第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一、密度與重度（一）密度（二）重度需要說明的是：流體的密度與它在地球上的位置無關(guān)，而流體的重度與它所處的位置有關(guān)，因?yàn)榈厍蛏喜煌攸c(diǎn)的重力加速度不同，所以重度也就不一樣。二、壓縮性和膨脹性流體的壓縮性是指流體的體積隨壓力的增加而縮小的性質(zhì)。流體的膨脹性是指流體的體積隨溫度的升高而增大的性質(zhì)。三、黏性1．黏性的概念黏性是指流體流動(dòng)時(shí)，流層（或內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)）間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力而阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。黏性是流體本身的物理性質(zhì)，但靜止流體不顯示黏性，只有流體運(yùn)動(dòng)時(shí)才有內(nèi)摩擦力，才顯示其黏性。2．牛頓內(nèi)摩擦力定律3.流體黏性的度量黏度通常有動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度和相對(duì)黏度三種度量方法。（1）動(dòng)力黏度（2）運(yùn)動(dòng)黏度

（3）相對(duì)黏度恩氏黏度是把加熱并保持恒定溫度（一般為50℃）的200cm3被測(cè)液體，靠自重從恩氏黏度計(jì)中流出需要的時(shí)間，與同體積20℃蒸餾水從該恩氏黏度計(jì)中流出的時(shí)間t（約為51s）的比值，用°E表示。恩氏黏度與運(yùn)動(dòng)黏度的換算關(guān)系：4．壓力、溫度對(duì)流體黏性的影響流體的黏性隨壓力的升高而增大。液體的黏性隨溫度的升高而降低，溫度越高，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子之間的碰撞加劇，內(nèi)聚力增大，黏性增大。第二節(jié)流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)是研究流體在靜止和相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律在工程上的應(yīng)用。一、流體靜壓力及其特征作用于流體上的力按其性質(zhì)分為：表面力和質(zhì)量力兩類。（一）流體靜壓力流體靜壓力是指流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，單位面積上所受的法向作用力。若法向作用力F均勻地作用在面積A上，則靜壓力p為（二）流體靜壓力的特性流體靜壓力有兩個(gè)重要特性。（1）流體靜壓力的作用方向總是沿作用面的內(nèi)法線方向，即垂直指向作用面。（2）靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)各方向的靜壓力均相等。說明在靜止流體中，任一點(diǎn)的流體靜壓力的大小與作用方向無關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。二、流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程式。方程式表明：（1）在重力作用下，液體內(nèi)的靜壓力隨著深度的增加而增大；（2）靜壓力由兩部分組成，即液面壓力p0和單位面積上的重力γh；（3）h=常數(shù)時(shí)，p=常數(shù)。即同一容器內(nèi)深度相同的各點(diǎn)靜壓力也相等。等壓面在靜止液體中，由壓力相等各點(diǎn)組成的面稱為等壓面。在靜止、同種、連續(xù)的流體中，水平面就是等壓面，如果不能同時(shí)滿足這三個(gè)條件，水平面就不是等壓面。三、流體靜壓力的度量（一）靜壓力的計(jì)算基準(zhǔn)壓力的計(jì)算基準(zhǔn)有兩種：一是以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)，二是以大氣壓力為基準(zhǔn)。絕對(duì)壓力：以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)（零點(diǎn)）算起的壓力稱為絕對(duì)壓力，用p表示。相對(duì)壓力：以大氣壓力pa為基準(zhǔn)（零點(diǎn)）算起的壓力稱為相對(duì)壓力，用pb表示。絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和大氣壓力三者之間的關(guān)系為：

相對(duì)壓力為負(fù)值時(shí)稱為負(fù)壓。負(fù)壓的絕對(duì)值稱為真空度，用pz表示。（二）靜壓力的度量單位1．應(yīng)力單位用單位面積上的作用力表示。其國(guó)際單位是帕（Pa或N/m2），也用千帕（kPa或kN/m2）和兆帕（MPa或MN/m2）表示。有時(shí)，工程上也用公斤（kgf/cm2）表示。２．液柱高度常用的單位有米水柱（mH2O），毫米水柱（mmH2O），毫米汞柱（mmHg）等。３．大氣壓?jiǎn)挝?atm=101325Pa=10.33mH2O=760mmHg。1at=98100Pa=10mH2O=735mmHg。（三）液柱式測(cè)壓計(jì)1．測(cè)壓管及U形管測(cè)壓計(jì)（1）測(cè)壓管（2）U形管測(cè)壓計(jì)2．U形壓差計(jì)（四）金屬測(cè)壓計(jì)金屬測(cè)壓計(jì)共有兩種：彈簧式和薄膜式。壓力表量程：壓力表量程：最大壓力通常不應(yīng)超過壓力表測(cè)量上限的2/3以上；但是，為了減少讀數(shù)誤差，使用壓力也不宜小于測(cè)量上限上的1/3四、流體靜壓力的傳遞（帕斯卡定律）靜止液體表面上的壓力變化將等值傳遞到液體中的任意點(diǎn)。這就是靜壓力的等值傳遞規(guī)律，也稱帕斯卡定律。第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)理想流體：不存在黏性和壓縮性的流體一、基本概念（一）穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)在流經(jīng)某一空間坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間改變稱這種運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)定流。否則稱之為非穩(wěn)定流。（二）過流斷面過流斷面是指與流體流動(dòng)方向垂直的橫斷面，用符號(hào)A表示，單位m2。（三）流量與斷面平均流速流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過過流斷面的流體的體積，用Q表示，單位m3/s。斷面平均流速是指流量除以過流斷面得到的商，用v表示，單位m/s。二、流體流動(dòng)的連續(xù)性方程流體的連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種應(yīng)用型式。三、流體的能量方程（伯努利方程）流體內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律稱為能量方程式，又叫伯努利方程式。它是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用（一）能量方程的推導(dǎo)根據(jù)動(dòng)能定理，外力在dt時(shí)間內(nèi)所做的功等于該時(shí)間段的動(dòng)能的增量。壓力所做的功：重力所做的功：動(dòng)能的增量：（二）能量方程式的意義z是單位重力流體所具有的位置勢(shì)能，簡(jiǎn)稱單位位能或比位能。p/γ是單位重力流體所具有的壓力能，簡(jiǎn)稱單位壓能或比壓能。αv2/2g是單位重力流體所具有的速度能，簡(jiǎn)稱單位動(dòng)能或比動(dòng)能。E1=E2+hw流體總是從高能量的斷面流向低能量斷面。（三）能量方程的應(yīng)用條件第四節(jié)流動(dòng)狀態(tài)與能量損失一、流體的流動(dòng)狀態(tài)流體流動(dòng)時(shí)存在層流和紊流兩種不同的狀態(tài)雷諾數(shù)工程上用下臨界雷諾數(shù)來判別流體的流動(dòng)狀態(tài)，即Rek≤2320層流Rek>2320紊流二、能量損失能量損失有兩種形式，一是沿程阻力損失，二是局部阻力損失沿程阻力損失是指流體流經(jīng)管路直線部分因克服流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失，用hf表示，單位m。局部阻力損失

是指流體流經(jīng)管路的局部管件如彎頭、閘閥等因克服流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的能量損失，用hj表示，單位m。1．沿程阻力損失2．局部阻力損失3．流體流動(dòng)的總能量損失第五節(jié)水擊與氣蝕現(xiàn)象一、水擊現(xiàn)象有壓管路中運(yùn)動(dòng)著的液體，由于某種原因(如閥門突然關(guān)閉等)，使得速度和動(dòng)量發(fā)生急劇變化．從而引起液體壓力在瞬間突然升高，這種現(xiàn)象稱為水擊。二、氣蝕現(xiàn)象氣穴現(xiàn)象：在排水系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)中，由于壓力降低到有氣泡形成的現(xiàn)象統(tǒng)稱為氣穴現(xiàn)象氣蝕