流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)課件

1流體力學(xué)基本知識(shí)

物質(zhì)在自然界中通常按其存在狀態(tài)的不同分為固體(固相)、液體(液相)和氣體(氣相)。

液體和氣體因具有較大的流動(dòng)性，被統(tǒng)稱為流體，它們具有和固體截然不同的力學(xué)性質(zhì)。研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)稱為流體力學(xué)，它是力學(xué)的一個(gè)分支。

1．1流體的主要力學(xué)性質(zhì)

流體中由于各質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)聚力極小，不能承受拉力，靜止流體也不能承受剪切力。正因?yàn)槿绱耍粤黧w具有較大的流動(dòng)性，且不能形成固定的形狀。但流體在密閉狀態(tài)下卻能承受較大的壓力。充分認(rèn)識(shí)以上所說(shuō)流體的基本特征，深刻研究流體處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力學(xué)規(guī)律，才能很好地把水、空氣或其它流體按人們的意愿進(jìn)行輸送和利用，為人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)服務(wù)。

下面介紹一下流體主要的力學(xué)性質(zhì)。

1．1．1流體的慣性

流體和其它固體物質(zhì)一樣都具有慣性，即物體維持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。物質(zhì)慣性的大小是用質(zhì)量來(lái)度量的，質(zhì)量大的物體，其慣性也大。對(duì)于均質(zhì)流體，單位體積的質(zhì)量，稱為流體的密度，即：

ρ=m/V(1-1)

式中ρ一流體的密度，kg／m3；

m一流體的質(zhì)量，kg；

V一流體的體積，m3。

對(duì)于均質(zhì)流體，單位體積的流體所受的重力稱為流體的重力密度，簡(jiǎn)稱重度，即：

γ=G/V(1-2)

式中γ一流體的重度，N／m3；

G一一流體所受的重力，N；

V一流體的體積，m3。

由牛頓第二定律得：G=mg。因此，

γ=G/V=mg/V=ρg(1·3)

式中g(shù)一一重力加速度，g=9．807m／s2。

流體的密度和重度隨其溫度和所受壓力的變化而變化。也就是說(shuō)同一流體的密度和重度不是一個(gè)固定值。但在實(shí)際工程中，液體的密度和重度隨溫度和壓力的變化而變化的數(shù)值不大，可視為一固定值；而氣體的密度和重度隨溫度和壓力的變化而變化的數(shù)值較大，設(shè)計(jì)計(jì)算中通常不能視為一固定值。常用流體的密度和重度如下：

水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為4°C時(shí)密度和重度分別為：

ρ=1000kg／m3，γ=9.807kN／m3

水銀在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為0℃時(shí)其密度和重度是水的13.6倍。

干空氣在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為20°C時(shí)密度和重度分別為：

ρ=1.2kg／m3，γ=11.82N／m31．1．2流體的粘滯性

流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于內(nèi)摩擦力的作用，使流體具有抵抗相對(duì)變形(運(yùn)動(dòng))的性質(zhì)，稱為流體的粘滯性。流體的粘滯性可通過(guò)流體在管道中流動(dòng)情況來(lái)加以說(shuō)明。

用流速儀可測(cè)得流體管道中某一斷面的流速分布，如圖1．1所示。流體沿管道直徑方向分成很多流層，各層的流速不同，管軸心的流速最大，向著管壁的方向逐漸減小，直至管壁處的流速最小，幾乎為零，流速按某種曲線規(guī)律連續(xù)變化。流速之所以有此分布規(guī)律，正是由于相鄰兩流層的接觸面上產(chǎn)生了阻礙流層相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力，或稱粘滯力，這是流體的粘滯性顯示出來(lái)的結(jié)果。

圖l-l管道中斷面流速分布

流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，必須克服內(nèi)摩擦阻力，因而要不斷消耗運(yùn)動(dòng)流體所具有的能量，所以流體的粘滯性對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)有很大的影響。在水力計(jì)算中，必須考慮粘滯力的重要影響。對(duì)于靜止流體，由于各流層間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，粘滯性不顯示。

流體粘滯性的大小，通常用動(dòng)力粘滯性系數(shù)μ和運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)v來(lái)反映，它們是與流體種類有關(guān)的系數(shù)，粘滯性大的流體，μ和的值也大，它們之間存在一定的比例關(guān)系。同時(shí)，流體的粘滯性還與流體的溫度和所受壓力有關(guān)，受溫度影響大，受壓力影響小。實(shí)驗(yàn)證明，水的粘滯性隨溫度的增高而減小，而空氣的粘滯性卻隨溫度的增高而增大(參見(jiàn)表1．1、表1．2)。

內(nèi)摩擦力的大小可用下式表示:

T=μAdu/dy(1．4)

式中T一一流體的內(nèi)摩擦力；

μ——流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；

A——層與層的接觸面積；

du/dy——流體的速度梯度。

流體的動(dòng)力粘性系數(shù)與運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)有如下關(guān)系：

μ=ρ(1．5)

μ——流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；

ρ——流體的密度。1．1．3流體的壓縮性和熱脹性

流體的壓強(qiáng)增大，體積縮小，密度增大的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。流體溫度升高，體積增大,密度減小的性質(zhì)，稱為流體的熱脹性。

液體的壓縮性和熱脹性都很小。例如，水從1個(gè)大氣壓增加到100個(gè)大氣壓時(shí)，每增加1個(gè)大氣壓，水的體積只縮小0.5／10000；在10～20℃的范圍內(nèi)，溫度每增加1℃，水的體積只增加1.5／10000；在90～100℃的范圍內(nèi)，溫度每增加1℃，水的體積也只增加7／10000。因此在很多工程技術(shù)領(lǐng)域中，可以把液體的壓縮性和熱脹性忽略不計(jì)。但在研究有壓管路中水擊現(xiàn)象和熱水供熱系統(tǒng)時(shí)，就要分別考慮水的壓縮性和熱脹性。

氣體與液體有很大不同，其具有顯著的壓縮性和熱脹性。但在采暖與通風(fēng)工程中，氣體大多流速較低(遠(yuǎn)小于音速)，壓強(qiáng)與溫度變化不大，密度變化也很小，因而也可以把氣體看成是不可壓縮的。

液體的壓縮性和熱脹性可用如下兩式表示：

(1·6)

式中β一一壓縮系數(shù)，m2／N。

(1．7)

式中α——流體的熱脹系數(shù)，T-1。氣體和液體具有顯著不同的壓縮性和熱脹性。溫度和壓強(qiáng)的變化對(duì)氣體的容重的影響很大。在溫度不過(guò)低，壓強(qiáng)不過(guò)高時(shí)，氣體密度、壓強(qiáng)和溫度三者之間的關(guān)系，有下列氣體狀態(tài)方程式。

p=ρRT(1．8)

式中p一氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，N／m2；

T一氣體的熱力學(xué)溫度，K；

ρ一氣體的密度，kg／m3；

R一氣體常數(shù)，J／(kg·K)；對(duì)于理想氣體有R=8314/n,n為氣體的摩爾質(zhì)量。

1．1．4流體的表面張力

由于流體分子之間的吸引力，在流體的表面上能夠承受極其微小的張力，這種張力稱表面張力。表面張力不僅在液體表面上，在液體與固體的接觸周界面上也有張力。由于表面張力的作用，如果把兩端開口的玻璃管豎在液體中，液體會(huì)在細(xì)管中上升或下降一定高度，這種現(xiàn)象稱作毛細(xì)現(xiàn)象。表面張力的大小可用表面張力系數(shù)σ表示，單位是N／m。由于重力和表面張力產(chǎn)生的附加鉛直分力相平衡，所以有下式：

兀r2hγ=2兀rσcosa

故有：

(1.9)

式中γ一液體的容重；

r一玻璃管內(nèi)徑；

σ一液體的表面張力系數(shù)。

如果把玻璃管垂直豎立在水中，則有下式：

h=15/r(1．10)1．2流體靜力學(xué)的基本概念

流體處于靜止(平衡)狀態(tài)時(shí)，因其不顯示粘滯性，所以流體靜力學(xué)的中心問(wèn)題是研究流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律。

1．2．1流體靜壓強(qiáng)及其特性

在一容器的靜止水中，取出小水體?作為隔離體來(lái)進(jìn)行研究，如圖1．2所示。為保持其靜止(平衡)狀態(tài)，周圍水體對(duì)隔離體有壓力作用。設(shè)作用于隔離體表面某一微小面積△w上的總壓力是△P，則△w叫面積上的平均壓強(qiáng)為:

P=P/△w(1.11)

當(dāng)所取的面積無(wú)限縮小為一點(diǎn)時(shí)，即△w——0，則平均壓強(qiáng)的極限值為：

(1.12)

流體靜壓強(qiáng)具有兩個(gè)基本特性：

(1)靜壓強(qiáng)的方向指向受壓面，并與受壓面垂直；

(2)流體內(nèi)任一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)在各個(gè)方向面上的值均相等。圖1．2流體的靜壓強(qiáng)1．2．2流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律

在靜止液體中任取一垂直小圓柱作為隔離體，研究其底面點(diǎn)的靜壓強(qiáng)，如圖1．3所示。已知圓柱體高度為h，端面面積為△w，圓柱體頂面與自由面重合，所受壓強(qiáng)為p0。在圓柱體側(cè)面上的靜水壓力，方向與軸向垂直(水平方向，圖中未繪出)，而且是對(duì)稱的，故相互平衡。則圓柱體軸向的作用力有：

(1)上表面壓力P0=p?！鱳，方向垂直向下；

(2)下底面靜壓力P=p△w，方向垂直向上；

(3)圓柱體的重力G=γh△w，方向垂直向下。

根據(jù)圓柱體靜止?fàn)顟B(tài)的平衡條件，令方向向上為正，向下為負(fù)，則可得圓柱體軸向的力的平衡方程，即

p△w—γh△w—p。△w=0

整理得：

P=p。+γh(113)

式中p——靜止流體中任一點(diǎn)的壓強(qiáng)，N／m2；

p?！后w表面壓強(qiáng)，N／m2；

γ一一液體的重度，N／m3；

h一一所研究的點(diǎn)在液面下的深度，m。

式(1．13)是靜水壓強(qiáng)基本方程式，又稱為靜力學(xué)基本方程式。式中γ和p。都是常數(shù)。

方程表達(dá)了只有重力作用時(shí)流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律。如圖1．4所示。圖1．3靜止液液體中的小圓柱柱體圖1．4流體靜靜壓強(qiáng)分布圖(1)靜止液體體內(nèi)任意一點(diǎn)的的壓強(qiáng)等于液面面壓強(qiáng)加上液體體重度與深度乘乘積之和。(2)在靜止液液體內(nèi)，壓強(qiáng)隨隨深度按直線規(guī)規(guī)律變化。(3)在靜止液液體內(nèi)同一深度度的點(diǎn)壓強(qiáng)相等等，構(gòu)成一個(gè)水水平的等壓面。。

(4)液面面壓強(qiáng)可等值地地在靜止液體內(nèi)內(nèi)傳遞。水壓機(jī)機(jī)等一些液壓傳傳動(dòng)裝置就是根根據(jù)這一原理制制成的。

靜水水壓強(qiáng)的基本方方程式(1．13)還可表示示成另一種形式式，見(jiàn)圖1．5，設(shè)水箱水面面的壓強(qiáng)為p。。，在箱內(nèi)的液液體中任取兩點(diǎn)點(diǎn)，在箱底以下下任取一基準(zhǔn)面面0--0，箱箱內(nèi)液面到基準(zhǔn)準(zhǔn)面的高度為z。，1點(diǎn)和2點(diǎn)到基準(zhǔn)面的的高度分別為z1和z2，根根據(jù)靜水壓強(qiáng)基基本公式，可列列出l點(diǎn)和2點(diǎn)點(diǎn)的壓強(qiáng)表達(dá)式式：

P1=p0+γ(z0-z1)P2=p0+γγ(z0-z2)

將上等式式的兩邊除以液液體重度γ并整整理得：

Z1+p1/γ=z0+p0/γ

Z2+p2/γ=z0+p0/γγ

進(jìn)而得：Z1+p1/γ=Z2+p2/γ=z0+p0/γγ

由于1點(diǎn)和和2點(diǎn)是在箱內(nèi)內(nèi)液體中任取的的，故可推廣到到整個(gè)液體中得得到具有普遍意意義的規(guī)

律，，即：z+p/γ=c(常數(shù))(1．．14)

這就就是靜水壓強(qiáng)基基本方程式的另另一種表達(dá)形式式。該方程式表表明在同一種靜靜止液體中，任任一點(diǎn)的z+p/γ總是一個(gè)個(gè)常數(shù)，常數(shù)的的值與基準(zhǔn)面的的位置選擇及液液面壓強(qiáng)值有關(guān)關(guān)。

如圖1．．6所示，z為為任一點(diǎn)的位置置相對(duì)于基準(zhǔn)面面的高度，稱為為位置水頭；p/γ是在該點(diǎn)點(diǎn)壓強(qiáng)作用下液液體沿測(cè)壓管所所能上升的高度度，稱為壓強(qiáng)水水頭；兩水頭相相加z+p/γγ稱為測(cè)壓管水水頭。而z+p/γ=C表示示在同一容器內(nèi)內(nèi)的靜止液體中中，所有各點(diǎn)的的測(cè)壓管水頭均均相等。

對(duì)于于靜止氣體的壓壓強(qiáng)計(jì)算，由于于氣體的重度很很小，在高度差差不大的情況下下可將方程中的的γh項(xiàng)忽略不不計(jì)，認(rèn)為p=po。也就是是說(shuō)在密閉容器器中，可以認(rèn)為為容器內(nèi)各點(diǎn)的的氣體壓強(qiáng)是相相等的。圖1．5靜靜水壓強(qiáng)基基本方程的另一一形式圖1．6測(cè)測(cè)壓管水頭1．2．3工程程計(jì)算中壓強(qiáng)的的表示方法和度度量單位1．2．3．1表示方法(1)絕對(duì)壓強(qiáng)強(qiáng)以絕對(duì)對(duì)真空為零點(diǎn)計(jì)計(jì)算的壓強(qiáng)稱為為絕對(duì)壓強(qiáng)，用用pj表示。(2)相對(duì)壓壓強(qiáng)以大大氣壓強(qiáng)pa為為零點(diǎn)計(jì)算的壓壓強(qiáng)稱為相對(duì)壓壓強(qiáng)，用p表示示。

在實(shí)際工工程中，通常采采用相對(duì)壓強(qiáng)。。相對(duì)壓強(qiáng)與絕絕對(duì)壓強(qiáng)的關(guān)系系為：

p=pj一pa=-p(1．15)相相對(duì)壓強(qiáng)可能能是正值，也可可能是負(fù)值。當(dāng)當(dāng)絕對(duì)壓強(qiáng)大于于大氣壓強(qiáng)時(shí)，，相對(duì)壓強(qiáng)的正正值稱正壓，可可用壓力表測(cè)出出，也稱表壓；；當(dāng)絕對(duì)壓強(qiáng)小小于大氣壓強(qiáng)時(shí)時(shí)，則相對(duì)壓強(qiáng)強(qiáng)為負(fù)值稱為負(fù)負(fù)壓，這時(shí)該流流體處于真空狀狀態(tài)，通常用真真空度pk(或或真空壓強(qiáng))來(lái)來(lái)表示流體的真真空程度。即：：

pk=pa—pj=-p(1——16)

真空空度是指某點(diǎn)的的絕對(duì)壓強(qiáng)不足足一個(gè)大氣壓強(qiáng)強(qiáng)的數(shù)值，可用用真空表測(cè)出。。

某點(diǎn)的真空空度愈大，說(shuō)明明它的絕對(duì)壓強(qiáng)強(qiáng)愈小。真空度度的最大值為pk=p。=98kN／m2，即絕對(duì)壓強(qiáng)強(qiáng)為零，處于完完全真空狀態(tài)；；真空度的最小小值為零時(shí)，pk=O，即在在一個(gè)大氣壓強(qiáng)強(qiáng)下，真空度在在pk=O～98kN／m2的范圍內(nèi)變動(dòng)動(dòng)。1．2．3．2壓強(qiáng)的度量單單位壓強(qiáng)的度量單位位通常有三種：：

(1)用單單位面積的壓力力來(lái)表示，單位位是N／m2(帕，Pa)或或kN／m2(千帕，kPa)；

(2)用工程大氣壓壓來(lái)表示，單位位是工程大氣壓壓，1工程大氣氣壓=98．07kPa，在在工程單位制中中，1工程大氣氣壓=1kgf／cm2(千千克力／厘米2)；

(3)用液柱高度來(lái)來(lái)表示，單位是是mH2O(米米水柱)、mmHg(毫米汞汞柱)。

將壓壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為某種種液柱高度的計(jì)計(jì)算公式為：h=p/γ(1．17)

當(dāng)水的重重度γ=9．807kN／m3，汞的重度度為133.38kN／m3時(shí)，則1個(gè)工工程大氣壓相應(yīng)應(yīng)的水柱和汞柱柱高為：

h=pa/γ=98.07kN／m2/9．．807kN／／m3=10mH2O

hHg=pa/γγHg=98.07kN／m2/133.38kN／m3=735.6mmHg三三種壓強(qiáng)單位位的關(guān)系是：1個(gè)工程大氣氣壓≈10mH2O≈735.6mmHg≈98kN／／m2≈9800Pa

1個(gè)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101.325kPa=760mmHg【例題l·1】如圖1.7所示，一一密閉水箱，，箱內(nèi)流體表表面的絕對(duì)壓壓強(qiáng)p。=78.4kN／m2,箱外的大氣氣壓強(qiáng)pa=98kN／／m2，求水水深1．5m處A點(diǎn)的絕絕對(duì)壓強(qiáng)、相相對(duì)壓強(qiáng)和真真空度，并用用壓

強(qiáng)的三三種單位表示示。

【解】】根據(jù)靜水壓壓強(qiáng)基本方程程式，則A點(diǎn)點(diǎn)的絕對(duì)壓強(qiáng)強(qiáng)為：

Pja=p0+γh=78.3+9．．807×1．5=78.3+14.811=93.111(kN／／rn2)A點(diǎn)的相對(duì)對(duì)壓強(qiáng)為：pA=pja-pa=93.111-98=-4.889(kN／／m2)因因?yàn)锳點(diǎn)的相相對(duì)壓強(qiáng)是負(fù)負(fù)值，說(shuō)明A點(diǎn)處于真空空狀態(tài)，其真真空度為：Pka=pa-pja=98-93.111=4．889(kN／／m2)用用工程大氣壓壓表示A點(diǎn)的的壓強(qiáng)：Pja=93.111／／98=0．．95個(gè)工程程大氣壓pA=-4．．889／98=-0．．05個(gè)工程程大氣壓pka=4．．889／98=0．05個(gè)工程大大氣壓

用mH2O表示示A點(diǎn)的壓強(qiáng)強(qiáng)：

因?yàn)?個(gè)工程大氣氣壓=10mH2O，則則A點(diǎn)的壓強(qiáng)強(qiáng)可表示為：：

Pja=0．95××l0=9．．5mH2O

pA=-0．05××10=-0．5mH2O

pka=0．05×10=0．5mH2O圖1．7密密閉水箱1．3流體動(dòng)動(dòng)力學(xué)的基本本概念流體在建筑設(shè)設(shè)備工程中都都和運(yùn)動(dòng)密切切相關(guān)，因此此我們需要了了解一些流體體運(yùn)動(dòng)的基本本概念。1．3．1流流體動(dòng)力學(xué)的的一些基本概概念(1)元流流流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，為研究究方便我們把把流體中一微微小面積形成成的一股流束束稱為元流。。

(2)總總流流體體運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)無(wú)數(shù)元流的總總和稱為總流流，如圖1．．8。

(3)過(guò)流斷面面流體運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與流流體的運(yùn)動(dòng)方方向垂直的流流體橫斷面。。過(guò)流斷面可可能是平面，，也可能是曲曲面，形狀有有圓形、矩形形、梯形等，，見(jiàn)圖1．9。

(4)流量在在單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)流體通過(guò)過(guò)過(guò)流斷面的體體積或質(zhì)量。。一般流量指指的是體積流流量，但也可可用質(zhì)量流量量來(lái)表示。(5)流速速在單位位時(shí)間內(nèi)流體體移動(dòng)所通過(guò)過(guò)的距離。流流體運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)，由于流體體粘滯性的影影響，過(guò)流斷斷面上的流速速不等且一般般不易確定，，為便于分析析和計(jì)算，在在實(shí)際工程中中通常采用過(guò)過(guò)流斷面上各各質(zhì)點(diǎn)流速的的平均值即平平均流速。平平均流速通過(guò)過(guò)過(guò)流斷面的的流量應(yīng)等于于實(shí)際流速通通過(guò)該斷面的的流量，這是是確定平均流流速的假定條條件。

流量量、過(guò)流斷面面和流速三者者之間應(yīng)符合合下面關(guān)系：：

Q=w.v(1．18)式式中Q——體體積流量，m3／s；v——平均均流速，m／／s；

w——一過(guò)流斷面面，m2。圖1．8元元流與總流流圖1．9過(guò)過(guò)流斷面圖1．1O斷斷面流速速1．3．2流流體運(yùn)動(dòng)的類類型影響流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)的因素有很很多，因而流流體的運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)也是多種種多樣的，根根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)的一些主要要特征可將流流體運(yùn)動(dòng)分為為以下幾種主主要類型。(1)有壓壓流流體體在壓差作用用下流動(dòng)，流流體各個(gè)過(guò)流流斷面的整個(gè)個(gè)周界都與固固體壁面相接接觸，沒(méi)有自自由表面，這這種流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)稱為有壓流流或壓力流，，也稱為管流流。如供熱管管道中的汽、、水帶熱體，，給水管中的的水流都是有有壓流。(2)無(wú)壓流流流體在在重力作用下下流動(dòng)，流體體各個(gè)過(guò)流斷斷面的部分周周界與固體壁壁面相接觸，，具有自由表表面，這種流流體的運(yùn)動(dòng)稱稱為無(wú)壓流或或重力流，或或稱為明渠流流。如天然河河道、明渠、、排水管中的的水流都是無(wú)無(wú)壓流。(3)恒定流流流體運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體體中任一位置置的壓強(qiáng)、流流速等運(yùn)動(dòng)要要素不隨時(shí)間間變化，這種種流體運(yùn)動(dòng)稱稱為恒定流，，如圖1．11(a)所所示。

(4)非恒定流流流體運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體體中任一位置置的運(yùn)動(dòng)要素素如壓強(qiáng)、流流速等隨時(shí)間間變化而變化化，這種流體體運(yùn)動(dòng)稱為非非恒定流，如如圖1．1l(b)所示示。

在實(shí)際際建筑設(shè)備工工程中，為使使研究的問(wèn)題題得到合理的的簡(jiǎn)化，在絕絕大多數(shù)情況況下都可以把把流體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)狀態(tài)看作是是恒定流，但但在研究如水水泵或風(fēng)機(jī)等等啟動(dòng)時(shí)的流流體運(yùn)動(dòng)情況況時(shí)，因其流流速和壓強(qiáng)隨隨時(shí)間變化較較大，流體的的運(yùn)動(dòng)須看作作是非恒定流流。圖1．1l恒恒定與非非恒定流1．4流流動(dòng)阻力力與能量損失失的基本概念念

1．4．．1流動(dòng)動(dòng)阻力和能量量損失的兩種種形式由于流體具有有粘滯性及固固體邊壁的不不光滑，所以以流體在流動(dòng)動(dòng)過(guò)程中既受受到存在相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的各流流層間內(nèi)摩擦擦力的作用，，又受到流體體與固體邊壁壁之間摩擦阻阻力的作用。。同時(shí)由于固固體邊壁形狀狀的變化，也也會(huì)對(duì)流體流流動(dòng)產(chǎn)生阻力力。為了克服服上述流動(dòng)阻阻力，必須消消耗流體所具具有的機(jī)械能能。單位質(zhì)量量的流體流動(dòng)動(dòng)中所消耗的的機(jī)械能，稱稱為能量損失失或水頭損失失。

流動(dòng)阻阻力和水頭損損失可分為兩兩種形式。1．4．1．1沿程阻力和沿沿程水頭損失失流體在長(zhǎng)直管管(或明渠)中流動(dòng)時(shí)，，所受到的摩摩擦力稱為沿沿程阻力。為為了克服沿程程阻力，單位位質(zhì)量的流體體所消耗的機(jī)機(jī)械能稱為沿沿程水頭損失失，常用hf來(lái)表示。1．4．1．．2局部部阻力和局部部水頭損失流體的邊界在在局部地區(qū)發(fā)發(fā)生急劇變化化時(shí)，迫使流流體流速的大大小和方向發(fā)發(fā)生顯著變化化，甚至使主主流脫離邊壁壁形成漩渦，，流體質(zhì)點(diǎn)間間產(chǎn)生劇烈的的碰撞，從而而對(duì)流體運(yùn)動(dòng)動(dòng)形成了阻力力，這種阻力力稱為局部阻阻力。為了克克服局部阻力力，單位質(zhì)量量的流體所消消耗的機(jī)械能能稱為局部水水頭損失，通通常用hj表表示。

管道道系統(tǒng)中，在在管徑不變的的直管段上，，只有沿程水水頭損失hf，在管道人人口處和管道道變徑處以及及彎頭、閘門門等水流邊界界急劇改變處處產(chǎn)生局部水水頭損失hj。整個(gè)管道的總總水頭損失等等于各管段的的沿程水頭損損失與各局部部水頭損失分分別疊加之和和，即：hw=∑hf+∑hj(1．19)

在給給排水與采暖暖工程中，確確定管路系統(tǒng)統(tǒng)中流體的水水頭損失是進(jìn)進(jìn)行工程計(jì)算算的重要內(nèi)容容之一，也是是對(duì)工程中有有關(guān)的設(shè)備和和管路中的管管徑進(jìn)行選擇擇的重要依據(jù)據(jù)。1．4．2流流態(tài)與判定流體在流動(dòng)過(guò)過(guò)程中，呈現(xiàn)現(xiàn)出兩種不同同的流動(dòng)形態(tài)態(tài)——層流和和紊流。如如圖1．12(a)所示示為一玻璃管管中水的流動(dòng)動(dòng)。不斷投加加紅顏色水于于液體中。當(dāng)當(dāng)液體流速較較低時(shí)，玻璃璃管內(nèi)有股紅紅色水流的細(xì)細(xì)流，像一條條線一樣，如如圖1．12(b)所示示，說(shuō)明水流流是成層成束束地流動(dòng)，各各流層之間并并無(wú)質(zhì)點(diǎn)的摻摻混現(xiàn)象，這這種水流形態(tài)態(tài)稱為層流。。如果加大管管中水的流速速，紅顏色水水隨之開始動(dòng)動(dòng)蕩，呈波浪浪形，如圖1．12(c)所示。繼繼續(xù)加大流速速，將出現(xiàn)紅紅顏色水向四四周擴(kuò)散，質(zhì)質(zhì)點(diǎn)或液團(tuán)相相互混摻，流流速愈大，混混摻程度愈大大，這種水流流形態(tài)稱為紊紊流，如圖1．12(d)所示。圖1．12管管中液液流的流動(dòng)形形態(tài)判斷流體的流流動(dòng)形態(tài)，常常用無(wú)因次量量綱分析方法法得到無(wú)因次次量——雷諾諾數(shù)Re來(lái)判判別。

Re=d/v(1.20)

式中Re——雷諾數(shù)數(shù);

v———圓管中流體體的平均流速速，m/s；；

d——圓圓管的直徑，，m；——流體的運(yùn)運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)數(shù)，m2/s。

對(duì)于圓圓管的有壓管管流：Re＜＜2000時(shí)時(shí)，流體為層層流形態(tài)；Re＞2000時(shí)，流體體為紊流形態(tài)態(tài)。

對(duì)于明明渠流，雷諾諾數(shù)按下式計(jì)計(jì)算：

Re=R/v(1·21)

式中R——水力力半徑，R=w／x，其其中w叫是過(guò)過(guò)流斷面面積積，x是濕周周，為流動(dòng)的的流體同固體體邊壁在過(guò)流流斷面上接觸觸的周邊長(zhǎng)度度。

當(dāng)Re＜500時(shí)時(shí)，明渠流為為層流形態(tài)；；

當(dāng)Re＞＞500時(shí)，，明渠流為紊紊流形態(tài)。在在建筑設(shè)備備工程中，絕絕大多數(shù)的流流體運(yùn)動(dòng)都處處于紊流形態(tài)態(tài)。只有在流流速很小，管管徑很細(xì)或粘粘滯性很大的的流體運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)才可能發(fā)生生層流運(yùn)動(dòng)，，如地下水滲滲流、油管輸輸送等。1．4．3沿沿程水頭頭損失和局部部水頭損失流體在流動(dòng)過(guò)過(guò)程中，其水水頭損失與其其流動(dòng)形態(tài)有有關(guān)，因工程程中大多數(shù)流流動(dòng)是紊流，，所以紊流形形態(tài)的水頭損損失是工程計(jì)計(jì)算中的重要要內(nèi)容。目前前采用理論和和實(shí)相結(jié)合的的方法，建立立半驗(yàn)公式來(lái)來(lái)計(jì)算沿程水水頭損失。hf=λlv2/d2g(1.22)式式中hf一———沿程水頭頭損失，m；；

λ一沿程程阻力系數(shù)(無(wú)因次量)；

d———管徑，m；；

l一一管管長(zhǎng)，m；v——管中中流體平均流流速，m/s

沿程阻力力系數(shù)λ與流流體的流動(dòng)形形態(tài)及固體邊邊壁的粗糙情情況有關(guān)，其其值通常采用用經(jīng)驗(yàn)公式或或查用有關(guān)圖圖表確定，也也可通