《建筑设备工程》流体力学基本知识

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1、建筑设备工程 流体力学基本知识第一节 流体的主要力学性质一、流体的特性 1、流动性：流体内部分子发生随机运动造成； 2、无一定形状，随容器形状发生变化； 3、流体是在外力作用下，其内部发生相对运动， 从而使流体运动。流体质点是指包含足够多的分子，它比分子 自由程长度大得多，但它的形状与容器或管道相 比又微不足道的小块流体。第一节 流体的主要力学性质二、流体的种类： 1、液体：不可压缩流体，流体的体积随压力 与温度变化很小； 2、气体：可压缩流体，它的体积随压力与温 度变化很大；如果压力、温度变化很小， 也可视作不可压缩流体。第一节 流体的主要力学性质三、流体的密度与比容 1、密度的定义：单位体

2、积流体所具有的质量；=m/V (kg/ m3) SI制 2、重度：单位体积流体所具有的重量；=W/V (kgf/m3) 工程制 4的水， =1000kg/m3，=1000kgf/m3 ，SI制中密 度与工程制中重度相等。 3、比重：d=/水(4 )=/水(4)(相对密度) 4、比容：单位质量流体的体积；=V/m=1/(m3/kg)第一节 流体的主要力学性质四、流体的粘度与牛顿粘性定律： 1、流体的粘性：流体在流动时受外力作用内部作 相对运动时产生内摩擦力的性质即为粘性；粘性 是流动性的反面。什么是流动流体的内摩擦力呢？运动着的流体内部相邻流体层之间由于分子 运动而产生的相互作用力称为流体的内摩

3、擦力或 粘滞力；当流体流动时，必须克服内摩擦力而作 功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失 。第一节 流体的主要力学性质2、流体流动时与内摩擦力大小有关的因素牛 顿粘性定律如图所示，距离筒壁y处流体层速度为u，在距离 筒壁y+dy处邻近流体层的速度为u+du，则du/dy 表示速度沿管径方向的变化率(即速度梯度)；第一节 流体的主要力学性质实验证明：两流体层之间单位面积上的内摩 擦力(或剪应力)与垂直于流动方向的速度梯 度成正比关系，即=du/dy，其中称为 动力粘度系数(简称粘度)，此即为牛顿粘性 定律。 非单位面积上的内摩擦力：F=A=du/dyA 单位：=/du/dy=N/m2/m/

4、s/m=Pas第一节 流体的主要力学性质3、粘度的物理意义： (1)粘度与速度梯度相联系，静止流体无需考 虑。 (2)液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘 度随温度升高而增大，压力变化一般忽略 不计。第一节 流体的主要力学性质五、流体的压缩性和热胀性 1、流体的压缩性： 流体的压强增大，体积 缩小，密度增大的性质为流体的压缩性。 2、流体的热胀性： 体积增大，密度减小的 性质。第二节 流体静力学的基本概念 一、流体的压力：流体垂直作用于单位面 积上的力称为流体的静压强，又称为流体 的压力； 表达式为： p=F/A p流体的静压强 (N/m2或Pa) F垂直作用于流体表面上的力(N) A作用面的

5、面积(m2)第二节 流体静力学的基本概念二、流体静力学基本方程式： 1、推导： 垂直方向上作用于液柱的力有： (1)作用于上底面的压力F1：F1=p1A (2)作用于下底面的压力：F2=p2A (3)液体柱重力：W=mg=Vg=(Z1 Z2)Ag第二节 流体静力学的基本概念流体静止，则F2=F1+Wp2A=p1A+(Z1 Z2)Ag p2=p1+(Z1 Z2)g=p1+gh流体静力学基本方程式 () p2/+gZ2=p1/+gZ1流体静力学基本方程式() p2/g+Z2=p1/g+Z1流体静力学基本方程式() 物理意义：表示静止流体内部压强的变化规律， 利用此方程可求静止流体内部任一截面的压强

6、。第二节 流体静力学的基本概念静止流体内部压强的变化规律指的是： (1)当p1、不变时，h增大，p2增大； (2)当p1、不变时，h相等，则p相等，这就 是等压面，找出等压面是解题的关键； (3)当p1改变时，液体内部各处压强发生同样 大小的变化，这就是帕斯卡原理； (4)式()可以改写成h=(p2 p1)/g，说明压 强差可用流体柱高度表示。第二节 流体静力学的基本概念2、流体静力学基本方程式应用条件： (1)静止流体； (2)不可压缩流体； (3)连续的同一种流体；第二节 流体静力学的基本概念三、工程计算中压强的表示方法和计量单位 1、压强的表示方法(根据不同基准来表示) (1)绝对压强：

7、以绝对零压为起点计算的压强，是流体真实 压强； (2)表压强：当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时， 可用压强表来测量流体的压强，此时压强表上的读数表示 流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称表压强。即表压强=绝对压强 大气压强 (3)真空度：当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时， 可用真空表来测量压强，此时真空表上的读数表示流体的 绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度。即真空度=大气压强 绝对压强 绝对压强越高，表压愈大；真空度越大，绝对压强愈低。第二节 流体静力学的基本概念 2、压强的计量单位 (1)定义式： 国际单位制(SI)制：1N/m2=1Pa； 1bar=105 Pa 工程制

8、： 1kgf/cm2=1kg9.8065m/s2/10 4m2 =9.8065104 Pa第二节 流体静力学的基本概念 (2)用大气压表示： 1atm(标准大气压)=1.033 kgf/cm2 =1.0339.8065104 Pa=1.0133105 Pa =1.0133 bar第二节 流体静力学的基本概念(3)用液柱的高度表示：p=F/A=Vg/A=(AZ)g/A=Zg Z水=p/(水g)=1atm/(水g)=1.0133105N/m2/(1000kg/m39.81m/s2) =1.0133105kgm/s2/m2/9810kg/m2s2=10.33m水柱 Z汞=p/(汞g)=1atm/(汞

9、g)=1.0133105N/m2/(13600kg/m39.81m/s2)=0.76m汞柱工程上将1kgf/cm2近似作为1个大气压，称为工程大气压 。第三节 管内流体流动的基本方程式一、流量与流速 1、流量： (1)体积流量V：单位时间内流体流经管道任一截面的 体积，单位(m3/s)； (2)质量流量G：单位时间内流体流经管道任一截面的 质量，单位(kg/s)；体积流量与质量流量之间的关系为 G=V 流体密度；气体流量是状态的函数，液体流量不是状态函数 ，因此气体流量V=f(T，p)，在表明气体流量大小 时要注明其操作状态T、p；第三节 管内流体流动的基本方程式2、流速： (1)体积流速u：

10、 理论上：是指单位时间内流体在流动方向上所流经 的距离； 它与管道直径有关，是直径d(或半径r)的函数u=f(r) ，流速随半径发生变化，呈曲线状；工程上，一般以体积流量除以管道截面积所得的 值，是流体在管道中的平均速度，单位m/s，它 与体积流量的关系为u=V/A=G/A ；第三节 管内流体流动的基本方程式(2)质量流速：单位时间内流体流经管道任一截面单 位面积的质量，单位kg/m2s；它与质量流量的关 系为=G/A。 假若生产流量一定，因为V=ud2/4，所以 d=V/(0.785u)1/2 流体流速范围参阅有关标准及根据经济权衡决定： 当V一定时，u增大，则d减小，管材费用少，流动阻 力

11、增大，动力消耗增大，操作费用增大； 当V一定时，u减小，则d增大，管材费用增加，流动 阻力减小，动力消耗减小，操作费用减小；在允许 范围内，从长远利益考虑，一般选择管径较大者。 第三节 管内流体流动的基本方程式二、流体运动的类型 1、有压流： 流体在压差作用下流动，流体各个过流断面的 整个周界都与固体壁相接触，没有自由表面，这种流体流 动为有压流。 2、无压流： 流体在重力作用下流动，流体各个过流断面的 部分周界与固体壁相接触，具有自由表面，这种流体流动 为无压流。 3、稳定流动：流体在管道中流动时，若任一点的流速、压 力等有关物理参数都不随时间改变，仅随位置改变，即 u=f(x，y，z)，u

12、t=ut+t，则这样的流动为稳定流动。 4、不稳定流动：流体在管道中流动时，若任一点的流速、 压力等有关物理参数不仅随位置改变，而且随时间发生部 分或全部改变，即u=f(x，y，z，t)，utut+t，这样的流 动为不稳定流动 第四节 流体在管道内的流动阻力一、流体的流动类型与雷诺数 1、流体的雷诺实验 实验表明：流体在管道的流动状态分两种类型： (1)层流：流体在管内流动时，若其质点沿着与管轴平行 的方向作直线流动，整个管内流体就如一层一层的同 心圆筒在平行流动，这种流动状态称为层流或滞流； (2)湍流：流体在管内流动时，若其质点除沿着管道向前 流动外，还作无规则的杂流运动，质点间彼此碰撞互

13、 相混合，各质点的运动速度在大小和方向上都随时发 生变化，这种流动状态称为湍流或紊流。第四节 流体在管道内的流动阻力 2、雷诺数： (1)影响流体流动状态的因素： 根据不同流体和不同管径获得的实验结果表明 ：影响流体流动类型的因素，除了流体流速外， 还有管径d，流体密度和流体的粘度；u、d、 越大，越小，就越容易从层流转变为湍流。 (2)雷诺数：雷诺认为：上述四个因素所组成的复 合数群du/是判断流体流动类型的参数，称为 雷诺数，以Re表示：Re=du/=du/第四节 流体在管道内的流动阻力二、流动阻力与能量损失 1、沿程阻力和沿程水头损失：流体在长直管中流 动时，所受到的摩擦力为沿程阻力，单位质量的 流体所消耗的机械能为沿程水头损失。 2、管道中流体所受的局部阻力：阀门、弯头、进 出口突然扩大或缩小对流体流动产生的阻力统称 为局部阻力。为了克服局部阻力，单位质量的流 体所消耗的机械能为局部水头损失。