1、1第一章 流体力学基本知识物质在自然界中通常按其存在状态的不同分为固体( 固相 )、液体( 液相) 和气体( 气相) 。液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体，第一节 流体的主要物理性质一、 流体的密度和容重对于均质流体，单位体积的质量，称为流体的密度，即：=m/V 对于均质流体，单位体积的流体所受的重力称为流体的重力密度，简称重度，即：=G/V 由牛顿第二定律得：G=m g。因此，=G/V=mg/V=g 流体的密度和重度随其温度和所受压力的变化而变化，在实际工程中，液体的密度和重度随温度和压力的变化而变化的数值不大，可视为一固定值；而气体的密度和重度随温度和压力的变化而变化的数值较大，设
2、计计算中通常不能视为一固定值。常用流体的密度和重度如下：水在标准大气压，温度为 4C 时密度和重度分别为：=1000kg m3， =9.807kNm3水银在标准大气压，温度为 0时其密度和重度是水的 13.6 倍。干空气在标准大气压，温度为 20C 时密度和重度分别为：=1.2kg m3，=11.82Nm3二、流体的粘滞性流体在运动时，由于内摩擦力的作用，使流体具有抵抗相对变形(运动) 的性质，称为流体的粘滞性。对于静止流体，由于各流层间没有相对运动，粘滞性不显示。流体粘滞性的大小，通常用动力粘滞性系数 和运动粘滞性系数 v 来反映，实验证明，水的粘滞性随温度的增高而减小，而空气的粘滞性却随温
3、度的增高而增大。内摩擦力的大小可用下式表示：T=Adu/dy 式中 T 一一流体的内摩擦力；流体的动力粘性系数；A层与层的接触面积；du/dy流体的速度梯度。三、流体的压缩性和热胀性流体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质，称为流体的压缩性。流体温度升高，体积增大,密度减小的性质，称为流体的热胀性。在很多工程技术领域中，可以把液体的压缩性和热胀性忽略不计。但在研究有压管路中水击现象和热水供热系统时，就要分别考虑水的压缩性和热胀性。气体与液体有很大不同，其具有显著的压缩性和热胀性。但在采暖与通风工程中，气体大多流速较低(远小于音速 )，压强与温度变化不大，密度变化也很小，因而也可以把气体看成是不
4、可压缩的。气体和液体具有显著不同的压缩性和热胀性。温度和压强的变化对气体的容重的影响很大。在温度不过低，压强不过高时，气体密度、压强和温度三者之间的关系，有下列气体状态方程式。p=RT 2四、流体的表面张力由于流体分子之间的吸引力，在流体的表面上能够承受极其微小的张力，这种张力称表面张力。表面张力不仅在液体表面上，在液体与固体的接触周界面上也有张力。由于表面张力的作用，如果把两端开口的玻璃管竖在液体中，液体会在细管中上升或下降一定高度，这种现象称作毛细现象。第二节 流体静压强及其分不规律一、流体静压强及其特性流体静压强具有两个基本特性：(1)静压强的方向指向受压面，并与受压面垂直；(2)流体内
5、任一点的静压强在各个方向面上的值均相等。二、流体静压强的分布规律在静止液体中任取一垂直小圆柱作为隔离体，研究其底面点的静压强。已知圆柱体高度为h，端面面积为w，圆柱体顶面与自由面重合，所受压强为 p0。在圆柱体侧面上的静水压力，方向与轴向垂直(水平方向，图中未绘出 )，而且是对称的，故相互平衡。则圆柱体轴向的作用力有：(1)上表面压力 P0=p。w，方向垂直向下；(2)下底面静压力 P=pw，方向垂直向上；(3)圆柱体的重力 G=hw，方向垂直向下。根据圆柱体静止状态的平衡条件，令方向向上为正，向下为负，则可得圆柱体轴向的力的平衡方程， P= p。+h 静水压强基本方程式，又称为静力学基本方程
6、式。流体静压强分布图规律：(1)静止液体内任意一点的压强等于液面压强加上液体重度与深度乘积之和。(2)在静止液体内，压强随深度按直线规律变化。(3)在静止液体内同一深度的点压强相等，构成一个水平的等压面。(4)液面压强可等值地在静止液体内传递。水压机等一些液压传动装置就是根据这一原理制成的。三、工程计算中压强的表示方法和度量单位1、表示方法(1)绝对压强 以绝对真空为零点计算的压强称为绝对压强，用 pj 表示。(2)相对压强 以大气压强 pa 为零点计算的压强称为相对压强，用 p 表示。在实际工程中，通常采用相对压强。相对压强与绝对压强的关系为：p=pj 一 pa=-p 当绝对压强大于大气压强
7、时，相对压强的正值称正压，可用压力表测出，也称表压；当绝对压强小于大气压强时，则相对压强为负值称为负压，这时该流体处于真空状态，通常用真空度 pk(或真空压强 )来表示流体的真空程度。即：pk=papj=-p 真空度的最大值为 pk=p。=98kNm2 ，即绝对压强为零，处于完全真空状态；真空度的最小值为零时，pk=O，即在一个大气压强下，真空度在 pk=O98kNm2 的范围内变动。2、压强的度量单位压强的度量单位通常有三种：(1)用单位面积的压力来表示，单位是 Nm2(帕，Pa)或 kNm2(千帕，kPa) ；3(2)用工程大气压来表示，单位是工程大气压，1 工程大气压 =9807kPa，
8、在工程单位制中，1 工程大气压=1kgfcm2(千克力厘米 2)；(3)用液柱高度来表示，单位是 mH2O(米水柱)、mmHg(毫米汞柱)。 当水的重度 =9807kNm3，汞的重度为 133.38kNm3 时，则 1 个工程大气压相应的水柱和汞柱高为：h=pa/=98.07kNm2/9807kN m3=10mH2OhHg=pa/Hg=98.07kN m2/133.38kNm3=735.6mmHg三种压强单位的关系是：1 个工程大气压10mH2O 735.6mmHg98kN m29800Pa1 个标准大气压=101.325 kPa=760 mmHg第三节 流体动力学的基本概念一、流体动力学的一
9、些基本概念(1)元流 流体运动时，为研究方便我们把流体中一微小面积形成的一股流束称为元流。(2)总流 流体运动时，无数元流的总和称为总流。(3)过流断面 流体运动时，与流体的运动方向垂直的流体横断面。过流断面可能是平面，也可能是曲面，形状有圆形、矩形、梯形等。(4)流量 在单位时间内流体通过过流断面的体积或质量。一般流量指的是体积流量，但也可用质量流量来表示。(5)流速 在单位时间内流体移动所通过的距离。在实际工程中通常采用过流断面上各质点流速的平均值即平均流速。平均流速通过过流断面的流量应等于实际流速通过该断面的流量，这是确定平均流速的假定条件。流量、过流断面和流速三者之间应符合下面关系：Q
10、=w.v 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面相接触，没有自由表面供热管道中的汽、水带热体，给水管中的水流都是有压流。(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面相接触，具有自由表面天然河道、明渠、排水管中的水流都是无压流。(3)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，这种流体运动称为恒定流。(4)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化，这种流体运动称为非恒定流。第四节 流动阻力与水头损失一、流动阻力和能量损失的两种形式单位质量的流体流动中所消
11、耗的机械能，称为能量损失或水头损失。1、沿程阻力和沿程水头损失流体在长直管(或明渠)中流动时，所受到的摩擦力称为沿程阻力。为了克服沿程阻力，单位质量的流体所消耗的机械能称为沿程水头损失，用 hf 来表示。2、局部阻力和局部水头损失流体的边界在局部地区发生急剧变化时，对流体运动形成了阻力，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称为局部水头损失，用 hj 表示。整个管道的总水头损失等于各管段的沿程水头损失与各局部水头损失分别叠加之和，即：hw=hf+hj 二、流态与判定4流体在流动过程中，呈现出两种不同的流动形态层流和紊流。水流是成层成束地流动，各流层之间并无质点的掺混现象，
12、这种水流形态称为层流。加大管中水的流速，水流随之开始动荡，呈波浪形。继续加大流速，水流向四周扩散，质点或液团相互混掺，流速愈大，混掺程度愈大，这种水流形态称为紊流。判断流体的流动形态，雷诺数 Re 来判别。Re=d/v 对于圆管的有压管流： Re2000 时，流体为层流形态；Re2000 时，流体为紊流形态。对于明渠流，雷诺数按下式计算：Re=R/v 式中 R水力半径，R=wx，当 Re500 时，明渠流为层流形态；当 Re500 时，明渠流为紊流形态。三、沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失： hf=lv2/d2g 局部水头损失： hj=v2/2g 各管段的水头损失计算相叠加就得到了整个管道的总水头损失。三、非圆管的沿程损失矩形管折合的方法：通过建立非圆管的当量直径来实现的。hf=lv2/d2g= hf=lv2/4R2g 同理非圆管的雷诺数也能计算出来： Re=vde/v=v(4R)/v 在实际工程中应尽可能减小阻力。减小阻力的办法很多，一是改进流体外部的边界，改善边壁对流动的影响；另一是在流体内部投加极少量的添加剂，使其影响流体的内部结构来实现减阻。
