流體力學基礎知識上課講義

流體力學(liútǐlìxué)基礎知識具有流動性的介質，如水、空氣、蒸汽等。這些液體和氣體統(tǒng)稱流體。流體的基本特性就是流動性。在學習具體內容之前(zhīqián)，需了解有關流體的基本知識。第一頁，共24頁。第一節(jié)流體(liútǐ)的主要物理性質一、流體的慣性、密度和容重1．慣性（1）定義：反抗改變(gǎibiàn)其原有運動狀態(tài)的特性。or：保持其原有運動狀態(tài)的特性。（2）質量越大，慣性越大。2．密度（1）定義：單位體積的質量。（2）公式：其中(qízhōng)ρ——㎏/m3；M——㎏；V——m3。第二頁，共24頁。其中ΔM——微小體積ΔV的流體質量；ΔV——包含該點在內的流體體積。3．容重（1）定義：單位體積的重量(zhòngliàng)。（2）公式：對非均質流體(liútǐ)，其中(qízhōng)——N/m3，G——N，V——m3第三頁，共24頁。4．ρ與γ的關系(guānxì)：液體的ρ和γ隨外界壓力和溫度有一定變化，但變化值不大，一般視為固定值；氣體的ρ和γ隨溫度、壓強的變化較大。水從0℃升至30℃，密度減小0.4%,溫度較低時(10～20℃),每升高1℃,密度減小0.15‰；溫度較高時（90～100℃），每升高1℃,密度減小0.7‰。壓強每升高一個大氣壓，水的密度增加(zēngjiā)約1/10000。所以，水的熱膨脹型、壓縮性很小。但在熱水供應中應考慮水的膨脹體積。常用：ρ水=1000㎏/m3（4℃）；γ水=9800N/m3；ρ空氣=1.2㎏/m3(20℃)。第四頁，共24頁。二、流體(liútǐ)的粘滯性1．定義：流體質點間或流層間因相對運而產(chǎn)生內摩擦力以反抗相對運動的性質。此內摩擦力稱為(chēnɡwéi)粘滯力。2．粘滯系數(shù)：動力粘滯系數(shù)μ（Pa.s），運動粘滯系數(shù)ν（m2/s）。不同流體μ、ν不同，溫度較壓力對其影響更大。3．溫度與粘滯性粘滯性是分子之間的吸引力與分子不規(guī)則熱運動引起的動量交換的結果。溫度升高，分子之間的吸引力降低，動量增大；反之，溫度降低，分子之間的吸引力增大，動量減小。對液體，分子之間的吸引力是決定性因素，所以液體的粘滯性隨溫度升高而減小；對于氣體，分子之間的熱運動產(chǎn)生動量交換是決定性因素，所以，氣體的粘滯性隨溫度升高而增大。第五頁，共24頁。三、流體(liútǐ)的壓縮性和膨脹性1．壓縮性：T不變時，P增大(zēnɡdà)，V隨之減小的性質。2．膨脹性：P不變，T升高時，V增大(zēnɡdà)的性質。3．液體的壓縮性和膨脹性均很小，氣體則較明顯，但通常均視流體為不可壓縮、連續(xù)的理想流體。（連續(xù)介質、無粘性流體、不可壓縮流體）第六頁，共24頁。第二節(jié)流體(liútǐ)靜力學基礎流體不能受拉力、剪切力，但能承受較大的壓力，便于流動。適于管道輸送，常用作制冷(zhìlěng)、供熱的介質。一、流體靜壓力及其基本方程式1.流體靜壓力:由處于靜止或相對靜止的均質流體施加的力。Or：作用在整個物體表面積上的稱為流體靜壓力，而作用在單位面積上的流體靜壓力稱為流體靜壓強。第七頁，共24頁。一水箱，任取一截面，上部分作用其上的力為ΔＰ，面積為ΔＡ，則ΔＡ上的平均(píngjūn)流體靜壓強當ΔＡ縮小(suōxiǎo)→ａ點時，比值趨于某一極限值，稱為ａ點的流體靜壓強：若Ｐ為常數(shù)(chángshù)，則第八頁，共24頁。2.流體(liútǐ)靜壓強的特性流體(liútǐ)靜壓力、靜壓強都是壓力的一種量度，其區(qū)別在于：前者是作用在某一面積上的總壓力，后者是作用在某一面積上的平均壓力或某一點的壓力。（1）其方向垂直于作用面并指向作用面；否則，就有一個平行于作用面的切向分力，使流體失去靜止狀態(tài)。（2）任意點各方向上的流體靜壓強相等(xiāngděng)；任意點的流體靜壓強的大小與作用面方向無關，只與該點的位置有關。第九頁，共24頁。3.流體靜壓強的分布(fēnbù)規(guī)律取靜止流體中的一與軸線(zhóuxiàn)垂直的圓柱體作隔離體水平方向無重力前后左右各方向的水平力處于平衡(pínghéng)狀態(tài)，合力為0。取斜圓柱體亦可。沿軸線方向外力平衡(pínghéng)。圓柱體端面是任取的，所以該公式為普遍關系式。第十頁，共24頁。其中，ｐ０——液面壓強(yāqiáng)；ｐ——液體內部某點的壓強(yāqiáng)；——容重；ｈ——深度。它表示靜止液體中，壓強(yāqiáng)隨深度按直線變化的規(guī)律。任一點的壓強(yāqiáng)由p0和ｈ兩部分組成。壓強(yāqiáng)的大小與容器的形狀無關。液面下任一點(yīdiǎn)的壓強第十一頁，共24頁。規(guī)律(guīlǜ)：１.深度相同，壓強相同。由于液面是水平面，所以這些壓強相同的點組成的面是水平面，即：水平面是壓強處處相同的面。所以，水平面是等壓面。兩種不相混雜的液體的分界面也是水平面，自由表面是水深為０的各點組成的等壓面。2.液面壓強ｐ０變化ｐ０，內部壓強ｐ隨之變化ｐ０。此即水靜壓強等值傳遞的帕斯卡定律。應用(yìngyòng)于水壓機、液壓傳動、氣動閥、水力閘門等。3.重度不同，產(chǎn)生的壓強不同。同一容器裝上不同的液體，底面壓強各不相同。注意：該規(guī)律是同種液體處于靜止、連續(xù)的條件下推出，所以，只適用于靜止、同種、連續(xù)的液體。第十二頁，共24頁。二、流體(liútǐ)靜壓強的表示法1.相對壓強以大氣壓強為零點起算的壓強。它表示給出的壓強比周圍大氣壓大多少。2.絕對壓強以沒有一點氣體(qìtǐ)存在的絕對真空為零點起算的壓強?；颍簭慕^對零點起算的壓強（一個容器中的氣體(qìtǐ)完全抽空時，其壓強為絕對零）。它是流體的全部壓強。ｐ’不能為負，它和ｐａ相比，可大，可小。因此，ｐ可正可負。當ｐ為正時，稱正壓（即表壓）。當ｐ為負時，稱負壓，其絕對值為真空度（即真空表讀數(shù)）。ｐ’=ｐ+ｐａ第十三頁，共24頁。3.真空值流體中某處的低于大氣壓強的部分(bùfen)。ｐｙ=ｐａ-ｐ’4.圖解ｐ、ｐ’、ｐｙ、ｐａ的關系絕對壓強(yāqiáng)基準0壓強(yāqiáng)p大氣壓強pa相對壓強基準0A絕對壓強p’AAA相對壓強pABB真空度PB=-pByB絕對壓強p’Bpa第十四頁，共24頁。三、單位(dānwèi)1.pa或N/m22.液柱高度mH2O;mmH2O。四、靜壓力(yālì)分布圖垂面、折面、斜面。第十五頁，共24頁。第三節(jié)流體(liútǐ)動力學基礎一、流體動力學基本概念1.動水壓力流動液體中，垂直于液流方向(fāngxiàng)所測得的壓力。2.穩(wěn)定流：流體流動時，流速、壓力、密度等不隨時間而變。非穩(wěn)定流：流體流動時，流速、壓力、密度等隨時間而變化。3.流線：流體連續(xù)質點在某一瞬時的流動方向(fāngxiàng)線。它是光滑曲線，不相交，它的疏密可反映流速大小。跡線：流體某一質點在連續(xù)時間內的流動軌跡。穩(wěn)定流可用跡線代替流線。第十六頁，共24頁。4.元流：通過微元面積上各點作流線所形成的微小流束。總流：無數(shù)元流的總和。5.過流斷面：處處與流線垂直的橫斷面。流速：質點運動的速度。流量：單位時間內通過過流斷面的流體體積。6.濕周：過流斷面與邊界接觸的長度(chángdù)。水力半徑：過流斷面與濕周之比。7.壓力流：流體充滿整個流動的空間并依靠壓力作用而流動的液流或氣流。特點：無自由表面，對壁面有壓力。無壓流：具有與氣相接觸的自由表面，只依靠自身重力作用而流動的液流。特點：部分周界不與固面接觸，自由面上的壓力等于大氣壓。第十七頁，共24頁。二、穩(wěn)定流的連續(xù)(liánxù)方程即質量守恒方程(fāngchéng)：常數(shù)(chángshù)第十八頁，共24頁。三、穩(wěn)定流能量(néngliàng)方程伯努利方程(fāngchéng)：適用(shìyòng)條件：不可壓縮穩(wěn)定流，過流斷面應為均勻流或漸變流，無慣性力作用，流量不變等。第十九頁，共24頁。第四節(jié)水流阻力(zǔlì)和水頭損失一、水頭損失的形式1.產(chǎn)生水頭損失的原因：流體流動時，由于克服了流動阻力，一部分機械能不可逆轉地轉化(zhuǎnhuà)為熱能散失而產(chǎn)生的損失。2.沿程損失ｈｆ：受固體邊界阻滯而產(chǎn)生。3.局部損失ｈｊ：由于受到局部阻礙的影響，流態(tài)急劇變化，形成渦旋而產(chǎn)生損失。4.水頭損失ｈｗ：第二十頁，共24頁。二、流態(tài)1.層流:流層間互不摻混，流線平行。2.紊流：各質點間強烈(qiánɡliè)摻混，運動軌跡極不規(guī)則。3.雷諾實驗：揭示了沿程損失與流態(tài)有關。判別：Ｒｅ＜Ｒｅｋ＝2300（圓管），即為層流。非圓管Reｋ＝500。第二十一頁，共24頁。三、水頭(shuǐtóu)損失1.沿程損失(sǔnshī)ｈｆ：hf＝f(v,Re,d,l,粗糙度，流體性質…)2.局部(júbù)損失ｈｊ3.總損失ｈ