风机第一章 诸 论第二节 作用在流体上的力作用在流体上的力是流体运动状态变化的重要外因，按其作用 不同可分为
7、表面力和质量力两类表面力是作用在被研究流体表面上，且与作用的表面积成 正比的力。表面力的表达形式是用单位面积上的切向分力（称为切 应力或摩擦应力）和单位面积上的法向分力（压应力或正压强）来 表示。如图1-1所示，作用在A上的表面力可表示为： 图1-1 表面力分析PF当微小面积A无限小而趋近于点A时，则有：（1-2-1） （1-2-2） p和的单位为帕斯卡，符号为Pa=N/m2=kg/ms2。 AT流体力学泵与风机第一章 诸 论第二节 作用在流体上的力质量力是作用在流体的每一质点上且与作用的流体的质量 成正比的力。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成比 例，所以又叫体积力。设流体中M点附近取
8、质量为dm微团，体积为dv，则作用于 该微团的质量力为dF，极限为：（1-2-3） 在x，y，z坐标轴上的分量分别为：（1-2-4） 1) 当只有在竖直方向上有重力时：F=Fz=-G=-Mgfx=0，fy=0，fz=-g gz y xdm dv dF流体力学泵与风机第一章 诸 论第二节 作用在流体上的力2)x轴方向上还有加速度的流体则有： Fx=-Ma，Fy=0，Fz=-Mg fx=-a，fy=0，fz=-g 3)当以匀角速度绕垂直固定轴旋转容器中的流体有 Fx=M2x，Fy=M2y，Fz=-Mg fx=2x，fy=2y，fz=-g 单位质量力单位为m/s2。gz y xagz y x流体力学
9、泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质一 惯性惯性是物体维持原有运动状态的能力的性质。惯性大小由密度表 示。单位体积流体所具有的质量称为密度，用表示，单位为 kg/m3。 任意点上密度相同的流体，称为均质流体： =M/V （1-3-1） 各点密度不完全相同的流体，称为非均质流体： （1-3-2） 单位体积流体所受重力为流体的容重，用表示，单位为N/m3，均 质流体容重如下： =G/V=g （1-3-3） 二 重力特性流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质非均质流体任一点处容重： （1-3-4） 常见流体的密度和容重值如表1-1 从密度与容重定义可看出, 与位置无关,
10、而随海拨位置不同而 不同。 流体名称密度(kg/m3)容重 (N/m3)测测定条件 温度( )气压压气 体氮 氧 空气 一氧化碳 二氧化碳1.25051.42901.29201.25001.976812.2674 14.0185 12.6824 12.2625 19.39240760m mHg液 体煤油 纯纯乙醇 水 水银银8008507901000135907848833877459807133318151540760m mHg例1-1 已知煤油的密度=800 kg/m3，求其容重。3L的此种煤油 ，质量和重量为多少？ 解： 煤油容重：=g=8009.81=7848 N/m3 煤油质量：M=
11、V=8000.003=2.4kg 煤油重量：G=V=78480.003=23.54N流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质三 粘滞性流体在流动时，对相邻两层流体间发生的相对运动，会产生阻碍 其相对运动的力，这种力称为内摩擦力。 液体所具有的这种抵抗两层间流体相对运动，或通常称为抵抗变 形的性质叫做粘滞性。 粘滞性是分子间的吸引力和分子不规则的热运动产生动量交换的结 果。温度升高，水粘滞性降低，空气粘滞性升高。流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质 牛顿平板实验 牛顿内摩擦定律（1-3-5） 摩擦应力（1-3-6） (u+du)dtudtdudtabc dab
12、cddy d角速率等于y方向u的梯度流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质 运动粘性系数 =/ （1-3-8） 是单位速度作用下的切应力对单位体积质量作用产生的 阻力加速度,单位是m2/s. 动力粘滞系数 是单位速度梯度作用下的切应力,单位是Ns/m2对于由多种成分组成的混合气体的动力粘性系数 （1-3-7） 式中 Xi混合气体中i组分气体的容积百分数；nii组分气体的分子量；ii组分气体的动力粘性系数；流体力学泵与风机第一章 诸 论 水和空气在一个大气压下的粘性系数 温度 ( )水空气温度 ( )水空气 10-3 (Pas)10-6 (m2/s)10-3 (Pas)10-6
13、 (m2/s)10-3 (Pas)10-6 (m2/s)10-3 (Pas)10-6 (m2/s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 801.792 1.519 1.308 1.140 1.005 0.894 0.801 0.723 0.656 0.599 0.549 0.469 0.406 0.3571.792 1.519 1.308 1.140 1.007 0.897 0.804 0.727 0.661 0.605 0.556 0.477 0.415 0.3670.01720.01780.01830.01870.01920.0196 0.0201 0.
14、0204 0.021013.714.715.716.617.618.6 19.6 20.5 21.790 100 120 140 160 180 200 250 3000.317 0.2840.328 0.2960.0216 0.0218 0.0228 0.0236 0.0242 0.0251 0.0259 0.0280 0.029822.9 23.6 26.2 28.5 30.6 33.2 35.8 42.8 49.9a流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质粘性切应力的计算a) 表示同心圆柱体，外筒固定，内筒 以旋转，内柱表面粘性切应力为：bb) 表示两个同轴圆柱体，外筒固
15、定， 内筒以速度U沿轴线方向运动，内筒 表面粘性切应力为：流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质【例】倾角=25度的斜面涂有厚度=0.5mm的润 滑油。一块重量未知，底面积A=0.02m2的木板沿 此斜面以等速度U=0.2m/s下滑，如果在板上加一 个重量G1=5N的重物，则下滑速度为U1=0.6m/s。 试求润滑油的动力粘性系数 【解】没有加重物时，由力平衡得：加重物后，由力平衡得：上述两式相减得：流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质【例】有两个同心圆筒，长L=300mm，间隙 =10mm，间隙内充有密度=900kg/m3、运动粘 性系数=0.2610-3m2/s的油，内筒直径d=200mm ，它以角速度转动=10 rad/s，求施加于内筒的 转矩M。 【解】内筒表面的粘性切应力为：内筒表面积为：动力粘度为：转矩为：流体力学泵与风机第一章 诸 论第三节 流体的主要力学性质【例】液面上有一面积A=1200cm2的平板，以v=0.5m/s的速度作 水平移动，形成平行板间液体的层流运动，平板下液体分两层，它 们的动力粘
