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1、第一章 流体力学基本知识,一、流体力学基本知识,流体是液体和气体的统称。流体力学是研究流体平衡和运动的力学规律及其应用的科学。,一、流体力学基本知识,流体具有易流动性，流体不能承受拉力，静止流体不能抵抗剪切力，但流体能够承受较大的压力。,流体的物理性质,一、流体的主要物理性质,流体具有质量和重量。工程上质量用密度表示，工程上重量用容重表示。密度：匀质流体单位体积的质量Kg/m3 =M/V 容重：匀质流体单位体积的重量N/m3 =G/V=g 流体的密度和容重随外界压力和温度而变化。,一、密度和容重,一、流体的主要物理性质,流体沿管道直径方向分为很多流层，各层的流速不同，并接某种曲线规律连续变化，
2、管轴心的流速最大，向着管道壁的方向递减，直至管壁处的流速为零。,二、流体的粘滞性,一、流体的主要物理性质,由于流体各流层的流速不同。相邻流层间有相对运动，在接触面上产生相互作用的剪切力，这个力叫流体的内摩擦力或称粘滞力。流体在粘滞力的作用下，具有抵抗流体的相对运动（或变形）的能力，称为流体的粘滞性。静止流体没有粘滞性。,一、流体的主要物理性质,牛顿内摩擦定律:,F 内摩擦力 S 流层的接触面面积 流层单位面积上的内摩擦力，又称切应力,一、流体的主要物理性质,动力粘滞性系数，与流体种类有关 du/dn流速梯度，表示速度沿垂直于速度方向的变化率。流体粘滞性的大小可用粘滞性系数表达。除用外，还常用运
3、动粘滞性系数,一、流体的主要物理性质,流体粘滞性的影响：,流体的粘滞性对流体运动有很大影响，因为内摩擦力作为负功，不断损耗运动流体的能量。在实际工程水力计算中必须考虑流体的粘滞性。,一、流体的主要物理性质,一、流体的主要物理性质,三、流体的压缩性和热胀性流体压强增大体积缩小的性质称流体的压缩性。流体温度升高体积膨胀的性质称流体的热胀性。,一、流体的主要物理性质,液体的压缩性和热胀性都很小。工程上除管中水击和热水循环系统一般忽略不计。水从1个大气压增加到100个大气压时，每增加1个大气压，水的密度增加1/20000。水在温度较低(10-20)时，温度每增加1，水的密度减小1.5/10000，当温
4、度较高(90-100)时，温度每增加1，水的密度减小为7/10000。,一、流体的主要物理性质,气体具有显著的压缩性和热胀性。,在一定的温度、压强范围内，密度、压强和温度三者之间关系，服从理想气体状态方程：,一、流体的主要物理性质,在流动过程中可视为常数的气体称为不可压缩气体（速度较低，远小于音速，气体流速等于50m/s时，密度变化为1%）在流动过程中不能视为常数的气体称为可压缩气体（速度较高，接近或超过音速）,一、流体的主要物理性质,建筑设备工程中的水、气流体可以认为是一种易于流动的、具有粘滞性的和不可压缩的流体。,一、流体的主要物理性质,连续介质：把流体看成是全部充满的，内部无任何空隙的质
5、点所组成的连续体。,二、流体静压强及特性,面上的平均压强为：,-0时平均压强的极限,二、流体静压强及特性,特征： 1、流体静压强的方向必定沿着作用面的内法线方向。 2、任意点的流体静压强只有一个 值，不因作用面方位改变而改变。,二、流体静压强的分布规律,铅直小圆柱体轴向平衡力为：,化简后得：,（静水力学基本方程式）,二、流体静压强的分布规律,工程量度中压强的量度基准：,绝对压强：以完全真空为零点计算的压强。 相对压强：以大气压强为零点计算的压强。 真空度：指某点的绝对压强不足于一个大气压强的部分。,二、流体静压强的分布规律,二、流体静压强的分布规律,工程计算中常用压强的单位：,单位面积上的压力
6、 工程大气压 液柱高度,1个工程大气压10mH2O 735.6mmHg 98kN/m2 98000Pa,二、流体静压强的分布规律,常用测压仪器：,液柱测压计 金属压力表 真空表,二、流体静压强的分布规律,液柱测压计,二、流体静压强的分布规律,金属压力表 真空表,三、流体运动的基本知识,基本概念：,压力流：流体在压差作用下流动时，流体整个周围都和固体壁相接触，没有自由表面。 无压流：流体在重力作用下流动时，流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。,三、流体运动的基本知识,基本概念：,恒定流：流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素不随时间变化的流动。,三、流体运
7、动的基本知识,非恒定流：流体运动时，流体中任一位置的运动要素如压强、流速等随时间变化而变动的流动。,三、流体运动的基本知识,流线：某流速场中一空间曲线，其 上面所有流体质点在该时刻的流速矢量都与这条曲线相切。,三、流体运动的基本知识,基本概念：,迹线：流体中某一质点在连续时间的运动轨线。,恒定流时流线与迹线相重合。,三、流体运动的基本知识,基本概念：,均匀流：流体运动时，流线是平等直线的流动。如等截面平等直管中的流动。 非均匀流：流体运动时，流线不是平等直线的流动。如收缩管、扩大管或弯管中的流动。,三、流体运动的基本知识,非均匀流可分为：,渐变流：流体运动中流线接近于平等线的流动。 急变流：流
8、体运动中流线不能视为平行直线的流动。,三、流体运动的基本知识,基本概念：,元流：微小面积dw上引出流线形成的流束。dw上运动要素(压强与流速)相等。 总流：无数元流的总和。,三、流体运动的基本知识,过流断面：流体流动时，与元流或总流全部流线正交的横断面。,三、流体运动的基本知识,流量：流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积，m3/s或L/s。,三、流体运动的基本知识,断面平均流速：流体流动时，断面上各点流速的平均值。等于实际流速通过流断面的流量。,三、恒定流的连续性方程式,恒定流中： 1 恒定流元流形状及空间各点的流速不随时间变化 2 流体是连续介质 3 流体不能从元流的侧壁流入或流出,
9、三、恒定流的连续性方程式,由质量守恒定律可得：,元流,三、恒定流的连续性方程式,推广到总流,对于不可压缩性流体,三、恒定总流能量方程式,能量守恒及其转化规律是物质运动的一个普遍规律。利用能量方程式揭示流体在运动中压强、流速等运动要素随空间位置的变化关系。,三、恒定总流能量方程式,三、恒定总流能量方程式,实际液体恒定总流的能量方程式: (柏努里方程),三、恒定总流能量方程式,总水头线：把各断面上总水头顶点连成的一条线。,三、恒定总流能量方程式,测压管水头线：把各断面上的测压管水头连成的一条线。,测压管水头线可能上升、下降、水平。,三、恒定总流能量方程式,水力坡度：沿流程单位长度上的水头损失。,在
10、实际水流中，由于水头损失的存在，所以总水头线总是沿流程下降的倾斜线。,三、恒定总流能量方程式,实际气体恒定总流的能量方程式:,三、能量方程应用举例,P12页：例1-1,四、流动阻力和水头损失,流动阻力和水头损失的二种形式:,1、沿程阻力和沿程水头损失,沿程阻力：流体在长直管（或明渠）中流动所受到的摩擦阻力。沿程水头损失：为克服沿程阻力而消耗的单位重量流体的机械能量。,四、流动阻力和水头损失,2、局部阻力和局部水头损失,局部阻力：流体在局部地区发生急剧变化，流体质点间剧烈碰撞，所形成的阻力。局部水头损失：为克服局部阻力而消耗的单位重量流体的机械能量。,四、流动阻力和水头损失,给水管道沿程和局部水
11、头损失,四、流动阻力和水头损失,流动的二种型态层流和紊流,四、流动阻力和水头损失,层流：流速较低时，流体成层成束流动，各流层间无质点掺混现象。紊流：流速加大，流层间质点或液团相互混掺。,四、流动阻力和水头损失,流动型态的判别：雷诺数Re判断。,对于非圆形流：以水力半径R代替d。,四、流动阻力和水头损失,对于圆管的有压流束： Re2000时为层流 Re2000时为紊流,对于明渠流： Re500时为层流 Re500时为紊流,建筑设备工程中绝大多数流体运动为紊流。,四、流动阻力和水头损失,3、沿程水头损失,紊流型态下的沿程水头损失： 半经验公式：(气体管道)(非圆断面管渠),四、流动阻力和水头损失,
12、实际工程中，有时已知沿程水头损失hf和水力坡度i，要求速度v的大小，由上式可以得到：,四、流动阻力和水头损失,4、沿程阻力系数和流速系数C的确定,沿程阻力系数的经验公式：,与Re有关，与相对粗糙度无关,层流区,临界区,四、流动阻力和水头损失,水力过渡区,粗糙管区(阻力平方区),水力光滑区,四、流动阻力和水头损失,通风管道的综合经验公式:,供热工程的综合经验公式:,Re很大时,四、流动阻力和水头损失,给排水工程的钢管与铸铁管的经验公式:,v1.2m/s时,v1.2m/s时,四、流动阻力和水头损失,5、局部水头损失,局部阻力系数，其值根据配件、附件不同。 v过流断面的平均流速，与 相对应。 g重力
13、加速度。,四、流动阻力和水头损失,P18页：例1-2，例1-3，例1-4。,五、孔口、管嘴出流及气体射流简介,孔口出流,自由孔口出流：在水箱水面以下深度为H处的侧壁上开一圆形小孔口，流体从中流出称孔口出流。收缩断面,五、孔口、管嘴出流及气体射流简介,淹没孔口出流：孔口出流淹没于同类流体中。,五、孔口、管嘴出流及气体射流简介,管嘴出流,在直径为d的圆形小孔口处即接一长度为 l=(34)d的圆柱形短管，流体经短管流出称管嘴出流。,五、孔口、管嘴出流及气体射流简介,管嘴出流时，同样发生流线收缩现象，在收缩断面周围有一环形漩涡区，水流经过收缩断面后扩大，至管嘴处充满全管。,同一直径的管嘴出流和孔口出流比较。管嘴出流量大。收缩形、扩散形管嘴可获得不同的流速和流量。,
