B21流体力学基础知识.pptx

引言1、研究对象-流体（包括气体和液体）。2、流体力学的任务-研究流体平衡和运动的力学规律、流体 与固体之间的相互作用及其在工程技术中的应用。3、主要内容-以水为代表，描述液体机械运动规律和流体流 动阻力损失规律；讨论这些规律的应用条件；研究它们在分 析和解决工程实际问题中的使用方法。4、学习目的-掌握基本知识、基本方法，为今后的生产和科 研服务，同时为泵与风机、锅炉、汽轮机、热力发电厂、热控 仪表等后续课程作必要的专业基础理论准备。5、学习要求-认真听课、记笔记、复习。第四章 流体力学基本知识第一节 流体力学基本概念第一节 流体静力学第三节 流体动力学第四节 流体流动阻力损失分析和水击 第一节 流体力学基本概念 一、流体的流动性 流体 通常指能够流动的物质为流体，包括气体和液体。力学定义：受任何微小剪切力作用都会连续变形的物质。流体基本特征 流动性 -形成原因：内因-分子间的引力小 外因-受自身重力作用或外力作用 2、比容（比体积）定义：单位质量流体所占有的体积流体的比容。单位：m3/kg 表达式：均质流体 3、密度与比容的关系 倒数关系 ，例 如：常温水的密度和比容分 别为：1000 kg/m3、0.001 m3/kg 二、流体的基本物理性质（一）质量与惯性 （）（二）密度和比容（比体积）1、密度 定义：单位体积流体所具有的质量流体的密度。单位：kg/m3 表达式：均质流体 非均质流体 4、影响流体密度的因素：流体种类 液体密度气体密度 流体温度与压力 温度与压力对液体密度影响小，对气体密度影响相对较大。（三）压缩性和膨胀性 1、压缩性：当作用在流体上的压力时 体积，密度。流体的压缩性。2、膨胀性：当作用在流体上的温度时体积，密度。流体的膨胀性。在工程中：液体的膨胀性很小；气体的膨胀性很大。（三）黏性1、定义：黏性流体流动时层与层之间产生内摩擦力的特性l 黏性是流体的固有属性l 流体运动时内部各质点间或流体层间会因相对运动而产生内摩 擦力（剪切力）以抵抗其相对运动l 流体的黏性引起流体流动时产生能量损失 2、牛顿内摩擦定律：流体层的接触面积，m；速度梯度，即速度在垂直于该速度方向上的变化率，s-1；动力黏度（或称为动力黏性系数），与流体性质有关的比例系数。3、流体的黏度 （1）动力黏度 值大，表明流体的内摩擦力作用强，黏性对流体 的影响大。（2）运动黏度 4、影响流体黏度的主要因素（P.55表4-1）流体种类 流体温度 温度 液体黏度 气体黏度 l 牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律。如水、酒精、汽油和一般气体等分子 结构简单的流体都是牛顿流体。l 非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律。如泥浆、有机胶体、油漆、高分子 溶液。三、流体的表面性质 1、表面张力 当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张 力，出现一些特殊现象，例如空气中的雨滴呈球状。表面张力 的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称为内聚力。5、理想流体与实际流体 实际流体：自然界中实际存在的流体都具有黏性黏性流体 理想流体：是一种假想的无黏性的流体，=0。流体力学的研究方法：将实际流体假想为理想流体，找出它的 运动规律，再考虑黏性的影响，经黏性修正后再用于实际流体。2、毛细管现象 图 液体在毛细管内上升 (内聚力附着力)第二节 流体静力学 流体静力学主要研究流体平衡 状态下的规律与应用 一、作用在流体上的力 1、质量力 作用在流体内部所有质点上、与质量大小成正比的力。包括：重力 （G=mg）惯性力（F=ma；F=mr2）2、表面力 作用在被研究流体团表面上的力。二、流体静压力 1、定义：作用在被研究的流体团单位面积上的垂直作用力。2、重要特性：方向性 流体静压力方向垂直并指向作用面。各向等值性 平衡流体中任一点静压力值在各个方向上都相等，与作用面的方位无关。三、流体静压力的表示方法1、压力基准点（1）以绝对真空为基准点 对应的压力值为绝对压力（）（2）以当场大气压（）为基准点 对应的压力值为：l 相对正压（正表压，相对压力）-绝对压力高于当场大气压的数值l 相对负压（负表压，真空）-绝对压力低于当场大气压的数值 2、压力单位 用单位面积上所受的力表示 国际单位：Pa，常用的还有：kPa，MPa 用液柱高度表示 常用：(1标压，4水柱)(1标压，0汞柱)用大气压表示 atm，at 四、流体静力学基本方程式1、第一表达式 应用条件：l 重力作用下的平衡状态l 均质l 不可压缩流体如图：重力平衡液体，对于静止流体中的1、2两点，可写成如下形式：p0p1p2Z1Z2 2、第二表达式 上式表明：(1)任意一点的静压力由两部分组成：一部分是自由液面上的压力 ；另一部分是该点到自由液面的单位面积上的液柱重量 。(2)静压力随深度按正比线性规律变化；(3)位于同一深度(h常数)的各点的静压 力相等，即任一水平面都是等压面。3、第三表达式 p0p1p2Z1Z2 五、流体静力学基本方程式的应用 1、连通器 情况1：条件：连通器内盛装同一种 液体，自由液面上的 外压力相等。解题步骤:选择等压面列等 压面方程解方程 结果：连通器内自由液面在 同一水平高度。应用举例：水位计；油位计。情况2：条件：连通器内盛装同一种液体，自由液面上的静压力不相等。解题步骤:选择等压面列等压面方程解方程 结果：连通器内，静压力差=液位差。应用举例：差压计；压差平衡装置。情况3：条件：连通器内盛装两种密度不同、互不相混的液体，自由液面上静压力相等。解题步骤:选择等压面列等压面方程解方程 结果：连通器内，液位高度与液体密度成反比。应用举例：汽包水位计（P.58 例4-5）。2、液柱式测压计 （1）测压管 解题步骤:选择等压面列等压面方程解方程 解题步骤解题步骤:选择等压面选择等压面列等压面方程列等压面方程解方程解方程（2）差压计解题步骤解题步骤:选择等压面选择等压面列等压面方程列等压面方程解方程解方程 （3）微压计解题步骤解题步骤:选择等压面选择等压面列等压面方程列等压面方程解方程解方程 六、静止液体作用于固体壁面上的总压力 1、静止液体作用于固体平板上的总压力 自由液面自由液面0YXabAdA abyChCFtCCFt 受压面受压面ab 2、静止液体作用于固体曲面上的总压力 水平分力：垂直分力：总压力：方向角：x 3、浮力 z 阿基米德浮力定律：4、离心力引起的总压力 举例：离心式泵与风机 hcABA 第三节 流体动力学 一、流体流动的基本概念 1、流体流动的特点 变形运动 2、流速 （1）流速分布的一般规律 （2）平均流速 3、流量 （1）体积流量（qv）单位时间内通过有效截面的流体体积。单位：m3/s （2）质量流量（qm）单位时间内通过有效截面的流体质量。单位：kg/s 4、稳定流动（定常流动）（定常流动）与不稳定流动（非定常流动）（非定常流动）二、稳定流动的连续性方程 质量守恒定律之应用 稳定流动连续性方程式 对于不可压缩流体：2、伯努利方程式的意义（1）物理意义：重力作用下，同种、不可压缩流体中各点对同一基准面的单位重量流体的动能（）、位置势能（）与压力势能（）可以相互转换，但总能量是维持不变的。（2）几何意义：重力作用下，同种、不可压缩流体中各点对同一基准面的单位质量流体的速度能头（）、位置能头（）与压力能头（）之和为总能头，所对应的垂直线段高度顶点都在同一水平面上，如图所示。三、稳定流动的伯努利方程 能量守恒定律之应用 1、理想流体的伯努利方程式 图 总能头线和测压管能头线测压管能头线测压管能头线理想流体总能头线理想流体总能头线位置能头线位置能头线 （1）应用条件 不可压缩流体 稳定流动 整个流场所受的质量力仅有重力 两过流断面间均为缓变流的有效截面 两过流断面间无能量输入、输出3、伯努利方程的应用（2）用于实际流体时的修正 第四节 流体流动阻力损失和水击一、水力要素 1、过流断面（有效截面）的面积A 液流中与所有流线相垂直的截面面积。2、湿周 过流断面上液体与固体壁接触线的长度。3、水力半径 过流断面的面积A 与湿周的 比值:RA/例：边长为a、b 的矩形烟风道，其水力 半径为:R ab/2（a+b)；直径为d 的圆管中半管水流，其水力半径为:当量直径当量直径：二、流体流动的两种状态层流和紊流 1、雷诺实验 实验表明：在不同条件下，流体有层流和紊流两种运动状态，并且形成不同的阻力损失。层流流体质点平稳地沿管道轴向运动，而无横向运动，流体就象分层流动一样。紊流流体质点不仅有轴向运动，而且有横向运动，处于杂乱无章的不规则运动状态。2、流动状态判别准则雷诺数 13800为旺盛紊流状态 工程实际中的简化规定：工程实际中的简化规定：雷诺数反映了粘性力与惯性力大小的对抗程度（惯性力/粘性力）。1层流底层；2过渡区；3紊流核心 雷诺数 雷诺根据大量实验归纳出的一个无因次综合量，即：三、沿程阻力损失的计算 1、沿程阻力损失的原因 沿程阻力损失由黏性流体在管道中沿流程流动时遇到的摩擦阻力引起的。2、沿程阻力损失 的计算莫迪图莫迪图1层流底层；2过渡区；3紊流核心 注意：紊流区可用经验公式计算的特例 紊流光滑管区 紊流流动区存在层流底层（见下左图）紊流光滑管到粗糙管的过渡区 紊流粗糙管区（阻力平方区）1、局部阻力损失的原因 当流体流经各种阀门、弯头和变截面管等局部装置时，造成了质点间的 旋转与碰撞，引起流速重新分布，从而产生局部阻力损失。例：四、局部阻力损失的计算 2、局部阻力损失的计算 五、压力管路简介 压力管路流体充满整个流道断面、依靠压力差流动的管路。（一）简单管路的水力计算 简单管路流量、管径及管壁粗糙度沿流程不变的压力管路。1、长管的水力计算 长管指以沿程阻力损失为主、局部阻力损失可以忽略不计或按515%计入的简单管路。l 长管的水力计算基本公式l 基本公式的应用 2、短管的水力计算 短管指以局部阻力损失不能忽略的简单管路。短管的水力计算基本公式：（二）复杂管路的水力计算 1、串联管路的水力计算l 串联管路流量特性l 串联管路阻力损失特性复杂管路由两节或两节以上的简单管路串联、并联或分支而成。2、并联管路的水力计算l 并联管路流量特性 l 并联管路阻力损失特性 注意：并联管路各管段的水头损失相等，只表明通过每一管段的单位质量液体 的机械能损失相等。但流量大的管段，其总机械能损失也大。六、减少阻力损失的措施 七、管路水击研究水击时要考虑的因素：流体的压缩性；管壁的变形。1、水击现象 阀门突然启闭、水泵突然开停等使得压力管路中液体流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引起压力的交替急剧升高和降低。升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤击一样，因此 水击也称为水锤。2、水击的危害 轻微时引起噪声和管路振动；严重时则造成阀门损坏，管路接头断开，甚至引起管路的爆裂。水击引起的压强降低，使管内形成真空，有可能使管路扁缩而损坏。3、预防和消除水击的方法（1）延长阀门启闭时间，缩短管路长度L；（2）加大管径，限制流速；（3）在管路上阀门前安装溢流阀或调压塔；（4）装设在管路系统的适当位置装设蓄能器、空气罐。