第一章-流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)課件

目錄流體主要的力學(xué)性質(zhì)1流體靜力學(xué)基本概念2流動(dòng)阻力與能量損失4流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)33Back流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)流體力學(xué)是研究流體運(yùn)動(dòng)和平衡規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)。流體主要是指具有流動(dòng)特性的物體如：液體、氣體等。流體的流動(dòng)性是流體的最基本的特性，流動(dòng)性是指流體不能承受切向力，如果有切向力存在，即使切向力很微小，流體也會(huì)發(fā)生變形。流體的流動(dòng)性主要是由其力學(xué)性質(zhì)決定的，流體的主要力學(xué)性質(zhì)有：1.質(zhì)量密度和重力密度；2.流體的黏滯性3.流體的壓縮性和熱脹性1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)從微觀上講，流體是由大量的彼此之間有一定間隙的單個(gè)分子所組成，而且分子總是處于隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從宏觀上講，流體視為由無(wú)數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）組成的連續(xù)介質(zhì)。所謂質(zhì)點(diǎn)，是指由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但卻遠(yuǎn)大于分子自由程。這些質(zhì)點(diǎn)在流體內(nèi)部緊緊相連，彼此間沒(méi)有間隙，即流體充滿所占空間，稱為連續(xù)介質(zhì)。1.1.1連續(xù)介質(zhì)假設(shè)1.易流動(dòng)性流體這種在靜止時(shí)不能承受切應(yīng)力和抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為易流動(dòng)性

2.質(zhì)量密度單位體積流體的質(zhì)量稱為流體的密度，即ρ=m/V3.重量密度流體單位體積內(nèi)所具有的重量稱為重度或容重，以γ表示。γ=G/V1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)1.1.2流體的主要力學(xué)性質(zhì)質(zhì)量密度與重量密度的關(guān)系為：

γ=G/V=mg/V=ρg4.粘性表明流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力阻礙流體質(zhì)點(diǎn)或流層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性稱為粘性，內(nèi)摩擦力稱為粘滯力。粘性是流動(dòng)性的反面，流體的粘性越大，其流動(dòng)性越小。平板間液體速度變化如圖1.1所示。實(shí)際流體在管內(nèi)的速度分布如圖1.2所示。1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定的流體，內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差du成正比，與兩層之間的垂直距離dy成反比，與兩層間的接觸面積A成正比，即

F=μAdu/dy（1-4）通常情況下，單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為剪應(yīng)力，以τ表示，單位為Pa，則式（1-4）變?yōu)?/p>

τ=μdu/dy（1-5）式（1-4）、式（1-5）稱為牛頓粘性定律，表明流體層間的內(nèi)摩擦力或剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比。1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)5.壓縮性和膨脹性流體體積隨著壓力的增大而縮小的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。流體體積隨著溫度的增大而增大的性質(zhì)，稱為流體的膨脹性。液體與氣體的壓縮性和膨脹性的區(qū)別：（1）液體是不可壓縮流體，液體具有膨脹性；（2）氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性。1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)Back圖1.1平板間液體速度變化1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)Back圖1.2實(shí)際流體在管內(nèi)的速度分布1.1流體主要的力學(xué)性質(zhì)1.2流體靜力學(xué)基本概念

處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的流體，由于本身的重力或其他外力的作用，在流體內(nèi)部及流體與容器壁面之間存在著垂直于接觸面的作用力，這種作用力稱為靜壓力。單體面積上流體的靜壓力稱為流體的靜壓強(qiáng)。若流體的密度為ρ，則液柱高度h與壓力p的關(guān)系為：

p=ρgh以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱為絕對(duì)壓力，它是流體的真實(shí)壓力；以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱為表壓或真空度、相對(duì)壓力，它是在把大氣壓強(qiáng)視為零壓強(qiáng)的基礎(chǔ)上得出來(lái)的。絕對(duì)壓強(qiáng)是以絕對(duì)真空狀態(tài)下的壓強(qiáng)（絕對(duì)零壓強(qiáng)）為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng);表壓強(qiáng)簡(jiǎn)稱表壓，是指以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮簽槠瘘c(diǎn)計(jì)算的壓強(qiáng)。兩者的關(guān)系為：

絕對(duì)壓=大氣壓+表壓1.2.1絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)1.2流體靜力學(xué)基本概念1.2流體靜力學(xué)基本概念圖1.3絕對(duì)壓力、表壓與真空度的關(guān)系假如一容器內(nèi)裝有密度為ρ的液體，液體可認(rèn)為是不可壓縮流體，其密度不隨壓力變化。在靜止的液體中取一段液柱，其截面積為A，以容器底面為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下端面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1和z2，那么作用在上、下兩端面的壓力分別為p1和p2。1.2.2流體靜力學(xué)平衡方程1.2流體靜力學(xué)基本概念1.2.2.1靜力學(xué)基本方程重力場(chǎng)中在垂直方向上對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：(1)上端面所受總壓力P1=p1A，方向向下；(2)下端面所受總壓力P2=p2A，方向向上；(3)液柱的重力G=ρgA(z1-z2),方向向下。液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力應(yīng)為零，即

p2A-p1A-ρgA(z1-z2)=0

整理并消去A，得

p2=p1+ρg(z1-z2)(壓力形式)（1-8）1.2流體靜力學(xué)基本概念變形得

p1/ρ+z1g=p2/ρ+z2g(能量形式)（1-9）若將液柱的上端面取在容器內(nèi)的液面上，設(shè)液面上方的壓力為pa，液柱高度為h，則式（1-8）可改寫為

p2=pa+ρgh（1-10）式（1-8）、式（1-9）及式（1-10）均稱為靜力學(xué)基本方程，其物理意義在于：在靜止流體中任何一點(diǎn)的單位位能與單位壓能之和(即單位勢(shì)能)為常數(shù)。1.2流體靜力學(xué)基本概念靜壓強(qiáng)的方向性流體具有各個(gè)方向上的靜壓強(qiáng)。流體內(nèi)部任意一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)的大小與其作用的方向無(wú)關(guān)。流體的靜壓強(qiáng)僅與其高度或深度有關(guān)，而與容器的形狀及放置位置、方式無(wú)關(guān)。1.2.2.2靜壓強(qiáng)的特性1.2流體靜力學(xué)基本概念1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.流線和跡線

流線是指同一時(shí)刻不同質(zhì)點(diǎn)所組成的運(yùn)動(dòng)的方向線。

跡線是指同一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)在空間運(yùn)動(dòng)中所形成的軌跡線，它給出了同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)間的速度的方向。1.3.第一章流體運(yùn)動(dòng)的基本概念圖1.42.流管、過(guò)流斷面、元流和總流在流場(chǎng)內(nèi)作一非流線且不自閉相交的封閉曲線，在某一瞬時(shí)通過(guò)該曲線上各點(diǎn)的流線構(gòu)成一個(gè)管狀表面，稱流管。在流體中取一封閉垂直于流向的平面，在其中劃出極微小面積，則其微小面積的周邊上各點(diǎn)都和流線正交，這一橫斷面稱為過(guò)流斷面。若流管的橫截面無(wú)限小，則稱其為流管元，亦稱為元流。過(guò)流斷面內(nèi)所有元流的總和稱為總流。1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)3.流量流體流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)過(guò)流斷面的流體體積稱為流體的體積流量，一般用Q表示，單位為L(zhǎng)/s。單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，以ms表示，單位為kg/s或kg/h。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：

ms=Qρ體積流量、過(guò)流斷面面積A與流速u之間的關(guān)系為:

Q=Au1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.根據(jù)流動(dòng)要素(流速與壓強(qiáng))與流行時(shí)間來(lái)進(jìn)行分類（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。（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)稱為非恒定流。1.3.2流體運(yùn)動(dòng)的分類1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.根據(jù)流體流速的變化來(lái)進(jìn)行分類（1）均勻流在給定的某一時(shí)刻，各點(diǎn)速度都不隨位置而變化的流體運(yùn)動(dòng)稱為均勻流。（2）非均勻流流體中相應(yīng)點(diǎn)流速不相等的流體運(yùn)動(dòng)稱為非均勻流。1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)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)有自由面者稱為有壓流或壓力流。一般供水、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，但有自由液面者稱為無(wú)壓流或重力流，如河流、明渠排水管網(wǎng)系統(tǒng)等。1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)（3）射流流體經(jīng)由孔口或管嘴噴射到某一空間，由于運(yùn)動(dòng)的流體脫離了原來(lái)的限制它的固體邊界，在充滿流體的空間繼續(xù)流動(dòng)的這種流體運(yùn)動(dòng)稱為射流，如噴泉、消火栓等噴射的水柱。1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4.流體流動(dòng)的因素（1）過(guò)流斷面流體流動(dòng)時(shí)，與其方向垂直的斷面稱為過(guò)流斷面，單位為m2。在均勻流中，過(guò)流斷面為一平面。（2）平均流速在不能壓縮和無(wú)粘滯性的理想均勻流中，流速是不變的。1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

如圖1-5所示的定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，流體連續(xù)地從1—1截面進(jìn)入，從2—2截面流出，且充滿全部管道。以1—1、2—2截面以及管內(nèi)壁為衡算范圍，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下，單位時(shí)間進(jìn)入截面1—1的流體質(zhì)量與單位時(shí)間流出截面2—2的流體質(zhì)量必然相等，即

ms1=ms2(1-15)或ρ1u1A1=ρ2u2A2

(1-16)1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.3.3定態(tài)流體系統(tǒng)的質(zhì)量守恒－連續(xù)性方程推廣至任意截面，有

ms=ρ1u1A1=ρ2u2A2=…=ρuA=常數(shù)(1-17)式（1-15）～式(1-17)均稱為連續(xù)性方程，表明在定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)各截面時(shí)的質(zhì)量流量恒定。對(duì)不可壓縮流體，ρ＝常數(shù)，連續(xù)性方程可寫為:

Vs=u1A1=u2A2=…=uA=常數(shù)(1-18)對(duì)于圓形管道，式（1-18）可變形為

u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2

(1-19)1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)【例1.1】如圖1-6所示，管路由一段Φ89mm×4mm的管1、一段Φ108mm×4mm的管2和兩段Φ57mm×3.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9×10-3m3/s的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)圖1-6【解】管1的內(nèi)徑為:d1=89-2×4=81(mm)則水在管1中的流速為:u1=1.75(m/s)管2的內(nèi)徑為:d2=108-2×4=100(mm)由式（1-19），則水在管2中的流速為:u2=1.15(m/s)管3a及3b的內(nèi)徑為:d3=57-2×3.5=50(mm)因水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有u2A2=2u3A3即水在管3a和3b中的流速為:u3=2.30(m/s)1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)圖1-5連續(xù)性方程的推導(dǎo)Back1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)在理想流動(dòng)的管段上取兩個(gè)斷面1—1和2—2，兩個(gè)斷面的能量之和相等，即假設(shè)從1—1斷面到2—2斷面流動(dòng)過(guò)程中損失為h，則實(shí)際流體流動(dòng)的伯努利方程為1.3.4能量守恒定律－伯努利方程【例1.2】如圖1-7所示，要用水泵將水池中的水抽到用水設(shè)備，已知該設(shè)備的用水量為60m3/h，其出水管高出蓄水池液面20m，水壓為200kPa。如果用直徑d＝100mm的管道輸送到用水設(shè)備，試確定該水泵的揚(yáng)程需要多大才可以達(dá)到要求？1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)圖1-71.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)【解】（1）取蓄水池的自由液面為1—1斷面，取用水設(shè)備出口處為2—2斷面。（2）以1—1斷面為基準(zhǔn)液面，根據(jù)伯努利方程列出兩個(gè)斷面的能量方程：式中Z1=0，P1=0，u1=0;Z2＝20m，P2＝200kPa，且u2=Q/A=4Q/(πD)=60×4/(3.14×0.01×3600)=2.12(m/s)

1.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)故水泵的揚(yáng)程為:

1.4流動(dòng)阻力與能量損失如圖1-8所示，流體在水平等徑直管中作定態(tài)流動(dòng)。在1—1截面和2—2截面間列伯努利方程，得1.4.第一章流體在管道中的流動(dòng)阻力圖1-8因是直徑相同的水平管，u1=u2,Z1=Z2，故

Wf=(P1-P2)/ρ（1－22）若管道為傾斜管，則

Wf=(P1/ρ+Z1g)-(P2/ρ+Z2g)（1－23）由此可見(jiàn)，無(wú)論是水平安裝還是傾斜安裝，流體的流動(dòng)阻力均表現(xiàn)為靜壓能的減少，僅當(dāng)水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。1.4流動(dòng)阻力與能量損失1.4流動(dòng)阻力與能量損失1.沿程損失

流體在直管段中流動(dòng)時(shí)，管道壁面對(duì)于流體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙其運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力（沿程阻力），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。通常采用達(dá)西-維斯巴赫公式計(jì)算，即1.4.2沿程損失和局部損失1.4流動(dòng)阻力與能量損失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)情況發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)有阻礙運(yùn)動(dòng)的局部阻力產(chǎn)生，為克服局部阻力所引起的能量損失稱為局部損失。計(jì)算公式為：

hj=ξu2/(2g)

流體在流動(dòng)過(guò)程中的總損失等于各個(gè)管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的所有沿程損失和局部損失之和，即

h=∑hl+∑hj

【例1.3】如圖1-7所示，若蓄水池至用水設(shè)備的輸水管的總長(zhǎng)度為30m，輸水管的直徑均為100mm，沿程阻力系數(shù)為λ=0.05，局部阻力有：水泵底閥一個(gè)，ξ=7.0；90°彎頭四個(gè)，ξ=1.5；水泵進(jìn)出口一個(gè)，ξ=1.0；止回閥一個(gè)，ξ=2.0;閘閥兩個(gè)，ξ=1.0;用水設(shè)備處管道出口一個(gè)，ξ=1.5。試求:（1）輸水管路的局部損失；（2）輸水管道的沿程損失;（3）輸水管路的總水頭損失;（4）水泵揚(yáng)程的大小。1.4流動(dòng)阻力與能量損失【解】由于從蓄水池到用水設(shè)備的管道的管徑不變，均為100mm，因此，總的局部水頭損失為：

hj=∑ξu2/(2g)=4.47(m)整個(gè)管路的沿程損失為：

hl=λLu2/(d2g)=3.45(m)輸水管路的總損失為：

h=hj+hl=4.47+3.45=7.92(m)水泵的總揚(yáng)程為：

hb=40.92+h=40.92+7.92=48.84(m)1.4流動(dòng)阻力與能量損失1.4流動(dòng)阻力與能量損失圖1-7Back【例題】圓管直徑mm，管長(zhǎng)m，輸送運(yùn)動(dòng)粘度cm2/s的石油，流量m3/h，求沿程損失?！窘狻颗袆e流動(dòng)狀態(tài)為層流式中（m/s）

（m

油柱）

【例題】輸送潤(rùn)滑油的管子直徑8mm，管長(zhǎng)15m，如圖6-12所示。油的運(yùn)動(dòng)粘度m2/s，流量12cm3/s，求油箱的水頭（不計(jì)局部損失）。

圖示潤(rùn)滑油管路

（m/s）

雷諾數(shù)

為層流列截面1-1和2-2的伯努利方程認(rèn)為油箱面積足夠大，取(m)

，則書上例題P191.5孔口、管嘴出流及兩相流體簡(jiǎn)介一、孔口出流液體經(jīng)容器壁上孔口流出的水力現(xiàn)象。孔口分類：大孔口H/d＜10小孔口H/d≥10流動(dòng)分類：恒定和非恒定出流出流分類：自由出流和淹沒(méi)出流收縮分類：完善收縮和不完善收縮薄壁：出孔水流與孔壁僅在周線上接觸，即孔壁厚度對(duì)出孔水股沒(méi)有影響。小孔口：H/d>101)小孔口的自由出流

pc=pa=0

薄壁小孔口自由出流的基本公式

1、薄壁小孔口恒定出流薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù)①流速系數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得孔口流速系數(shù)=