流體力學(xué)知識(shí)

流體力學(xué)知識(shí)2023/8/241第1頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、流體的概念液體和氣體易于流動(dòng)，統(tǒng)稱為流體。二、流體力學(xué)的概念研究流體平衡與運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)2023/8/242第2頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、流體的主要物理性質(zhì)1、密度及比容：

物體單位容積所具有的質(zhì)量稱為密度；而密度的倒數(shù)即單位質(zhì)量的容積稱為比容2023/8/243第3頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、容重或重度物體單位容積的重量2023/8/244第4頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、流體的壓縮性及膨脹性1）壓縮性：流體的容積與壓強(qiáng)的變化成反比的性質(zhì)2）膨脹性：容積與溫度變化成比例的性質(zhì)2023/8/245第5頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液體的壓縮性及膨脹性很小、在很多工程技術(shù)常忽略不計(jì)，對(duì)工程計(jì)算誤差影響甚小。但在熱水工程中為了保證運(yùn)行安全，還是應(yīng)考慮其膨脹性，如在熱水工程中設(shè)膨脹水箱、安全閥等。2023/8/246第6頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體具有顯著的壓縮性和膨膿性，其容重、壓強(qiáng)和熱力學(xué)溫度三者的關(guān)系如下式：對(duì)于流速較低的氣體，在壓強(qiáng)及溫度變化不大時(shí)，其容重的變化也比較小，在一般工程應(yīng)用中可視為常數(shù)。

2023/8/247第7頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、易流性流體的形狀隨容器形狀的不同而改變，這是由于流體不能承受剪力所形成的，這種性質(zhì)稱為易流性。液體在重力作用下．由高處向低處流，易流性是改變液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素。

2023/8/248第8頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、粘滯性流體在運(yùn)動(dòng)中，由于分子問(wèn)的動(dòng)量交換和分子間的作用力會(huì)引起內(nèi)摩擦阻力，這種性質(zhì)稱為流體的粘滯性。粘滯性的大小隨流體的種類及所處的外界條件而不同。例如流體中的水與重油，溫度的高低都影響其粘滯性的變化。牛頓試驗(yàn)研究提出與粘滯性有關(guān)的內(nèi)摩擦定律為

2023/8/249第9頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2410第10頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2411第11頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、計(jì)量單位1、國(guó)際單位1）基本單位：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量、電流和發(fā)光強(qiáng)度7種物理量的單位。其中與流體力學(xué)及傳熱學(xué)有關(guān)的是前5種相應(yīng)的單位名稱和符號(hào)為米(m)、千克(kg)、秒(s)、開(kāi)爾文（k）、摩[爾](mol)，2023/8/2412第12頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）導(dǎo)出量和導(dǎo)出單位均以基本量和基本單位表示，如速度為m／s、密度為kg／m3、耗熱量為w等。

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2023/8/2413第13頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、工程單位1）基本單位工程單位以力(kg)、長(zhǎng)度(m)及時(shí)間(s)三個(gè)物理量為基本量其他的物理單位均以基本量表示如密度為kg／m3、速度為m／s、容重為kg／m3、壓強(qiáng)為kg／cm2及熱量(cal)等2023/8/2414第14頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二章流體靜力學(xué)一、流體靜力學(xué)概念研究流體靜止或平衡時(shí)的力學(xué)規(guī)律及其工程應(yīng)用的科學(xué)。由于靜止流體無(wú)相對(duì)速度，不呈現(xiàn)粘滯性，不存在切力，也不能承受拉力，故其所受的力只能是壓力。

2023/8/2415第15頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、壓強(qiáng)在靜水中，取一微小面積Δw,其上作用靜水壓力ΔP，則面積上的平均壓強(qiáng)

2023/8/2416第16頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2417第17頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、靜止流體壓強(qiáng)的兩個(gè)特性：(1)靜止壓強(qiáng)的方向必然沿著作用面的內(nèi)法線方向，即垂直指向作用面。這是因?yàn)殪o止流體內(nèi)的應(yīng)力只能是壓應(yīng)力；(2)流體中任一點(diǎn)靜水壓強(qiáng)的大小與作用的方向無(wú)關(guān)。換言之，一點(diǎn)上各個(gè)方向的壓強(qiáng)均相等。這是因?yàn)殪o止流體中某一點(diǎn)受四面八方的壓應(yīng)力而達(dá)到平衡。

2023/8/2418第18頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、流體靜力學(xué)基本方程2023/8/2419第19頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2420第20頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章流體動(dòng)力學(xué)一、動(dòng)力學(xué)的基本原理流體動(dòng)力學(xué)是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。在流體靜力學(xué)中．壓強(qiáng)只與水深有關(guān)，或者說(shuō)與所處空間位置有關(guān)在流體動(dòng)力學(xué)中，壓強(qiáng)還與運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)

2023/8/2421第21頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、流體運(yùn)動(dòng)的基本概念流體運(yùn)動(dòng)是由無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)所組成的，且各質(zhì)點(diǎn)之間都有力相互作用，質(zhì)點(diǎn)上的力和其本身的運(yùn)動(dòng)存在一定的規(guī)律性，找到其原因，就可以解決運(yùn)動(dòng)中的問(wèn)題。下邊介紹流體運(yùn)動(dòng)中的幾個(gè)基本概念。2023/8/2422第22頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、流線液流中同一瞬間由許多質(zhì)點(diǎn)組成的曲線，該曲線上任一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的流速方向，它形象地描繪了該瞬時(shí)整個(gè)液流的流動(dòng)情況(圖3—1)2023/8/2423第23頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、流管在液流中取一封閉垂直于流向的平面，在其中劃出權(quán)微小面積，則其周邊上各點(diǎn)的流線構(gòu)成流管3、流束流管內(nèi)流線的總和4、股流充滿流管內(nèi)的流體2023/8/2424第24頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、過(guò)流斷面在股流上垂直于所有流線的截面。其形狀隨流線形狀而定．可能是平面或曲面。6、元流與總流過(guò)流斷面為無(wú)限小時(shí)的流束稱為元流過(guò)流斷面為有限大時(shí)的流束稱為總流。2023/8/2425第25頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、流體運(yùn)動(dòng)的分類流體運(yùn)動(dòng)受其物性和邊界條件的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況。常根據(jù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分類。

2023/8/2426第26頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．根據(jù)流動(dòng)要素(流速與壓強(qiáng))與流行時(shí)間分類1）恒定流流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的流速與壓強(qiáng)不隨時(shí)間變化，而僅與所處位置有關(guān)的流體流動(dòng)稱為恒定流。在這種流動(dòng)中．流線與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡相重合。2）非恒定流運(yùn)動(dòng)流體各質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)要素隨時(shí)間而改變的運(yùn)動(dòng)則稱為非恒定流，水位隨水的放出而不斷改變的水流運(yùn)動(dòng)。

非恒定流的情況較復(fù)雜，以后一般問(wèn)題多為恒定流的。2023/8/2427第27頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．根據(jù)流體流速變化分類1）均勻流流體流速的大小和方向沿流線不變的水流稱為均勻流。這種穩(wěn)定流動(dòng)的流線為相互平行的直線，在輸送流體的等管徑管道內(nèi)的液流即屬于均勻流。2）非均勻流流體過(guò)流斷面沿程改變或流動(dòng)方向變化，會(huì)使同一流線上的各點(diǎn)流速大小和方向發(fā)生變化．這種流動(dòng)稱為非均勻流。在管道上擴(kuò)大或縮小處的水流運(yùn)動(dòng)即為非均勻流。在非均勻流中，若流線幾乎是平行的且接近直線對(duì)稱為漸變流，過(guò)流斷面可認(rèn)為是平面；不能滿足漸變流條件的非均勻流即為急變流。2023/8/2428第28頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、按液流運(yùn)動(dòng)接觸的壁面情況分類1）有壓流流體過(guò)流斷面的周界為壁面包圍，沒(méi)有自由面為有壓流或壓力流。——般供水、供熱管道均為壓力流。

2）無(wú)壓流流體過(guò)流斷面的壁和底均為壁面包圍，但有自由面者稱為無(wú)壓流或重力流。如河流、明渠等。3）射流不受壁面約束的液流，如噴泉、消火桂等噴射的水柱。2023/8/2429第29頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、流體流動(dòng)的因索1、過(guò)流斷面流體流過(guò)通道的斷面積稱為過(guò)流斷面，單位為m2。在均勻流，過(guò)流斷面為一平面。2023/8/2430第30頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．平均流速在不能壓縮及無(wú)粘滯性的理想均勻流中，流速是不變的。但在實(shí)際工程中，流體與流道壁間存在著摩阻力，過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速是不等的，靠近壁處阻力大、流速小，近中心處流速大(圖3—2)。2023/8/2431第31頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為計(jì)算方便，常取過(guò)流斷面上的平均流速

2023/8/2432第32頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、流量2023/8/2433第33頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、流體運(yùn)動(dòng)的基本方程1、連續(xù)性方程2023/8/2434第34頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、能量方程2023/8/2435第35頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2436第36頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2437第37頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2438第38頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2439第39頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四章流體流動(dòng)阻力

流體具有不同的粘滯性，在流動(dòng)中為了克服阻力而消耗的能量稱為阻力損失。阻力損失值視流體的流行形態(tài)而不同，因此計(jì)算流體的阻力損失．應(yīng)了解水流的形態(tài)。2023/8/2440第40頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、流體的流動(dòng)形態(tài)流體在流動(dòng)中，由于流速不同而呈現(xiàn)出兩種不同的流動(dòng)形態(tài)——層流和紊流。1、層流與紊流在一端裝有閥門的長(zhǎng)玻璃管中充滿水，稍開(kāi)啟閥門放水，并由小管注入有顏色水流，則可見(jiàn)管內(nèi)顏色水成一穩(wěn)定細(xì)梳，這種流型稱為層流。當(dāng)閥門開(kāi)大，水流速增加時(shí)，管中有色線產(chǎn)生振蕩被動(dòng)．再開(kāi)大閥門到一定程度，流速增大，水流中色線摻混紊亂，此時(shí)稱為紊流。

2023/8/2441第41頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、雷諾數(shù)英國(guó)物理學(xué)家雷諾曾作過(guò)試驗(yàn)并得到判斷流型的計(jì)算式，稱為雷諾公式：

2023/8/2442第42頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2443第43頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、沿程損失和局部損失1）沿程損失

流體流動(dòng)中為克服摩擦阻力而損耗的能量稱為沿程損失。沿程阻力損失與長(zhǎng)度、粗糙度及流速的平方成正比，而與管徑成反比，通常采用達(dá)西一維斯巴赫公式計(jì)算：2023/8/2444第44頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）局部損失流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)斷面變化處、轉(zhuǎn)向處、分支或其他使流體流動(dòng)情況改變時(shí)，均能引起能量損失，這種由局部變化引起的阻力損失稱為局部損失。計(jì)算公式為

2023/8/2445第45頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）管道總阻力2023/8/2446第46頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五章傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)。凡是有溫差處，就有熱量從高溫物體傳向低溫物體，在自然界和生產(chǎn)技術(shù)中，傳熱是一種普遍現(xiàn)象。2023/8/2447第47頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、傳熱的分類根據(jù)物體溫度與時(shí)間的變化關(guān)系1、穩(wěn)定熱傳遞物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而改變的熱傳遞過(guò)程2、非穩(wěn)定熱傳遞物體中各點(diǎn)溫度隨時(shí)間而改變的。以后討論的多為穩(wěn)定熱傳遞過(guò)程。2023/8/2448第48頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、基本概念1、壓力2、熱熱是由物體外界溫度不同，通過(guò)邊界而傳遞的能量，是物體間（內(nèi)）通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)相傳遞的能量。給物體加熱，實(shí)際就是增加使物體分子運(yùn)動(dòng)的能量，物體的溫度就將升高，反之使物體散熱減小分子運(yùn)動(dòng)的能量，物體溫度降低。

2023/8/2449第49頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、溫度2023/8/2450第50頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4、熱膨脹物體受熱，溫度升高，長(zhǎng)度增長(zhǎng)、體積增大。這種因?yàn)闇囟仍黾佣洿蟮默F(xiàn)象稱熱膨脹。這是物質(zhì)內(nèi)能增加使分子間隔增大的結(jié)果線膨脹指溫度增加后在長(zhǎng)度方向的增長(zhǎng)。線膨脹系數(shù)：

。體積膨脹系數(shù)：將上述公式中的L改為V2023/8/2451第51頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、比容或比熱2023/8/2452第52頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、傳熱方式物體的傳熱方式可分為三種導(dǎo)熱對(duì)流輻射2023/8/2453第53頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、導(dǎo)熱由于物體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)而將熱量由高溫部傳遞到低溫部，這種熱傳遞過(guò)程稱為導(dǎo)熱過(guò)程2023/8/2454第54頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、對(duì)流兩種概念：1）流體各部分之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞方式。對(duì)流發(fā)生在流體內(nèi)部。2）工程上常遇到的情況是流動(dòng)著的流體與其溫度不同的固體壁面接觸時(shí)的熱交換運(yùn)動(dòng)，這種換熱也稱為對(duì)流換熱。我們主要研究的對(duì)象。如果流體是在外力，如風(fēng)機(jī)、水泵的作用下運(yùn)動(dòng)，這種對(duì)流換熱稱為強(qiáng)制對(duì)流換熱；如果沒(méi)有外力作用，僅由部分流體受熱膨脹，密度減小產(chǎn)生浮力流動(dòng)換熱稱為自然對(duì)流換熱。2023/8/2455第55頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)流換熱的計(jì)算可采用牛頓換熱式：2023/8/2456第56頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熱輻射物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱能量的方式稱熱輻射.它與導(dǎo)熱和對(duì)流換熱不同，熱輻射不需中間媒介物質(zhì)，故可在真空中進(jìn)行。黑體的輻射能在同溫度物體中為最大。黑體單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量與其絕對(duì)溫度2023/8/2457第57頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、熱媒的性質(zhì)最常用的熱媒是水、蒸汽及熱空氣1、水水在傳熱學(xué)中的有關(guān)性質(zhì)如下：（1）水的壓縮性及膨脹性。水的壓縮性很小，一般情況下可視為不可壓縮體。但其膨脹卻不可忽視。水的體膨脹系數(shù)約為0．0006，若不考慮加熱后的體積膨脹，則將脹破加熱設(shè)備。此外。0度的水結(jié)冰，體積將增大約11％，會(huì)產(chǎn)生巨大脹力，對(duì)自然界物質(zhì)及生活生產(chǎn)都有極大的影響。

2023/8/2458第58頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2459第59頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/2460第60頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、蒸汽2023/8/2461第61頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可以用為加熱其他物體、如熱交換器的熱媒體。

(2)過(guò)熱蒸汽。將飽和蒸汽再加熱，溫度即升高，壓力也增大，這種蒸汽為過(guò)熱蒸汽。低壓蒸汽：一般壓力小于70kPa．高壓蒸汽：壓力大于70kPa的蒸汽。適用于作動(dòng)力源，一般不作熱源。2023/8/2462第62頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．蒸汽的性質(zhì)(1)汽化熱或潛熱。飽和水再加熱即轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽，需要吸取的汽化熱2260J／kg．凝結(jié)為飽和水時(shí)放出同樣的熱量是加熱水或暖房時(shí)所需的主要熱量來(lái)源2023/8/2463第63頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)蒸汽的比熱容。蒸汽的比熱容較熱水大得多，如在相對(duì)壓力為0時(shí)，其比熱容較飽和水大1700倍。因此，在計(jì)算供熱管道系統(tǒng)中，蒸汽的流速也可高得多，而不會(huì)有過(guò)大的阻力損失。同時(shí)，由于比熱容大，密度小，在高層建筑供熱時(shí)．也不會(huì)產(chǎn)生很大的靜壓力。2023/8/2464第64頁(yè)，課件共73頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)狀態(tài)參數(shù)蒸汽的狀態(tài)參數(shù)是表現(xiàn)其在熱力特性方面的物理量。這些參數(shù)有溫度、比熱容