第一節(jié)流體力學(xué)基礎(chǔ)知識演示文稿

第一節(jié)流體力學(xué)基礎(chǔ)知識演示文稿當(dāng)前第1頁\共有68頁\編于星期六\14點第一節(jié)流體的主要物理性質(zhì)一.流體的密度和容重（一）密度1.密度：對于均質(zhì)流體，單位體積的質(zhì)量。

kg/m32.容重：對于均質(zhì)流體，單位體積的重量。

N/m3當(dāng)前第2頁\共有68頁\編于星期六\14點

3.密度與容重的關(guān)系4.密度和容重與壓力、溫度的關(guān)系壓力升高流體的密度和容重增加；溫度升高流體的密度和容重減小。當(dāng)前第3頁\共有68頁\編于星期六\14點（二）流體的粘滯性

當(dāng)前第4頁\共有68頁\編于星期六\14點1.流體粘滯性的概念

流體內(nèi)部質(zhì)點間或流層間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力（粘滯力）以反抗流體相對運(yùn)動的性質(zhì)。2.粘滯性的表示形式

動力粘滯系數(shù)μkg/m·s

運(yùn)動粘滯系數(shù)νm2/s當(dāng)前第5頁\共有68頁\編于星期六\14點

3.粘滯性與溫度、壓力的關(guān)系粘滯性受溫度影響大，受壓力影響小。液體的粘滯性隨溫度的升高而降低。氣體的粘滯性隨溫度的升高而增加。原因分析：粘滯性是流體分子間的吸引力和分子不規(guī)則的熱運(yùn)動產(chǎn)生動量交換的結(jié)果。液體，分子間的吸引力是決定性因素；氣體，分子間的熱運(yùn)動是決定性因素。當(dāng)前第6頁\共有68頁\編于星期六\14點（三）流體的壓縮性和熱脹性1.流體的壓縮性流體受壓，體積縮小，密度增大的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。2.流體的熱脹性流體受熱，體積膨脹，密度減小的性質(zhì)，稱為流體的熱脹性。當(dāng)前第7頁\共有68頁\編于星期六\14點

3.液體的壓縮性與熱脹性

液體的壓縮性與熱脹性都很小。4.氣體的壓縮性與熱脹性

氣體的具有顯著的壓縮性與熱脹性。理想氣體狀態(tài)方程：當(dāng)前第8頁\共有68頁\編于星期六\14點

二、流體靜壓強(qiáng)及其分布規(guī)律（一）流體的靜壓強(qiáng)及其特征ⅠⅡ當(dāng)前第9頁\共有68頁\編于星期六\14點

1.流體靜壓強(qiáng)的概念(N/m2)p稱為a點的靜壓強(qiáng)當(dāng)前第10頁\共有68頁\編于星期六\14點2.靜壓強(qiáng)的單位從壓強(qiáng)的定義出發(fā):力/面積國際單位:N/m2(以符號Pa表示)用大氣壓的倍數(shù)表示:

國際單位:標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=101325Pa=1.01325bar(巴)當(dāng)前第11頁\共有68頁\編于星期六\14點

3.流體靜壓強(qiáng)的特征(1)流體靜壓強(qiáng)p的方向必定沿著作用面的內(nèi)法線方向;(2)任意點的流體靜壓強(qiáng)只有一個值，它不因作用面的方位改變而改變。當(dāng)前第12頁\共有68頁\編于星期六\14點二.流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律

1.靜水壓強(qiáng)基本方程式※-------又稱靜水力學(xué)基本方程式當(dāng)前第13頁\共有68頁\編于星期六\14點

水池（壩）壁相對壓強(qiáng)分布圖當(dāng)前第14頁\共有68頁\編于星期六\14點當(dāng)前第15頁\共有68頁\編于星期六\14點

3.流體靜壓強(qiáng)的測量文丘里流量計是一種常用的測量有壓管道流量的裝置，屬壓差式流量計，常用于測量空氣、天然氣、煤氣、水等流體的流量。它包括“收縮段”、“喉道”和“擴(kuò)散段”3部分，安裝在需要測定流量的管道上。當(dāng)前第16頁\共有68頁\編于星期六\14點

以N-N為等壓面，則：注：水銀的密度是13.6g/cm3當(dāng)前第17頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)A、B兩管平齊，里面盛滿水，下面的U形管里充有水銀，水銀柱高差為Δh=20cm,則A、B兩管中的壓強(qiáng)差值為（?）kPa。A.?20.1?B.?24.7?C.?26.7?D.?1.96B當(dāng)前第18頁\共有68頁\編于星期六\14點作業(yè)如圖所示,用U形水銀壓差計測量水管A、B兩點的壓強(qiáng)差,水銀面高h(yuǎn)p=10cm,?A、B兩點壓強(qiáng)差為多少kPa。當(dāng)前第19頁\共有68頁\編于星期六\14點

2.絕對壓強(qiáng)與相對壓強(qiáng)ppa00絕對壓強(qiáng)ABA點絕對壓強(qiáng)pAA點相對壓強(qiáng)p大氣壓強(qiáng)(98kN/m2)B點絕對壓強(qiáng)pBB點真空度pk當(dāng)前第20頁\共有68頁\編于星期六\14點絕對壓強(qiáng)：是以完全真空為零點計算的壓強(qiáng)，用P'表示。相對壓強(qiáng)：是以大氣壓強(qiáng)Pa為零點計算的壓強(qiáng)，用P表示。絕對壓強(qiáng)與相對壓強(qiáng)的關(guān)系：

P=P’-Pa真空度：是指某點的絕對壓強(qiáng)不足于一個大氣壓強(qiáng)的部分，用Pk表示。即：Pk=Pa-P'=-P當(dāng)前第21頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)11、某點的絕對壓強(qiáng)是30KN/m2，相對壓強(qiáng)是多大？真空度是多大？-68KN/m2；68KN/m22、絕對壓力為0.4個大氣壓，其真空度為（??）。?A．0.4個大氣壓????B．0.6個大氣壓????C．—0.4個大氣壓D．—0.6個大氣壓D當(dāng)前第22頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)3、油的密度為800kg/m3，油處于靜止?fàn)顟B(tài)，油面與大氣接觸，則油面下0.5m處的表壓強(qiáng)為

kPa。?（A）0.8?；（B）0.5；（C）0.4；（D）3.9?4、靜止油面(油面上為大氣)下3m深度處的絕對壓強(qiáng)為—____(油的密度為800kg/m3，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00kPa)A．3kPaB．23.5kPaC．102.4kPaD．123.5kPaDD當(dāng)前第23頁\共有68頁\編于星期六\14點作業(yè)水深5m處的相對壓強(qiáng)約為多少kPa。當(dāng)前第24頁\共有68頁\編于星期六\14點

三、恒定流的連續(xù)性方程（一）流體運(yùn)動的基本概念1、壓力流與無壓流（1）壓力流：流體在壓差作用下流動時，流體整個周圍和固體壁相接觸，沒有自由表面，如供熱管道。供熱管道當(dāng)前第25頁\共有68頁\編于星期六\14點

（2）無壓流：液體在重力作用下流動時，液體的部分周界與固體壁相接觸，部分周界與氣體相接觸，形成自由表面，如天然河流等。天然河流當(dāng)前第26頁\共有68頁\編于星期六\14點

2、恒定流與非恒定流（1）恒定流：流體運(yùn)動時，流體中任一位置的壓強(qiáng)、流速等運(yùn)動要素不隨時間變化的流動。（2）非恒定流：流體運(yùn)動時，流體中任一位置的運(yùn)動要素如壓強(qiáng)、流速等隨時間變化的流動。注意：自然界中都是非恒定流，工程中取為恒定流。當(dāng)前第27頁\共有68頁\編于星期六\14點

3、流線與跡線（1）流線：同一時刻連續(xù)流體質(zhì)點的流動方向線。（2）跡線：同一質(zhì)點在連續(xù)時間內(nèi)的流動軌跡線。當(dāng)前第28頁\共有68頁\編于星期六\14點當(dāng)前第29頁\共有68頁\編于星期六\14點

4、均勻流與非均勻流（1）均勻流：流體運(yùn)動時，流線是平行直線的流動。（2）非均勻流：流體運(yùn)動時，流線不是平行直線的流動。1）漸變流：流體運(yùn)動中流線接近于平行線的流動。2）急變流：流體運(yùn)動中流線不能視為平行線的流動。當(dāng)前第30頁\共有68頁\編于星期六\14點

5、元流、總流、過流斷面、流量與斷面平均流速（1）元流：流體運(yùn)動時，在流體中取一微小面積dw，并在dw面積上各點引出流線并形成的一股流束。（2）總流：流體運(yùn)動時，無數(shù)總流的總和。當(dāng)前第31頁\共有68頁\編于星期六\14點

（3）過流斷面：流體運(yùn)動時，與元流或總流全部流線正交的橫斷面。以dw或w示之，單位：m2或cm2。注意：均勻流的過流斷面為平面；非均勻流的過流斷面一般為曲面，其中漸變流的過流斷面可視為平面。

當(dāng)前第32頁\共有68頁\編于星期六\14點

（4）流量體積流量：流體運(yùn)動時，單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體體積。以Q表示，單位：m3/s，L/s。重量流量：流體運(yùn)動時，單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體流量。以Q表示，單位：N/s。質(zhì)量流量：流體運(yùn)動時，單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體質(zhì)量。以Q表示，單位：kg/s。當(dāng)前第33頁\共有68頁\編于星期六\14點

（5）斷面平均流速斷面上各點流速的平均值，以v表示。

uv當(dāng)前第34頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)1、恒定流是（）。A.流動隨時間按一定規(guī)律變化的流動B.流動中任意空間點的運(yùn)動要素不隨時間變化的流動C.各過流斷面的速度分布相同的流動D.各過流斷面的壓強(qiáng)相同的流動2、非恒定流，以下對于流線和跡線的正確說法是()。A.流線和跡線正交

B.流線和跡線重合C.流線曲線上任意一點的速度矢量與曲線相切D.流線越密速度越小BC

當(dāng)前第35頁\共有68頁\編于星期六\14點A1dA1u11212dQu2A2dA2（二）恒定流的連續(xù)性方程式※恒定流中一個控制體：過水?dāng)嗝?過水?dāng)嗝?，以及兩個斷面之間的邊壁與液體之間的交界面。從過水?dāng)嗝?上取一微小流束，符號如圖。當(dāng)前第36頁\共有68頁\編于星期六\14點A1dA1u11212dQu2A2dA2將上式沿總流過水?dāng)嗝孢M(jìn)行積分質(zhì)量流量的連續(xù)性方程當(dāng)前第37頁\共有68頁\編于星期六\14點A1dA1u11212dQu2A2dA2當(dāng)流體不可壓縮，流體的密度不變。體積流量的連續(xù)性方程當(dāng)前第38頁\共有68頁\編于星期六\14點

流量一定時，斷面平均流速與斷面面積成反比。在過水?dāng)嗝娣e小的地方流速大；過水?dāng)嗝婷娣e大的地方流速小。管道越粗，流速越小，管道細(xì)，流速越大。v1v3v2當(dāng)前第39頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)變直徑管，直徑由100mm擴(kuò)大到200mm，直徑變大后的流速為1.5m/s，直徑變化前的流速為（）m/s。A.2

B.3

C.6

D.9C當(dāng)前第40頁\共有68頁\編于星期六\14點

1122Z1Z2v1v2p2hw1-2------恒定總流實際液體的能量方程（伯努里方程式）p1四、恒定流能量方程式（一）恒定總流實際液體的能量方程總水頭=重力水頭+靜壓水頭+動壓水頭當(dāng)前第41頁\共有68頁\編于星期六\14點

上式中：

1-1，2-2過流斷面單位重量液體位能，也稱位置水頭

1-1，2-2過流斷面單位重量液體壓能，也稱壓強(qiáng)水頭

1-1，2-2過流斷面單位重量液體動能，也稱速度水頭單位重量液體通過流段1-2的平均能量損失，也稱水頭損失補(bǔ)充：重力水頭跟高度有關(guān)，靜壓水頭跟壓強(qiáng)有關(guān)，動壓水頭跟流體流速有關(guān)。當(dāng)前第42頁\共有68頁\編于星期六\14點補(bǔ)充位置水頭：計算點距基準(zhǔn)面0-0的位置高度;在水力學(xué)中,稱為位置水頭;它表征單位重量液體的位置勢能,簡稱單位位能。壓強(qiáng)水頭：單位重量水體從大氣壓為零點算起的以水柱高度表示的壓能。速度水頭：流速水頭是指因為流體的流動速度而具有的機(jī)械能，又稱動能。水頭損失：流在運(yùn)動過程中單位質(zhì)量液體的機(jī)械能的損失稱為水頭損失。產(chǎn)生水頭損失的原因有內(nèi)因和外因兩種，外界對水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的主要外因，液體的粘滯性是產(chǎn)生水頭損失的主要內(nèi)因，也是根本原因。當(dāng)前第43頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)1、總流能量方程中表示（

）。A.單位重量流體具有的機(jī)械能

B.單位質(zhì)量流體具有的機(jī)械能C.單位體積流體具有的機(jī)械能

D.通過過流斷面流體的總機(jī)械能2、應(yīng)用總流能量方程時，流動應(yīng)為（）。A.均勻流或漸變流B.恒定流C.非恒定流

D.可壓縮流體AB當(dāng)前第44頁\共有68頁\編于星期六\14點如圖所示垂直下泄恒定流水管，出口流速v=6m/s,管徑不變，上游斷面1-1高于出口斷面2-2,高差為4m,水頭損失不計，則上斷面1-1的壓強(qiáng)水頭為（）mH2O。A.4

B.6

C.5

D.-4練習(xí)D當(dāng)前第45頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)圖6-16所示一高壓噴嘴，噴嘴出口斷面1-1的平均流速為10m/s,噴至2-2斷面的平均流減少為1m/s,不計水頭損失，則噴射高度H為（）m。C當(dāng)前第46頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)水在截面不同的水平管中作穩(wěn)定流動，出口處的截面積為管的最細(xì)處的3倍。若出口處的流速為2m/s，問最細(xì)處的壓強(qiáng)為多少？若在此最細(xì)處開一小孔，水會不會流出來？由連續(xù)性方程S1v1=S2v2，得最細(xì)處的流速v2=6m/s，再由伯努利方程在水平管中的應(yīng)用，管的最細(xì)處的壓強(qiáng)為：P2=0.85×105?Pa小于大氣壓強(qiáng)1.01×105Pa，所以水不會流出來。當(dāng)前第47頁\共有68頁\編于星期六\14點作業(yè)水在粗細(xì)不均勻的水平管中作穩(wěn)定流動。已知截面S1處的壓強(qiáng)為110Pa，流速為0.2m/s，截面S2處的壓強(qiáng)為5Pa，求S2處的流速（內(nèi)摩擦不計）。當(dāng)前第48頁\共有68頁\編于星期六\14點

對于不可壓縮氣體，液體能量方程式同樣可以適用，并可簡化為：(二)實際氣體總流的能量方程式當(dāng)前第49頁\共有68頁\編于星期六\14點

第四節(jié)流動阻力和水頭損失一、流動阻力和水頭損失的兩種形式（一）沿程流動阻力和沿程水頭損失沿程阻力----流體在長管中流動，所受的摩擦阻力。沿程水頭損失----為了克服沿程阻力而消耗的單位重量流體的機(jī)械能量，以hf表示。當(dāng)前第50頁\共有68頁\編于星期六\14點

（二）局部阻力和局部水頭損失局部阻力------流體的邊界在局部地區(qū)發(fā)生急劇變化時，迫使主流脫離邊壁而形成漩渦，流體質(zhì)點間產(chǎn)生劇烈的碰撞，所形成的阻力。局部水頭損失------為了克服局部阻力而消耗的單位重量流體的機(jī)械能量，以hj表示。整個管道的總水頭損失為：當(dāng)前第51頁\共有68頁\編于星期六\14點

二、流動的兩種型態(tài)------層流和紊流當(dāng)前第52頁\共有68頁\編于星期六\14點

1.層流：流體成層成束地流動，各流層間并無質(zhì)點的摻混現(xiàn)象。2.紊流：流體的流速較大，質(zhì)點或液團(tuán)相互摻混的流體型態(tài)。3.流體流動型態(tài)的判別(以圓管有壓流為例）雷諾數(shù)-------層流雷諾數(shù)-------紊流注意：建筑設(shè)備工程中，絕大多數(shù)的流體運(yùn)動都處于紊流型態(tài)。

當(dāng)前第53頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)1、變直徑管流中，細(xì)斷面直徑d1，粗?jǐn)嗝嬷睆絛2=2d1，則粗細(xì)斷面雷諾數(shù)關(guān)系是

。2、有兩個圓形管道，管徑不同，輸送的液體也不同，則流態(tài)判別數(shù)（雷諾數(shù)）不相同。（判斷題）X當(dāng)前第54頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)1、有一水煤氣焊接鋼管，長度l=200mm，直徑d=100mm。試求流量Q=20L/s，水溫15攝氏度時，該管中水流為層流還是端流？提示：由公式，可得斷面平均速度。當(dāng)前第55頁\共有68頁\編于星期六\14點作業(yè)1、什么是層流和紊流？怎樣判別水流的流態(tài)？2、某管道直徑d=50mm，通過溫度為10攝氏度燃料油，燃料油的運(yùn)動粘滯系數(shù)v=5.16×10-6m2/s，試求保持層流狀態(tài)的最大流量Qmax。當(dāng)前第56頁\共有68頁\編于星期六\14點

（三）沿程水頭損失采用半經(jīng)驗公式：為沿程阻力系數(shù)，它是反映邊界粗糙情況和流態(tài)對水頭損失影響的一個系數(shù)。的確定方法：層流：紊流：當(dāng)前第57頁\共有68頁\編于星期六\14點

實際工程中，根據(jù)具體情況采用不同的經(jīng)驗公式或查圖表（莫迪圖）。當(dāng)前第58頁\共有68頁\編于星期六\14點

（四）局部水頭損失計算公式為：式中：-----局部阻力系數(shù)，根據(jù)管配件、附件不同，由實驗測出，可查閱有關(guān)手冊。（五）總水頭損失當(dāng)前第59頁\共有68頁\編于星期六\14點當(dāng)前第60頁\共有68頁\編于星期六\14點當(dāng)前第61頁\共有68頁\編于星期六\14點當(dāng)前第62頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)1、有一水煤氣焊接鋼管，長度l=200mm，直徑d=100mm。試求流量Q=20L/s，水溫15攝氏度時，該管的沿程水頭損失？已求參數(shù)：阻力系數(shù)：沿程水頭損失：當(dāng)前第63頁\共有68頁\編于星期六\14點練習(xí)