《流體力學(xué)與流體機(jī)械》 課件全套 模塊1-9 流體的性質(zhì)-空氣壓縮設(shè)備

流體力學(xué)與流體機(jī)械演講人模塊一

流體的性質(zhì)模塊一流體的性質(zhì)在研究流體運(yùn)動之前，必須先了解流體及物理、力學(xué)性質(zhì)以及流體上的作用力及其影響因素。本模塊首先介紹流體力學(xué)的研究方法及主要任務(wù)；其次介紹表征流體慣性的密度和重度，論述反映流體物理性質(zhì)的壓縮性、膨脹性及影響流體流動和阻力特性的黏性；最后介紹了作用在流體上的力的分類及其特性等。項(xiàng)目一

流體力學(xué)及其任務(wù)項(xiàng)目一流體力學(xué)及其任務(wù)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解流體力學(xué)的研究對象、研究方法、主要任務(wù)及發(fā)展現(xiàn)狀；

掌握流體的特征和對微觀流體的處理方法——連續(xù)介質(zhì)假說。連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型概念：

流體力學(xué)是研究流體的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是力學(xué)的分支學(xué)科。主要研究流體在平衡和運(yùn)動時(shí)的壓力分布、速度分布、與固體之間的相互作用以及流動過程中的能量損失等。流體力學(xué)的內(nèi)容包括三個(gè)基本部分：流體靜力學(xué)、流體運(yùn)動學(xué)和流體動力學(xué)。目前流體力學(xué)已經(jīng)發(fā)展出許多分支，如：《環(huán)境流體力學(xué)》、《化學(xué)流體力學(xué)》、《高溫氣體力學(xué)》、《非牛頓流體力學(xué)》、《工業(yè)流體力學(xué)》、《流體動力學(xué)》、《空氣動力學(xué)》、《實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)》等。在公路與橋梁工程，地下建筑、巖土工程、水工建筑、礦井建筑等土木工程等各個(gè)分支中，也只有掌握好流體的各種力學(xué)性質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律，才能有效地、正確地解決工程實(shí)際中所遇到的各種流體力學(xué)問題。連續(xù)介質(zhì)假說

在流體力學(xué)中假設(shè)流體是一種由密集質(zhì)點(diǎn)（大小與流動空間相比微不足道，又含有大量分子、具有一定質(zhì)量的流體微元）組成、內(nèi)部無空隙的連續(xù)體。流體力學(xué)研究流體宏觀機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，也就是大量分子隨機(jī)平均的規(guī)律性。1755年瑞士數(shù)學(xué)家和力學(xué)家歐拉首先提出，把流體當(dāng)作是由密集質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的、內(nèi)部無間隙的連續(xù)流體來研究，這就是連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。提出連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，是為了擺脫分子運(yùn)動的復(fù)雜性，對流體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的簡化。按連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，流體運(yùn)動物理量都可視為空間坐標(biāo)的時(shí)間變量的連續(xù)函數(shù)，這樣就能用數(shù)學(xué)分析方法來研究流體運(yùn)動連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)用于一般流動是合理有效的。但是對于某些特殊問題，如研究在高空稀薄氣體中的物體運(yùn)動，分子平均自由程度很大，與物體特征長度尺度相比為同量級，則不能使稀薄氣體為連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)模型

連續(xù)介質(zhì)模型就是利用連續(xù)介質(zhì)假定所建立的模型。在這個(gè)模型中，不關(guān)注分子的存在和分子的運(yùn)動，所關(guān)心的只是連續(xù)分布的質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)固然是由分子所組成，但它不反映個(gè)別分子的運(yùn)動，卻反映并代表整體分子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)平均特性。當(dāng)引用這樣的模型——連續(xù)介質(zhì)來代替所研究的流體時(shí)，則流體中的一切力學(xué)特性如速度、壓力、密度等都可看作為空間位置坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，使我們在解決流體力學(xué)問題時(shí)，就有可能利用數(shù)學(xué)工具來處理。流體力學(xué)的研究方法

同一切的科學(xué)研究方法一樣，流體力學(xué)的研究方法也是從實(shí)踐到理論再到實(shí)踐的研究方法，要經(jīng)過不斷而反復(fù)的過程，才能使流體力學(xué)得以不斷地發(fā)展和提高。流體力學(xué)的研究方法主要有為理論分析法、科學(xué)實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算法三種。理論分析法

通過對流體物理性質(zhì)和流動特征的科學(xué)抽象，提出合理的理論模型。對這樣的理論模型，根據(jù)物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動的普遍規(guī)律，建立控制流體運(yùn)動的閉合方程組，將實(shí)際的流動問題，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，在相應(yīng)的邊界條件和初始條件下求解。理論研究方法的關(guān)鍵在于提出理論模型，并能運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果，達(dá)到揭示運(yùn)動規(guī)律的目的。但由于數(shù)學(xué)上的困難，許多實(shí)際流動問題還難以精確求解。科學(xué)實(shí)驗(yàn)法

科學(xué)實(shí)驗(yàn)法借助于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對流體進(jìn)行觀測，并將觀察的現(xiàn)象和量測的一系列數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理，探明本質(zhì)，找出規(guī)律，從而得出計(jì)算公式和方法的方法（原形觀測法、模型實(shí)驗(yàn)法、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法）。其優(yōu)點(diǎn)：能直接解決生產(chǎn)中的復(fù)雜問題，能發(fā)現(xiàn)流動中的新現(xiàn)象，它的結(jié)果可以作為檢驗(yàn)其他方法是否正確的依據(jù)。其不足之處在于：對不同情況，需做不同實(shí)驗(yàn)，即所得結(jié)果的普適性較差，且有些實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用較高。數(shù)值計(jì)算法數(shù)值計(jì)算法是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各種數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，得到在時(shí)間上和空間上許多數(shù)字組成的集合體，最終獲得定量描述流場的數(shù)值解。近幾十年來，這一方法得到很大發(fā)展，已形成一個(gè)專門學(xué)科——計(jì)算流體力學(xué)。上述三種方法互相結(jié)合，為發(fā)展流體力學(xué)理論，解決復(fù)雜的工程技術(shù)問題奠定了基礎(chǔ)，現(xiàn)代流體力學(xué)的研究方法是理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)并重。實(shí)驗(yàn)需要理論指導(dǎo)，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結(jié)論；反之，理論分析和數(shù)值計(jì)算也要依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以建立流體運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型。最后還須依靠實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這些模型的完善程度。流體力學(xué)的主要任務(wù)

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支。其任務(wù)是從力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究流體的平衡和機(jī)械運(yùn)動規(guī)律。隨著人類社會的發(fā)展，流體力學(xué)越來越廣泛地滲透到了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，各行各業(yè)中與流體力學(xué)有關(guān)的問題也越來越多。特別是在工程技術(shù)領(lǐng)域，如水利、電力、土木、水資源利用、石油、交通、造船、建筑、機(jī)械、動力、環(huán)保、冶金、化工、核能、航空航天、采礦、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中．涉及大量的流體力學(xué)問題。如建筑工程中風(fēng)對高層建筑的荷載和風(fēng)振問題；建筑物基礎(chǔ)施工時(shí)的基坑排水、基坑抗?jié)B處理等；橋梁工程中渡橋的設(shè)計(jì)、各種水工建筑物的設(shè)計(jì)、道路邊溝排水等；建筑工程中建筑內(nèi)部的給水、排水、供熱、通風(fēng)、空調(diào)等的設(shè)計(jì)和設(shè)備選用等，都面臨著一系列的流體力學(xué)問題。流體力學(xué)的主要任務(wù)流體力學(xué)主要解決工程中的以下問題：流力荷載（研究流體作用于建筑物上的作用力問題等）、過水能力（研究過流建筑物的過流能力、進(jìn)行其斷面形式選擇和尺寸確定問題等）、水流流態(tài)（研究流體通過建筑物的流動狀態(tài)問題等）、能量損失（研究水流通過各種固體邊界的能量損失問題，從而找出減少有害損失和增大有利損失的途徑等）、能勢線（研究流經(jīng)各種過流建筑物的能勢線問題，為淹沒、征地和移民、管道線路選擇提供所必需資料等）、水工模型（通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和研究建設(shè)項(xiàng)目或個(gè)別建筑物在運(yùn)行中可能或已經(jīng)出現(xiàn)的各種問題等）、滲流問題（研究水流通過水工建筑物及其底部、兩肩的滲透以及井和井群的涌水量問題等）、水擊問題（研究水力機(jī)械、管道和部分水工建筑物運(yùn)行中水擊的類型、發(fā)展過程及消除措施等）、汽蝕問題（研究水力機(jī)械內(nèi)低壓側(cè)局部位置發(fā)生水擊的產(chǎn)生原因、危害和防止措施等）、高速水流（研究高速流動的流體的流動特征、沖刷、摻氣、附帶效應(yīng)和附壁效應(yīng)等流動規(guī)律等）等問題。思考題：1.何謂流體，其特征是什么？流體與固體有何區(qū)別？2.什么是連續(xù)介質(zhì)？為什么提出連續(xù)介質(zhì)的概念？3.流體力學(xué)的研究方法主要有哪幾種？請簡述各方法是如何進(jìn)行研究的？項(xiàng)目二

流體的物理性質(zhì)項(xiàng)目二流體的物理性質(zhì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解不可壓縮流體、理想流體及牛頓流體的意義及在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用掌握流體主要物理力學(xué)性質(zhì)的概念、物理意義及表征方法著重掌握牛頓內(nèi)摩擦定律的概念、意義及實(shí)際應(yīng)用流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)：慣性、流動性、壓縮性與膨脹性、黏性、表面張力。一、慣

性

慣性是物體所具有的保持原有運(yùn)動狀態(tài)的物理性質(zhì)，凡改變物體的運(yùn)動狀態(tài)，就必須克服慣性的作用。慣性大小主要與質(zhì)量和加速度的大小有關(guān)。1.密度

由于各種不同流體，同體積內(nèi)的質(zhì)量一般是不同的，為了表明某種流體的慣性，通常采用單位體積的質(zhì)量來表示，稱為密度，以符號表示。若流體是均勻的，則流體中任意點(diǎn)的密度為：流體的體積為V，質(zhì)量為則：（kg/m3）（1-1）式中——流體的質(zhì)量，kg；

——流體的體積，m3；若流體是非均勻的，在流體中任意點(diǎn)取一包圍該點(diǎn)的流體微團(tuán)，其質(zhì)量為，體積為，則該點(diǎn)的密度為：（1-2）幾種常見流體的密度見表1-1。1.密度表1-1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和20℃時(shí)流體的密度和動力粘度2.重度二、流體的壓縮性與膨脹性

可壓縮性是流體受壓時(shí)，體積縮小，密度增大，除去外力后能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。可壓縮性實(shí)際上是流體的彈性。膨脹性是熱膨脹性的簡稱，是指流體在受熱時(shí)，體積膨脹，密度減小，溫度下降能恢復(fù)原狀的性質(zhì)。液體和氣體的可壓縮性和膨脹性有很大差別，下面分別說明。1.壓縮性如果溫度不變，流體體積隨所受壓力增大而減小的性質(zhì)稱為流體的壓縮性。壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為彈性模量（或彈性系數(shù)），用E表示，即表1-220℃時(shí)水的彈性模量2.膨脹性水的膨脹系數(shù)，在常溫常壓下約為1/105，在液壓封閉系統(tǒng)或熱水采暖系統(tǒng)中，當(dāng)工作溫度變化較大時(shí)，需考慮體積膨脹對系統(tǒng)造成的影響。如果壓力不變，流體的體積隨溫度的提高而增大的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。膨脹性的大小一般用膨脹系數(shù)來度量。液體的膨脹系數(shù)隨壓強(qiáng)和溫度而變化，水在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不同溫度時(shí)的膨脹系數(shù)見表1-3。與壓縮性一樣，液體的膨脹性也很小。除溫度變化很大的場合外，在一般工程問題中不必考慮液體的膨脹性。通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對實(shí)際氣體（如空氣、氮、氧、二氧化碳等），當(dāng)壓力不大于10MPa時(shí)，它們之間的關(guān)系遵守理想氣體狀態(tài)方程2.膨脹性通常情況下，氣體的密度隨壓力和溫度的變化很明顯。對實(shí)際氣體（如空氣、氮、氧、二氧化碳等），當(dāng)壓力不大于10MPa時(shí)，它們之間的關(guān)系遵守理想氣體狀態(tài)方程ρ——絕對壓力，N/m2或Pa；T——熱力學(xué)溫度，K，且T=273+t℃；R——?dú)怏w常數(shù)，對空氣R=287.1Nm/(kgK)。由式（1-9）可知，溫度或壓力變化時(shí)，氣體的密度都將發(fā)生變化。所以氣體的密度不可視為常數(shù)，因而氣體屬于可壓縮流體。但是，當(dāng)氣體的速度小于70m/s且壓力和溫度變化不大時(shí)（如空氣在通風(fēng)機(jī)或通風(fēng)網(wǎng)路中的流動），也可近似地將氣體當(dāng)做不可壓縮流體處理。這樣不僅可以使問題大為簡化，由此引起的誤差（約小于2%）在一般過程中也是可以接受的。解：水經(jīng)管道漏縫泄出后，管中壓強(qiáng)下降，于是水體膨脹，其膨脹的水體積例1-2厚壁容器中盛有0.5m3的水，初始壓力為2×l06Pa。當(dāng)壓力增至6×l06Pa時(shí)，水的體積減少了多少？3.黏性及其表象

液體所具有的抵抗剪切變形的性質(zhì)。如圖1-1所示，兩個(gè)平行平板，其間充滿靜止流體，兩平板間距離h，以y方向?yàn)榉ň€方向。保持下平板固定不動，使上平板沿所在平面以速度U運(yùn)動，于是粘附于上平板表面的一層流體，隨平板以速度u運(yùn)動，并逐層向內(nèi)影響，各層相繼流動，直至粘附于下平面的流層速度為零。在U和h都較小的情況下，各流層的速度，沿法線方向呈直線分布。上平板帶動粘附在板上的流層運(yùn)功，而能影響到內(nèi)部各流層運(yùn)動，說明內(nèi)部各流層間存在著剪切力，即內(nèi)摩擦力。這種內(nèi)摩擦力反抗各流體層與層之間的相對運(yùn)動的性質(zhì)，即為流體的黏性。這就是黏性的宏觀表象。由此得出，黏性是流體的內(nèi)摩擦特性。3.黏性及其表象圖1-1黏性表象4.牛頓內(nèi)摩擦定律著名的英國科學(xué)家牛頓在對流體的粘滯性進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)后，于1686年提出了確定流體做層流運(yùn)動時(shí)的內(nèi)摩擦力關(guān)系式——牛頓內(nèi)摩擦定律。其實(shí)驗(yàn)過程如圖1-2所示。相距為h的上下兩平行平板之間充滿了均質(zhì)的黏性流體。兩平行平板的面積相等均為A。將下板Ⅱ固定不動，上板Ⅰ在F力的拖動下以勻速u作直線運(yùn)動，拖動力F是為了克服流體對上板的摩擦阻力T而施加的。單位面積上的內(nèi)摩擦應(yīng)力為：式（1-12）表明流體因粘性產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力與微團(tuán)的剪切變形速度(或剪切變形速率)成正比，所以粘性又可看作是流體阻抗剪切變形速度的特性。

圖1-2黏性力實(shí)驗(yàn)示意（1-12）黏性的度量度量黏性大小的物理量有三個(gè)：動力黏度、運(yùn)動黏度和恩氏黏度。1）動力黏度表征流體動力特性的黏度稱為動力黏度，用表示。由式（1-11）得（Pa·s）（1-13）式(1-13)的物理意義為：動力黏度在數(shù)值上等于速度梯時(shí)的內(nèi)摩擦應(yīng)力。值越大，流體流動時(shí)的阻力越大。2）運(yùn)動粘度表征流體運(yùn)動特性的黏度稱為運(yùn)動黏度，用表示。即（m2/s）（1-14）從單位上看，運(yùn)動黏度只包含運(yùn)動要素，不含動力要素。它反映了流體運(yùn)動特性。運(yùn)動黏度越小的流體，其流動性越好。黏性的度量3）恩氏黏度工程中還常用恩氏黏度

來表示液體的運(yùn)動黏度。恩氏黏度是一個(gè)實(shí)驗(yàn)值。測定恩氏黏度的裝置叫恩氏黏度儀。測量時(shí)，將200cm3的被測液體裝入容器中，加熱至某一溫度（通常是50℃）并保持恒溫。然后讓其靠自重流出直徑為2.8mm的小孔，記下所需的時(shí)間，再測出20℃的200cm3蒸餾水流出同一小孔的時(shí)間。則該液體的恩氏黏度為（1-15）恩氏黏度是一個(gè)無量綱數(shù)，它與運(yùn)動黏度的換算關(guān)系為恩氏黏度是一個(gè)無量綱數(shù)，它與運(yùn)動黏度的換算關(guān)系為

由于理想流體不考慮粘性，使對流動的分析大為簡化，從而能得出理論分析的結(jié)果。所得結(jié)果對某些粘性影響很小的流動，能夠較好地符合實(shí)際；對粘性影響不能忽略的流動，則可通過實(shí)驗(yàn)加以修正，從而能比較容易地解決許多實(shí)際流動問題。這是處理粘性流體運(yùn)動的一種很有效方法。項(xiàng)目三

流體作用上的力一、表面力一、表面力表面力是通過直接接觸，施加于流層間或不同流體間以及流體與固體之間接觸表面的力。在運(yùn)動流體中取隔離體為研究對象(圖1-7)，周圍流體對隔離體的作用以分布的表面力代替。表面力在隔離體表面某一點(diǎn)的大小用應(yīng)力來表示。習(xí)慣上把流體的內(nèi)法向應(yīng)力稱作流體壓應(yīng)力，用表示，其單位為Pa（1Pa=1N/m2）。流體壓力表征的是作用在流體單位面積上的法向力的大小。二、質(zhì)量力

質(zhì)量力是作用在所取流體體積內(nèi)每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，因?yàn)槠浯笮∨c流體的質(zhì)量成正比，故稱為質(zhì)量力。在均質(zhì)流體中，質(zhì)量力與體積之比為常量。重力是最常見的質(zhì)量力；若所取坐標(biāo)系為非慣性系，建立力的平衡方程時(shí)，其中的慣性力，如離心力、科里奧利力（科氏慣性力）也屬于質(zhì)量力。圖1-8重力三、表面張力特性

氣體與液體間，或互不摻混的液體間，在分界面附近的分子，都受到兩種介質(zhì)的分子力作用，這兩種相鄰介質(zhì)的特性，決定著分界面張力的大小及分界面的不同形狀，如空氣中的露珠，水中的氣泡，水銀表面的水銀膜。溫度對水的表面張力有影響。當(dāng)溫度由20℃變化到100℃時(shí)，水的表面張力由0.073N/m變?yōu)?.05N/m。液體與固體壁接觸時(shí)，液體沿壁上升或下降的現(xiàn)象，稱為毛細(xì)現(xiàn)象。液體能在細(xì)管中上升，是因?yàn)橐后w分子間的凝聚力小于其與壁管間的附著力，如水、油等，能打濕管壁。液面向上彎曲，表面張力拉液體上升；若液體分子間的凝聚力大于其與管壁間的附著力，如水銀，不能打濕管壁，液面向下彎曲，表面張力拉液體下降。溫度升高時(shí)，液體的表面張力減小。水或水銀在圓形斷面的細(xì)玻璃管中下降或上升的高度與管內(nèi)徑的關(guān)系，如圖1-10所示。表面張力特性logo圖1-10在細(xì)圓管中的毛細(xì)現(xiàn)象習(xí)題與思考題011.說明作用于流體上的力的分類、概念及表示方法？022.什么是表面張力？它是如何產(chǎn)生的？033.什么是毛細(xì)現(xiàn)象？它是如何產(chǎn)生的？謝謝！模塊二流體靜力學(xué)演講人

流體靜力學(xué)主要研究流體處于靜止和相對靜止?fàn)顟B(tài)下的基本規(guī)律及其在工程中應(yīng)用學(xué)科。具體地說它是研究流體平衡時(shí)，其內(nèi)部的壓力分布以及流體與固體壁面的相互作用力。由于流體處于靜止或相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，各流體質(zhì)點(diǎn)之間沒有相對運(yùn)動，速度梯度等于零，這樣流體的粘性就顯現(xiàn)不出來。因此，流體靜力學(xué)的理論不論對理想流體，還是粘性流體都是適用的。項(xiàng)目一流體靜壓力及其平衡微分方程項(xiàng)目一流體靜壓力及其平衡微分方程【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握流體靜壓力的定義及其特性；掌握流體平衡微分方程的建立、意義及其重要特性。流體的靜壓力及其特性1.基本概念當(dāng)流體處于靜止或相對靜止時(shí)，流體的表面力稱為流體靜壓力。圖2-1靜壓力方向的推證流體的靜壓力及其特性2.流體靜壓力特性特性一流體靜壓力的作用方向總是沿其作用面的內(nèi)法線方向。圖2-1靜壓力方向的推證由此可推知，靜止流體對容器的作用力的方向必垂直于容器壁面且指向壁面，如圖2-2所示。圖2-2靜壓力的方向流體的靜壓力及其特性特性二在靜止流體中任意一點(diǎn)壓力與作用的方位無關(guān)，其值均相等。流體的靜壓力及其特性圖2-3微小四面體分離體因四面體處于平衡狀態(tài)，所以作用在四面體上的表面力和質(zhì)量力在各坐標(biāo)軸上的投影總和等于零。據(jù)此，當(dāng)需要測量流體中某一點(diǎn)的靜壓力時(shí)，可以不必選擇方向，只要在該點(diǎn)確定的位置上進(jìn)行測量即可。流體平衡微分方程1.表面力圖2-4微小六面體分離體由于微小六面體的面可以取得足夠小，所以可將其中心點(diǎn)壓力看作整個(gè)面上的平均壓力，因此，ABFE和CDHG面上的表面力為質(zhì)量力上式就是流體的平衡微分方程式。它是歐拉在1755年首先提出來的，所以又稱歐拉平衡方程式。它表示流體在質(zhì)量力和表面力作用下的平衡條件。這也是流體的平衡微分方程式，又稱壓力差公式。它既適用于絕對平衡的流體，又適用于相對平衡的流體。等壓面等壓面具有以下兩個(gè)重要特性。特性一在平衡的流體中，通過任意一點(diǎn)的等壓面必與該點(diǎn)所受的質(zhì)量力互相垂直。根據(jù)這一特性，已知質(zhì)量力的方向可以確定等壓面的形狀；反之亦可根據(jù)等壓面的形狀確定質(zhì)量力的方向。例如，當(dāng)質(zhì)量力僅僅是重力時(shí)，因重力的方向總是鉛直的，所以其等壓面必是水平面。互不相混的液體處于平衡時(shí)，它們的分界面必為等壓面。習(xí)題與思考題1.什么叫流體的靜壓力？它的大小、方向與哪些因素有關(guān)？2.流體的靜壓力具有那些特性?3.什么叫等壓面？等壓面有什么特性？4.什么是流體的平衡微分方程式?項(xiàng)目二重力場中流體靜力學(xué)基本方程【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解重力場中流體靜力學(xué)基本方程式的建立、表達(dá)形式及其含義；掌握重力場中流體靜力學(xué)基本方程式的能量意義和幾何意義?；痉匠淌綄⑸鲜酱肫胶馕⒎址匠淌剑?-3）得式（2-6）與式（2-7）稱為流體靜力學(xué)基本方程式，它只適用在重力作用下處于平衡狀態(tài)的不可壓縮流體。流體靜力學(xué)基本方程雖然簡單，但卻有重要的實(shí)用價(jià)值。為了深刻理解公式的含義，下面分析方程式的能量意義和幾何意義。圖2-5靜力學(xué)方程的推證基本方程式圖2-6封閉容器圖2-7圓柱形容器解：由式（2-8）可得解：按題意，活塞底面上的壓力可按靜力平衡條件來確定習(xí)題與思考題1.什么是流體靜力學(xué)基本方程式？圖2-8習(xí)題3圖圖2-9習(xí)題4圖習(xí)題與思考題圖2-10習(xí)題5圖項(xiàng)目三壓力的單位和壓力的測量方法【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解壓力的單位及各種壓力單位的換算關(guān)系,掌握靜壓力的常見測量方法.應(yīng)力單位用單位面積上的作用力來表示。其國際單位為Pa（=N/m2）。在液壓傳動中常用MPa表示，1MPa=106Pa，在工程中常采用kgf/cm2。2.液柱高度3.大氣壓單位標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）是在北緯45。海平面上、溫度為15℃時(shí)測定的大氣壓數(shù)值。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）=760mmHg=1.013×105pa各種壓力單位的換算關(guān)系列于表2-1中。表2-1各種壓力單位的換算關(guān)系但是工程上測壓儀表在當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ο碌淖x數(shù)為零，儀表上的讀數(shù)只表示流體壓力比當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Ω呋蛘叩偷臄?shù)值，這種以大氣壓為零點(diǎn)算起的壓力，稱為相對壓力，也稱表壓力。絕對壓力、相對壓力、大氣壓力三者之間的關(guān)系如下：應(yīng)力單位圖2-11兩種表示法圖示靜壓力的測量流體壓力的測量儀表有許多種，主要可歸納為三類：液柱式、電測式和機(jī)械式。這里僅介紹常用的幾種液柱式和機(jī)械式中有廣泛應(yīng)用的金屬壓力表的基本原理。測壓管測壓管是測量液體壓力最簡單的一種液柱式測壓計(jì)，如圖2-12所示。圖2-12測壓管為了減少毛細(xì)管現(xiàn)象的影響，測壓管的內(nèi)徑以不小于5mm為宜。U形管測壓計(jì)圖2-13U形管根據(jù)流體壓力計(jì)算公式（2-8）有U形管測壓計(jì)其相對壓力為圖2-13(b)是被測流體的壓力小于大氣壓的情況。用同樣方法求得的絕對壓力為真空度為3.差壓計(jì)圖2-14差壓計(jì)故把以上三式聯(lián)立求得微壓計(jì)當(dāng)測量的壓力與大氣壓接近時(shí),為了提高測量精度,減少讀數(shù)的相對誤差,往往采用斜管式微壓計(jì)，常用的液柱式微壓計(jì)有補(bǔ)償式微壓計(jì)、斜管式微壓計(jì)。斜管式微壓計(jì)如圖2-15所示。圖2-15斜管式測壓計(jì)移項(xiàng)得金屬壓力表圖2-16單圈彈簧管金屬壓力表金屬壓力表中最常用的傳動機(jī)構(gòu)是杠桿——扇形齒輪機(jī)構(gòu)，如圖2-17所示。彈簧管的自由端通過主動拉桿3帶動扇形齒輪4回轉(zhuǎn)，4又帶動固定有儀表指針的中心小齒輪8轉(zhuǎn)動。游絲5用來消除齒隙對指示的影響。這種機(jī)構(gòu)可使指針轉(zhuǎn)動270～280。圖2-17彈簧管壓力計(jì)1—彈簧管；2—指針；3—主動拉桿；4—扇形齒輪；5—游絲；6—基座；7—表接頭；8—中心小齒輪習(xí)題與思考題1.什么叫絕對壓力？什么叫相對壓力？二者有什么關(guān)系？真空度又是什么含義？圖2-18習(xí)題3圖圖2-19習(xí)題4圖習(xí)題與思考題圖2-20習(xí)題5圖圖2-21習(xí)題6圖習(xí)題與思考題圖2-22習(xí)題7圖項(xiàng)目四靜止液體對壁面的作用力【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解靜止液體對固體壁面的作用力；掌握作用在平面上和作用在曲面上的總壓力的計(jì)算方法.習(xí)題與思考題在工程實(shí)踐中常常需要知道液體作用于整個(gè)結(jié)構(gòu)物表面上的力，這種靜止液體對固體壁面的作用力稱為總壓力。總壓力是進(jìn)行諸如閘、水箱、水池、防水墻等設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的主要載荷。容納液體的固體壁面，不外乎平面和曲面兩種。下面僅就液體作用在兩種壁面上的總壓力分別加以分析。作用在平面上的總壓力圖2-23平面上的液體總壓力總壓力的大小積分上式得液體作用在面積A上的總壓力為由上式可知,作用在平板欄液側(cè)的總壓力等于平板形心處的相對壓力與平板面積之積?？倝毫Φ淖饔命c(diǎn)常見的幾種規(guī)則圖形的面積、形心位置、慣性矩計(jì)算公式列于表2-2。表2-2常見的幾種規(guī)則圖形的面積、形心位置、慣性矩圖2-24矩形擋水閘因?yàn)殚l外面和水表面均受大氣壓，故可略去其影響。于是根據(jù)（2-17）有代入上式得于是有”總壓力的作用點(diǎn)圖2-25斜置矩形閘解：作用在閘門左邊的總壓力為作用在閘門右邊的總壓力為則總壓力為矩形平面的壓力中心坐標(biāo)為作用在曲面上的總壓力因液體對任意曲面不同點(diǎn)上的作用力都各自垂直于其對應(yīng)的微元曲面壁，故各點(diǎn)作用力的方向因壁面形狀不同而不同。這里僅討論工程技術(shù)上常見的二向曲面，即柱形曲面所受液體總壓力的計(jì)算問題。圖2-26曲面上的總壓力1.總壓力的水平分力作用在曲面上的總壓力2.總壓力的垂直分力其中壓力體是由受壓面本身，通過曲面周圍邊緣向自由液面或自由液面的延長線所做的鉛垂面及自由液面或自由液面的延長線圍成的封閉體積。作用在曲面上的總壓力的大小和方向分別為圖2-27壓力體作用在曲面上的總壓力圖2-28圓柱面總壓力解：（1）水平分力（2）垂直分力（3）壓力中心坐標(biāo)因曲面上每一點(diǎn)的作用力都通過圓心，因而總壓力的作用線也通過圓心，于是作用在曲面上的總壓力圖2-29淹沒在水的空心球解：要使空心球能停在任意位置，液體對鋼球外表面向上的作用力減去向下的作用力（稱為浮力）應(yīng)等于空心球的自重。即浮力等于重力時(shí)才能達(dá)到平衡。由式（2-21）知，液體對鋼球的總作用力為”作用在曲面上的總壓力此式同時(shí)也證明了阿基米德定律：流體作用在物體上的浮力等于該物體排開相同體積流體的重量。球的重量為習(xí)題與思考題圖2-30習(xí)題1圖圖2-31習(xí)題2圖習(xí)題與思考題圖2-32習(xí)題3圖謝謝模塊三流體動力學(xué)演講人在流體靜力學(xué)中，我們主要討論了流體處于平衡狀態(tài)下的一些力學(xué)規(guī)律，如壓力分布及流體對固體壁面的作用力等。本模塊的流體動力學(xué)將討論引起流體運(yùn)動的原因和確定作用力、力矩和動量矩的方法。

流體動力學(xué)的研究方法是先介紹基本概念和連續(xù)性方程，然后從理想流體出發(fā)，推導(dǎo)流體的運(yùn)動方程理論，再研究實(shí)際黏性流體的特性，對推得的基本理論進(jìn)行補(bǔ)充和修正，最后介紹其理論方程在實(shí)際中的應(yīng)用等。鑒于黏性流體數(shù)學(xué)處理上的困難，通常通過實(shí)驗(yàn)方法加以修正。項(xiàng)目一

基本概念項(xiàng)目一基本概念【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解研究流體運(yùn)動情況的常用方法；

掌握研究流體運(yùn)動的基本概念。項(xiàng)目一基本概念研究流體的運(yùn)動情況時(shí)，我們常用的方法是拉格朗日法和歐拉法。拉格朗日法主要是針對流體質(zhì)點(diǎn)，先跟蹤個(gè)別流體質(zhì)點(diǎn)，研究其位移、速度、加速度等隨時(shí)間的變化，然后將流場中所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況綜合起來，就得到流場的運(yùn)動。歐拉法主要針對流場中的空間點(diǎn)，研究流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過這些空間點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間的變化，并且用同一時(shí)刻所有點(diǎn)的運(yùn)動情況來描述流場的運(yùn)動。然而，絕大多數(shù)實(shí)際問題中，人們并不關(guān)心哪一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況如何，并且要想在許許多多流體質(zhì)點(diǎn)組成的流場中將某個(gè)質(zhì)點(diǎn)識別并跟蹤，這在工程實(shí)際中幾乎是做不到的。這樣，在問題的研究過程中更注意的是流體經(jīng)過某空間點(diǎn)時(shí)，運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，即整個(gè)流場的運(yùn)動圖像，所以流體力學(xué)中常采用歐拉法進(jìn)行問題的研究。在用歐拉法研究流體運(yùn)動時(shí)，有許多基本概念需要掌握，下面分別加以介紹。定常流動若流場中各空間點(diǎn)上的一切運(yùn)動要素都不隨時(shí)間變化，這種流動稱為定常流動。定常流動中，速度、壓力等只是空間坐標(biāo)的函數(shù)，即圖3-1定常流動和非定常流動非定常流動若流場中各空間點(diǎn)的運(yùn)動要素隨時(shí)間變化，這種流動稱為非定常流動。非定常流動中，速度、壓力等是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即跡線跡線就是流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。跡線只與流體質(zhì)點(diǎn)有關(guān)，對不同的質(zhì)點(diǎn)，跡線的形狀可能不同。但對一確定的質(zhì)點(diǎn)而言，其跡線的形狀不隨時(shí)間變化。流線流線具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：①非定常流動時(shí)，流線的形狀隨時(shí)間改變；定常流動時(shí)，其形狀不隨時(shí)間改變。此時(shí)，流線與跡線重合，流體質(zhì)點(diǎn)沿流線運(yùn)動。②流線是一條光滑曲線。流線之間不能相交。如果相交，交點(diǎn)的速度必為零或無窮大。否圖3-2流線流線則，同一時(shí)刻在交點(diǎn)上將出現(xiàn)兩個(gè)速度，這顯然是不可能的。由此可見，非定常流動時(shí)，流線的形狀是隨時(shí)間變化的。流線還是表現(xiàn)流場的有力工具。通過做流線可使流場中的流動情形躍然紙上。如圖（3-3）所示，不僅可以表示出各點(diǎn)的速度方向，對不可壓縮流體，還能定性反映出速度的大?。毫骶€密集處的速度大，稀疏處速度小。圖3-3流線與過流斷面流管在流場中取一段很小的閉合曲線，通過這條封閉曲線上所有點(diǎn)作流線族，這些流線族所圍成的管稱為流管。因?yàn)榱黧w質(zhì)點(diǎn)只能沿流線運(yùn)動，所以流管就像固體管道一樣，不能穿過管面。流束logo充滿在流管內(nèi)部的全部流體稱為流束。斷面無窮小的流束稱為微小流束；微小流束的極限為流線。如圖3-4所示，微小流束的同一斷面上各點(diǎn)的運(yùn)動要素可近似認(rèn)為是相等的，這樣就便于理論分析。

圖3-4流束總流在流動邊界內(nèi)的全部流體稱為總流，即流動邊界內(nèi)所有流束的總和。總流按其邊界性質(zhì)不同可分為有壓流、無壓流和射流等三類。邊界全部是固體的稱為有壓流，其特點(diǎn)為流體主要是依靠壓力推動的，如供水管路、通風(fēng)巷道和液壓管路中的流動均屬于有壓流。總流邊界部分是固體，另一部分是氣體時(shí)稱為無壓流，其特點(diǎn)是靠重力實(shí)現(xiàn)的，如明渠流、河流等?？偭鬟吔绮慌c固體接觸時(shí)稱為射流，如水從水槍射入大氣時(shí)的流動。過流斷面與總流或流束中的流線處處垂直的斷面稱為過流斷面（或過流截面）。過流斷面可能是平面，也可能是曲面。如圖3-3中的1-1和2-2斷面。2.水力直徑圖3-5過流斷面與濕周對圓形管道，水力直徑在數(shù)值上等于管道的直徑，即水力直徑和水力半徑的概念在非圓管道和明渠流計(jì)算中經(jīng)常用到。流量根據(jù)流量的定義，通過流束過流斷面的體積流量為通過流束過流斷面的質(zhì)量流量為一元流動、二元流動和三元流動圖3-6圓錐管內(nèi)的流動系統(tǒng)和控制體眾多流體質(zhì)點(diǎn)的集合稱為系統(tǒng)。系統(tǒng)一經(jīng)確定，它所包含的流體質(zhì)點(diǎn)都將確定。無論這些質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動到哪里，它們都屬于這一確定的系統(tǒng)。由此可知，系統(tǒng)的位置和形狀是可以變化的。如圖3-7中的虛線所示圖3-7系統(tǒng)和控制體系統(tǒng)和控制體利用控制體可以推導(dǎo)出流體系統(tǒng)所具有的某種物理量（如質(zhì)量、動量、動量矩等）隨時(shí)間的變化率，由此可以得出流體力學(xué)中若干重要方程，如總流連續(xù)性方程、動量方程和動量矩方程。流體流動的分類有哪些？2.研究流體運(yùn)動時(shí)有哪些基本概念？何謂流線，它有何特點(diǎn)？1）是幾元流動；2）是定常流動還是非定常流動。項(xiàng)目二

流體連續(xù)性方程項(xiàng)目二流體連續(xù)性方程【學(xué)習(xí)目標(biāo)】理解并掌握總流連續(xù)性方程和直角坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程；理解總流連續(xù)性方程和直角坐標(biāo)系中連續(xù)性方程的推導(dǎo)過程。流體運(yùn)動必須遵循物質(zhì)不滅定律——質(zhì)量守恒定律。即流體流動時(shí)，其質(zhì)量既不能產(chǎn)生，也不會消失，也就是說，流體在流場中的流動是連續(xù)不斷進(jìn)行的。反映這種流動連續(xù)性的方程就稱為連續(xù)性方程。總流連續(xù)性方程因?yàn)榭偭魇且辉鲃?，所以也稱為一元流動連續(xù)性方程。下面只討論定常流動的情況。圖3-8總流控制體式（3-6）就是可壓縮流體定常流動的總流連續(xù)方程。其物理意義是：流過任意兩個(gè)總流過流斷面上的質(zhì)量流量相等。直角坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程logo下面在直角坐標(biāo)系中來推導(dǎo)這一約束關(guān)系，即直角坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程。圖3-9微小六面體將式（B）與式（C）代入，展開并略去高階微量，經(jīng)整理得將式(D)與式(E)代入式(A)，經(jīng)整理可得直角坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程這就是流體在直角坐標(biāo)系中的連續(xù)性方程。它表達(dá)了流場中任一點(diǎn)的速度、密度在各方向上變化率之間的約束關(guān)系。為了便于記憶，引入一個(gè)矢量微分算子（稱為那勃勒算子或算符）則式（3-8）可寫成由此式可更明顯地看出速度變化率之間的約束關(guān)系。該式的另一物理意義是：不可壓縮流體微團(tuán)在流動中形狀可能有變，但體積不變。對二元流動，式（3-9b）和（3-10）變成習(xí)題與思考題1.什么叫做流體的連續(xù)性方程？3.判斷下列流動是否滿足不可壓縮流動的連續(xù)性條件。項(xiàng)目三流體的運(yùn)動方程式【學(xué)習(xí)目標(biāo)】理解并掌握理想流體運(yùn)動方程和黏性流體運(yùn)動方程建立的意義及表達(dá)形式；理解流體運(yùn)動方程式的推導(dǎo)過程。理想流體的運(yùn)動方程式理想流體是沒有粘性的流體，作用在流體上的表面力與平衡流體一樣，只有法向壓力。工程實(shí)際中，任何流體總具有黏性，但在某些場合，流體的黏性力和其他力比起來作用很小，在這種情況下，可以把它當(dāng)作理想流體來處理。圖3-10微小正六面體理想流體的運(yùn)動方程式這就是理想流體的運(yùn)動微分方程，又稱歐拉運(yùn)動方程式。當(dāng)流體做勻速運(yùn)動或靜止時(shí)，等式右邊為零，就成了流體平衡微分方程，所以，流體的平衡是流體運(yùn)動的一個(gè)特例。在式3-13推導(dǎo)過程中，沒有限定必須是慣性坐標(biāo)系，所以式3-13適用于絕對運(yùn)動也適用于相對運(yùn)動。但用于相對運(yùn)動，質(zhì)量力中應(yīng)包括慣性力，二流體的速度應(yīng)采用相對速度。得到相對運(yùn)動方程式黏性流體的運(yùn)動方程式圖3-11黏性流體微小六面體由于流體具有黏性，作用在六面體每個(gè)面上的力除了法向力外，還出現(xiàn)了切向力，而法向力也和理想流體情況不同，包含著由于線變形引起的附加法向力。為了表示六面體表面應(yīng)力的作用面和方向，采用雙下標(biāo)表示法，第一個(gè)下標(biāo)表示作用面的法線方向，第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力作用方向。黏性流體的運(yùn)動方程式化簡上式后得因?yàn)槲粗獢?shù)的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于方程的數(shù)目，不能對此微分方程組求解。下面對該方程組進(jìn)一步簡化。將式（3-16）、式（3-17）和式（3-18）代入式（3-15），整理得習(xí)題與思考題1.簡述理想流體的運(yùn)動方程式和黏性流體的運(yùn)動方程建立的意義及推導(dǎo)過程。項(xiàng)目四伯努利方程及意義【學(xué)習(xí)目標(biāo)】理解理想流體伯努利方程和實(shí)際總流伯努利方程的意義和區(qū)別；理解伯努利方程的推導(dǎo)過程，學(xué)會利用伯努利方程解釋一般現(xiàn)象；掌握伯努利方程的物理意義和幾何意義。理想流體的伯努利方程理想流體的運(yùn)動方程式可描述理想流體的流動情況，而對于不可壓縮黏性流體，則用納維爾-斯托克斯方程式來描述。從理論上說這些基本方程式和連續(xù)性方程一起，可以求得運(yùn)動要素，但是由于流體運(yùn)動的復(fù)雜性，數(shù)學(xué)處理十分困難，只有對個(gè)別流體運(yùn)動情況才能等到解析解，現(xiàn)在討論最常見的可解的流體運(yùn)動情況——理想流體沿流線的定常流動。在定常流中，流線與跡線互相重合，此時(shí)將式（3-22）及式（3-23）代入式（3-21）中得積分上式可得伯努利方程是流體力學(xué)中最常用的公式之一，但在使用時(shí)。應(yīng)注意其限制條件：①理想不可壓縮流體；②做定常流動；③作用于流體上的質(zhì)量力只有重力；④沿同一條流線（或微小流束）。實(shí)際總流的伯努利方程經(jīng)過前面的討論，我們得到了不可壓縮理想流體的伯努利方程式。為了能更好地把理論應(yīng)用到解決工程的實(shí)際問題中去，必須把方程的適用范圍從理想流體過渡到黏性流體，從微小流束擴(kuò)大到總流。黏性流體的伯努利方程根據(jù)能量守恒定律，可以將理想流體的伯努利方程推廣到黏性流體。黏性流體在流動中，由于黏性的作用產(chǎn)生流動阻力，為了克服這部分阻力，需要消耗一部分機(jī)械能，機(jī)械能將在流動中逐漸減少并轉(zhuǎn)化為熱能，這種能量轉(zhuǎn)換是不可逆的。從上式可見，黏性流體在沒有能量輸入的情況下，流體所具有的機(jī)械能沿流動方向?qū)⒉粩鄿p少?？偭鞑匠糖懊嫱茖?dǎo)的定常不可壓縮理想流體絕對運(yùn)動的伯努利方程，在沒有確定流動是有旋還是無旋的情況下，只能適用于流線或微元流束，但是，在工程實(shí)際中要求我們解決的往往是總流流動問題，如流體在管道、渠道中的流動問題，因此還需要通過在過流斷面上積分把它推廣到總流上去。設(shè)截面1、2在緩變流區(qū)，則上式表明總流截面1平均單位重量流體的總機(jī)械能等于截面2平均單位重量流體的機(jī)械能與截面1-2間的平均單位重量流體的機(jī)械能損失之和，它反映了能量守恒原理。由于推導(dǎo)總流伯努利方程時(shí)采用了一些限制條件，因此應(yīng)用時(shí)也必須符合這些條件，否則將不能得到符合實(shí)際的正確結(jié)果。這些限制條件可歸納如下：總流伯努利方程（1）液體是理想、不可壓縮的；流動是定常的；質(zhì)量力僅有重力。（2）過流斷面取在漸變流區(qū)段上，但兩過流斷面之間可以是急變流。（3）兩過流斷面間沒有能量的輸入或輸出。當(dāng)總流在兩過流斷面間通過水泵、風(fēng)機(jī)或水輪機(jī)等流體機(jī)械時(shí)，流體額外地獲得或失去了能量，則總流的伯努利方程應(yīng)作如下修正：圖3-12水泵排水因截面1-2間有能量輸入，取截面1為基準(zhǔn)，由伯努利方程式（3-33）可得總流伯努利方程圖3-13軸流風(fēng)機(jī)示意解：截面1-2間有能量輸入，應(yīng)用伯努利方程（3-33）可寫成16伯努利方程的物理意義和幾何意義物理意義所以伯努利方程的物理意義為：在符合推導(dǎo)伯努利方程中的限制條件下，沿流線（或微小流束）單位重量流體的機(jī)械能（位能、壓力能和動能）可以互相轉(zhuǎn)化，但總和不變。這里需要提醒注意的是：上述結(jié)論僅適用于熱能和功沒有從外界輸入流體或流體傳給外界的情況。幾何意義圖3-14沿流線能量關(guān)系圖如把表示同一流線上各點(diǎn)總水頭的鉛垂線的上端連成一線，就是總水頭線。根據(jù)伯努利方程式，速度頭、位勢頭和壓力頭三者之和沿流線不變，說明總水頭線（總能線）是一條水平線。所以伯努利方程的幾何意義是：在符合推導(dǎo)伯努利方程中的限制條件下，沿流線（或微小流束）的總水頭是一個(gè)常數(shù)。幾何意義伯努利方程的實(shí)質(zhì)是什么？2.簡述伯努利方程的物理意義和幾何意義。圖3-15習(xí)題3圖幾何意義伯努利方程的實(shí)質(zhì)是什么？圖3-16習(xí)題4圖幾何意義伯努利方程的實(shí)質(zhì)是什么？圖3-17習(xí)題5圖幾何意義伯努利方程的實(shí)質(zhì)是什么？圖3-18習(xí)題6圖項(xiàng)目五伯努利方程的應(yīng)用【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握伯努利方程在實(shí)際流體中的應(yīng)用示例，能夠利用伯努利方程解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題。實(shí)際流體總流的伯努利方程式是流體力學(xué)中應(yīng)用最廣的一個(gè)基本關(guān)系式，它和連續(xù)性方程式一起，是解決實(shí)際流體流動問題的兩個(gè)最主要的方程。因此，為了加深對它的認(rèn)識，下面舉一些它的應(yīng)用實(shí)例?？卓诔隽魇M水的大容器器壁開有一小孔，如圖3-19所示。水從小孔排出流入大氣，求小孔射流的流速。圖3-19定常孔口出流若考慮損失，孔口實(shí)際流速要比按式（3-35）或式（3-36）計(jì)算值小。為考慮這一因素，通常在推導(dǎo)公式中乘一個(gè)系數(shù)加以修正，即孔口出流圖3-20孔口出流收縮系數(shù)如果水箱沒有水源補(bǔ)充，則水箱中水位隨水的流出而逐漸下降，其流動為非定常流。在此情況下，一般應(yīng)考慮液面高度變化對孔口出流速度的影響。然而當(dāng)孔口的面積遠(yuǎn)小于容器的橫截面積時(shí)，容器內(nèi)液面的下降速度很小，從而其影響可以忽略，可以按照定常流動處理。因此，可以按式（3-37）計(jì)算當(dāng)時(shí)的孔口流速?？卓诔隽鲌D3-21非定?？卓诔隽魑牡吕锪髁坑?jì)文德里管是裝在管路中用來測量流量的常用儀器。如圖3-23所示。圖3-23文德里管移項(xiàng)得對照（A）、（B）兩式得通過的流量為：文德里流量計(jì)圖3-24孔板流量計(jì)解：此孔板可測量的最大流量即為壓差達(dá)到壓差計(jì)能顯示的讀數(shù)的最大值是的流量。由式（3-42）知皮托管圖3-25皮托管虹吸管液體由管道從較高液位的一端經(jīng)過高出液面的管段自動流向較低液位的另一端的這種作用稱為虹吸作用，這樣的管道稱為虹吸管。如圖3-26所示的虹吸裝置中，水箱液面保持不變，虹吸水流為理想流體?，F(xiàn)用伯努利方程分析管中的流速、流量及3-3截面的真空度。圖3—26虹吸管虹吸管取2-2截面為基準(zhǔn)，對1-1、2-2截面列伯努利方程式，由于1-1截面的面積較管子的大很多，故流速很小，可忽略，因此有集流器圖3-27集流器測流量習(xí)題與思考題集流器圖3-28習(xí)題1圖集流器圖3-29習(xí)題2圖集流器圖3-30習(xí)題3圖謝謝模塊四黏性流體流動及阻力演講人

實(shí)際流體都是有粘性的。黏性流體運(yùn)動中不可避免地存在阻力、衰減及擴(kuò)散現(xiàn)象，黏性流體運(yùn)動時(shí)總是伴隨著內(nèi)摩擦及傳熱過程，發(fā)生能量損耗。流體在運(yùn)動過程中會受到阻力，阻力問題是流體力學(xué)中最重要的問題之一，阻力和能量損失的計(jì)算也是流體工程中必須解決的問題，因此也是流體力學(xué)必須研究的重要內(nèi)容。

本模塊首先分析流動阻力產(chǎn)生的原因，介紹流動狀態(tài)及流態(tài)判別準(zhǔn)則，進(jìn)而研究黏性流體的層流和紊流，最后討論流場中物體所受到的阻力問題。項(xiàng)目一黏性流體的流動狀態(tài)及流動阻力項(xiàng)目一黏性流體的流動狀態(tài)及流動阻力【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握黏性流體的兩種流動狀態(tài)及對流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)；掌握研究流動狀態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及意義；掌握流動阻力的兩種形式及流動阻力系數(shù)的意義；掌握沿程損失與局部損失的成因及計(jì)算方法。黏性流體的流動狀態(tài)--雷諾實(shí)驗(yàn)

從19實(shí)際初期起，通過實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，人們注意到了流體流動的能量損失的規(guī)律和流動狀態(tài)密切相關(guān)。直到1883年，英國科學(xué)家雷諾所進(jìn)行的著名實(shí)驗(yàn)才進(jìn)一步證明了實(shí)際流體存在兩種不同的流動狀態(tài)和能量損失與流速之間的關(guān)系。雷諾實(shí)驗(yàn)是流體力學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)之一。雷諾實(shí)驗(yàn)裝置如圖4-1所示。

圖4-1雷諾實(shí)驗(yàn)裝置雷諾實(shí)驗(yàn)

圖4-2沿程損失與速度的關(guān)系流態(tài)判別準(zhǔn)則——雷諾數(shù)當(dāng)研究流體繞物體流動時(shí)，雷諾數(shù)定義為：故管中的水處于紊流狀態(tài)。黏性流體的流動阻力黏性流體在流動過程中，流體之間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生切應(yīng)力以及流體與固體壁面之間產(chǎn)生摩擦阻力，根據(jù)成因的不同，可將黏性流體所受的阻力分為沿程阻力和局部阻力兩大類。這些阻力的形成將使流動流體的部分機(jī)械能不可逆轉(zhuǎn)化為熱能，引起流體機(jī)械能損失，稱為能量損失；其造成的能量損失根據(jù)所受阻力的不同可分為沿程損失和局部損失。（一）沿程阻力及沿程損失（二）局部阻力及局部損失單位重量流體的機(jī)械能損失分成了沿程損失和局部損失，在實(shí)際的計(jì)算中，整個(gè)管道的能量損失等于各管段的沿程損失和局部損失的總和。即沿程阻力系數(shù)1.尼古拉茨實(shí)驗(yàn)圖4-3尼古拉茨實(shí)驗(yàn)曲線表4-1各種管道壁面的當(dāng)量粗糙度△2.莫迪圖沿程阻力系數(shù)圖4-4莫迪圖局部阻力系數(shù)1.端面突然擴(kuò)大圖4-5斷面突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)對斷面1-1和2-2列伯努利方程得取斷面1-1和2-2間的流體為控制體，由動量方程得此即斷面突然擴(kuò)大的局部損失計(jì)算公式，稱為包達(dá)公式。為求得局部阻力系數(shù)，將式（4-11）稍作變換，并利用連續(xù)性方程?？傻镁植孔枇ο禂?shù)斷面逐漸縮小（漸縮管）圖4-6漸縮管局部阻力系數(shù)局部裝置的當(dāng)量管長幾種常見局部裝置的當(dāng)量管長列于表4—3中，供使用時(shí)參考。局部阻力系數(shù)能量損失的疊加當(dāng)一條管路中包含有若干個(gè)局部裝置時(shí)，管路的總水頭損失等于沿程損失與所有管件的局部損失之和，即式（4-15）體現(xiàn)了能量損失的疊加原則，它是計(jì)算管路總損失的基本公式。為便于應(yīng)用，可將它變?yōu)楦啙嵉男问剑壕植孔枇ο禂?shù)習(xí)題與思考題1.造成沿程損失和局部損失的主要原因各是什么？它們分別發(fā)生在什么流段？局部阻力系數(shù)什么是能量損失？能量損失有哪幾類？3.在直徑相同的管中流過相同的液體，當(dāng)流速相等時(shí)，它們的雷諾數(shù)是否相等？當(dāng)流過不同的流體時(shí)，他們的臨界雷諾數(shù)是否相等？局部阻力系數(shù)什么是能量損失？能量損失有哪幾類？圖4-7習(xí)題8圖圖4-8習(xí)題9圖項(xiàng)目二流體在圓管中的流動項(xiàng)目二流體在圓管中的流動【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握流體在圓管中的流動狀態(tài)及流動規(guī)律；掌握流體在圓管中流動時(shí)的流速分布、應(yīng)力分布及損失等。圓管中的層流流動--速度分布圖4-9圓管中的層流流動將此式代入式（B），得（二）流量和平均速度（三）內(nèi)摩擦應(yīng)力分布速度分布（四）沿程損失此式表明，圓管層流中的沿程損失與平均速度的一次方成正比，這與雷諾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合。將式（4-20）稍作變換，可得比較式（4-5）得，圓管層流的沿程阻力系數(shù)為：即圓管層流的沿程阻力系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)，與壁面的粗糙程度無關(guān)。解：由已知條件得由此可知兩種溫度下的流動均為層流，沿程阻力系數(shù)可用式（4-21）計(jì)算，再由達(dá)西公式（4-5）得相應(yīng)的沿程損失為：圓管中的紊流流動除少數(shù)情況外，工程上最常見的還是紊流流動。紊流十分復(fù)雜，到目前為止，對它的研究基本上還是在一定假設(shè)條件下，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出一些半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式。脈動現(xiàn)象和均時(shí)化的概念紊流中，流體質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過某一固定點(diǎn)時(shí)，速度、壓力等總是隨時(shí)間變化，而且毫無規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為脈動。圖4-10圓管中的紊流脈動現(xiàn)象和均時(shí)化的概念圖4-11時(shí)均速度時(shí)均速度和時(shí)均壓力的引入，給研究紊流流動帶來了極大的方便，只需將流體的紊流流動看成是以時(shí)均速度、時(shí)均壓力等在流動，前面所述的一切概念可直接用于紊流中。有一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)注意，對紊流的時(shí)均化處理只是研究紊流的一種方法，并不能改變紊流的實(shí)質(zhì)。當(dāng)研究紊流阻力時(shí)，必須考慮質(zhì)點(diǎn)混雜運(yùn)動和動量交換的影響。紊流中的切應(yīng)力在紊流中，除了沿主流方向的運(yùn)動外，流體質(zhì)點(diǎn)還有垂直于主流方向的脈動，如圖4-12所示。圖4-12脈動速度（三）水力光滑管與水力粗糙管紊流中的切應(yīng)力（四）圓管中紊流速度分布此式表明，紊流狀態(tài)下，斷面上的速度是按對數(shù)規(guī)律分布的，如圖4-13所示（實(shí)線）。圖中虛線表示平均速度相等的層流速度分布。圖4-13除上述對數(shù)規(guī)律外，紊流速度分布還可表示成指數(shù)規(guī)律，即習(xí)題與思考題1.什么是紊流的時(shí)均化？怎樣理解定常紊流和非定常紊流？2.何謂層流底層？其厚度對紊流區(qū)的流動有何影響？3.什么是水力光滑管和水力粗糙管？4.為什么圓管中紊流速度分布要比層流的均勻？項(xiàng)目三縫隙流【學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握流體在通道內(nèi)流動的一般特性；掌握兩無限大平行平板間的層流以及偏心環(huán)形縫隙流。縫隙流是指流體在相距很近的兩固體壁面之間的流動。因兩壁的間距很小，其間的流體因受到壁面阻滯作用較大，通常處于層流狀態(tài)。平面平板間的縫隙流圖4-14縫隙中的層流縫隙中的內(nèi)摩擦應(yīng)力為線性分布，即以上結(jié)果是針對平行平板縫隙流的討論得出的，但對同心環(huán)形縫隙中的軸向流動也適用。下面分三種情況進(jìn)一步討論。平面平板間的縫隙流logo圖4-15壓差流由式（4-35）得這是線性規(guī)律，如圖4-16所示.平面平板間的縫隙流圖4-16剪切流流量和平均速度分別為：平面平板間的縫隙流圖4-18液壓千斤頂示意圖解：這種情況可以簡化為兩固定平行平板間的流動問題。缸內(nèi)油的相對壓力為：泄露量為偏心環(huán)形縫隙流嚴(yán)格來說，工程實(shí)際中同心環(huán)形縫隙是很少見的。由于載荷、轉(zhuǎn)速的影響，活塞與油缸、軸頸與軸承很難保證同心。如圖4-19所示為偏心環(huán)形間隙。圖4-19偏心環(huán)形縫隙由圖中的幾何關(guān)系得習(xí)題與思考題偏心環(huán)形縫隙流圖4-20習(xí)題1圖偏心環(huán)形縫隙流圖4-21習(xí)題2圖偏心環(huán)形縫隙流圖4-22習(xí)題3圖謝謝模塊五

管路計(jì)算演講人流體在管路中的流動應(yīng)用非常廣泛。本模塊著重介紹管路的布置、受水擊的壓力及總流伯努利方程和能量損失方程在管路計(jì)算中的應(yīng)用，最后介紹明渠流的計(jì)算。項(xiàng)目一管路計(jì)算的基本方法【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解有壓管路的布置分類；掌握簡單管路、串聯(lián)管路、并聯(lián)管路、分支管路計(jì)算的基本方法。按管路的布置分按布置可將管路分為簡單管路和復(fù)雜管路兩類：直徑沿程不變而且沒有分支的管路稱為簡單管路；不符合簡單管路條件的均為復(fù)雜管路。復(fù)雜管路都是由若干條簡單管路以一定方式組合而成的。按組合形式不同，又可分為串聯(lián)管路、并聯(lián)管路和分支管路，如圖5-1（a）至圖5-1（c）所示。圖5-1復(fù)雜管路簡單管路圖5-2簡單管路利用式（5-1）可以解決工程中以下三類問題：串聯(lián)管路將直徑不同的簡單管路首尾相接便構(gòu)成串聯(lián)管路。所以，串聯(lián)管路的特點(diǎn)是：各條管路中的流量相等，等于總流量；各管路的水頭損失之和等于管路的總損失，即下面以例題的形式來說明串聯(lián)管路的計(jì)算。圖5-3礦井排水管路并聯(lián)管路并聯(lián)管路是由若干條簡單管路（或串聯(lián)管路）首、尾分別連接在一起而構(gòu)成的。如圖5-4所示。根據(jù)以上的分析，并聯(lián)管路的特點(diǎn)是：解：先求各支管的管阻由式（5-4）得并聯(lián)等效管的管阻為：

圖5-4并聯(lián)管路分支管路圖5-5分支管路解：（1）列斷面0-0和1-1間的伯努利方程：不計(jì)管2出口動能，寫出斷面0—0和2—2的伯努利方程，即從此例看出，分支管路的計(jì)算并不復(fù)雜，但要特別注意水頭損失是分段計(jì)算。即在分支點(diǎn)或泄流點(diǎn)前、后的損失應(yīng)分別計(jì)算。分支管路圖5-6泄流、分支管路習(xí)題與思考題1.有壓管路按布置和計(jì)算特點(diǎn)怎樣分類？圖5-7習(xí)題3圖圖5-8習(xí)題4圖項(xiàng)目二有壓管路中的水擊【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解水擊現(xiàn)象和水擊的傳播；掌握水擊強(qiáng)度的計(jì)算及減弱水擊的措施。習(xí)題與思考題在有壓管路中流動的液體，如因某種原因（如閥門突然關(guān)閉，水泵突然停轉(zhuǎn)等）使其速度瞬間改變，必然引起管中液體的壓力急劇變化。對管道或其他管件來說，液體壓力的交替劇變好比使它們受到了液體的錘擊。我們把管路中因某種原因使液體壓力交替劇變這一現(xiàn)象稱為水擊錘擊，簡稱水擊。水擊現(xiàn)象和水擊壓力的傳播圖5-9水擊現(xiàn)象水擊現(xiàn)象和水擊壓力的傳播圖5-10水擊的四個(gè)過程水擊現(xiàn)象和水擊壓力的傳播logo圖5-11水擊壓力的變化水擊強(qiáng)度的計(jì)算logo圖5-12推導(dǎo)水擊強(qiáng)度用圖若為間接水擊，相應(yīng)的水擊強(qiáng)度可按下式近似計(jì)算：由此可見，關(guān)閥的時(shí)間越長。水擊壓力就越小。解：由式（5-8）得壓力波在管中的傳播速度：減弱水擊的措施從上述討論可知，水擊壓力是很大的。無論壓力是升高還是降低，都會影響管路系統(tǒng)正常工作，因此，設(shè)法減小水擊的影響是很必要的。所采取的措施有：（1）在靠近可能產(chǎn)生水擊的地方裝設(shè)蓄能器或安全閥，以縮小水擊波影響的范圍或釋放部分水擊能量。（2）盡量使閥門動作平緩。在條件允許的情況下，延長閥門動作的時(shí)間，避免發(fā)生直接水擊。（3）在管道上安裝調(diào)壓塔，使水擊壓力盡快衰減。實(shí)際工程中可視具體情況采取相應(yīng)措施。另外還需指出，水擊對管路系統(tǒng)雖是有害的，但它也存在有利的一面，利用水擊原理，可設(shè)計(jì)出水力揚(yáng)水器。借助自然水流的速度可將水從低位送至高位，再利用高處水的勢能進(jìn)行灌溉或發(fā)電。習(xí)題與思考題1.什么是水擊現(xiàn)象及產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的原因?012.水擊過程中管中壓力和速度如何變化及傳播?023.減弱水擊的常見措施？03謝謝模塊六

相似原理和量綱分析演講人

對理想流體的無旋流動和黏性流體的層流流動，可以直接應(yīng)用數(shù)學(xué)工具進(jìn)行理論分析和求解，必要時(shí)還可通過計(jì)算機(jī)求得數(shù)值解。但對于工程中常見的紊流流動，僅靠理論分析是不夠的，難以用微分方程去描寫，例如黏性流體在管內(nèi)的流動和通過局部裝置的流動，只能通過實(shí)驗(yàn)才能確定沿程損失和局部損失；描寫流動的微分方程組雖能導(dǎo)出，但求解困難，需要通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行化簡。因此，實(shí)驗(yàn)在研究中起著舉足輕重的作用。

本模塊介紹模型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究必須遵循的原理，實(shí)驗(yàn)變量的選擇和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析整理。項(xiàng)目一

相似原理項(xiàng)目一相似原理【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解流動現(xiàn)象相似的概念，認(rèn)識兩流動現(xiàn)象相似的條件和相似原理；掌握相似性準(zhǔn)則及其應(yīng)用。流動現(xiàn)象相似的概念

實(shí)驗(yàn)總是針對某種特定的流動現(xiàn)象進(jìn)行的。如何把特定條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣應(yīng)用到其他相似的流動中去，使得通過對某種流動的實(shí)驗(yàn)的研究就能掌握所有與之類似的流動規(guī)律，自然就成為實(shí)驗(yàn)研究必須首先解決的重要問題。為此，人們通過長期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，終于探索和總結(jié)出以相似原理為基礎(chǔ)的模型實(shí)驗(yàn)方法。運(yùn)用相似原理，將實(shí)物（或原型）縮小或放大制成模型，然后就可通過模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推知原型中的流動規(guī)律或繞流特性。也可根據(jù)相似原理，通過水在管中的流動去研究空氣在通風(fēng)網(wǎng)路中的流動。

為了使模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能推廣應(yīng)用到原型中，必須使發(fā)生在模型中的流動現(xiàn)象與發(fā)生在原型中的相似。怎樣才能做到兩流動現(xiàn)象相似呢？這就是相似原理需要解決并且已經(jīng)解決了的問題。相似原理告訴我們，要使兩流動現(xiàn)象相似，必須滿足力學(xué)相似條件，即幾何相似、運(yùn)動相似和動力相似。幾何相似幾何相似是指發(fā)生在模型與原型中的流動邊界幾何形狀相似，即對應(yīng)的角度相等，對應(yīng)的邊長成比例。例如，對圖6-1所示的兩個(gè)漸擴(kuò)管中的流動應(yīng)有幾何相似幾何相似時(shí)，對應(yīng)的面積和體積也各成比例，即嚴(yán)格來說，幾何相似時(shí)，對應(yīng)的壁面粗糙高度也應(yīng)相似。圖6-1幾何相似運(yùn)動相似圖6-2運(yùn)動相似運(yùn)動相似同理，加速度也應(yīng)相似圖6-3速度分布相似動力相似常數(shù)動力相似常數(shù)亦稱力相似。其內(nèi)容是：對應(yīng)點(diǎn)上流體質(zhì)點(diǎn)所受到的同名力方向相同，大小成比例。動力相似常數(shù)圖6-4動力相似在上述三個(gè)相似條件中，幾何相似是必要的前提。沒有幾何相似就談不上運(yùn)動相似和動力相似。動力相似是決定性條件。運(yùn)動相似則是幾何相似和動力相似的必然結(jié)果。也就是說。當(dāng)幾何相似和動力相似的條件滿足時(shí)，運(yùn)動相似條件自然滿足。動力相似準(zhǔn)則將式（6-5）寫成更具體的形式我們知道，流體所具有的慣性力大小為所以合外力的比值可表示成：此式說明，動力相似時(shí)，模型與原型在對應(yīng)點(diǎn)上的雷諾數(shù)必相等。反之，雷諾數(shù)相等，則黏性力必然相似。所以，雷諾數(shù)是表征黏性力相似與否的判別準(zhǔn)則。動力相似時(shí)，利用式（6-6）可導(dǎo)出

即動力相似時(shí)，對應(yīng)點(diǎn)上的弗勞德數(shù)相等。反之，對應(yīng)點(diǎn)上的弗勞德數(shù)相等，則重力必定相似。弗勞德數(shù)是重力相似的判別準(zhǔn)則。應(yīng)該指出，在上述相似準(zhǔn)則中，除歐拉準(zhǔn)則外，其他準(zhǔn)則都是決定性相似準(zhǔn)則。因流場中各點(diǎn)速度及物性參數(shù)決定后，各點(diǎn)的壓力隨之確定。就是說，只要其他決定性準(zhǔn)則得到滿足，壓力也就相似。這表明歐拉數(shù)是其他相似準(zhǔn)則的函數(shù)。（6-5）（6-6）動力相似準(zhǔn)則綜上所述，兩流動現(xiàn)象相似的充要條件是：在幾何相似的前提下，各決定性相似準(zhǔn)則分別對應(yīng)相等。近似相似（1）幾何近似相似——幾何近似相似是指模型與原型的幾何尺寸和形狀近似相似。因?yàn)橐獓?yán)格做到幾何相似,除各線性尺寸要成比例外,表面粗糙高度也要相似,這顯然是做不到的.所以,模型與原型的幾何相似只能是近似。（2）作用力近似相似——就是說，只考慮起主要作用的定性準(zhǔn)則，忽略次要的定性準(zhǔn)則。即對某中具體的流動現(xiàn)象，只考慮起主要作用的力而忽略其他力對流動的影響。例6-1為研究某種汽車的阻力特性，將其縮小若干倍做成汽車模型，在低速風(fēng)洞中做吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)。設(shè)汽車行駛的速度為45km/h，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為62.5m/s，則（1）為保證動力相似，試確定模型汽車的尺寸比；雷諾數(shù)相等時(shí)，歐拉數(shù)也相等，即即以45km/h的速度行駛時(shí)，汽車所受到的阻力為500N。風(fēng)洞、水洞實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞一般稱之為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，就是依據(jù)運(yùn)動的相對性原理，將飛行器的模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)洞中，人為制造氣流流過，以此模擬空中各種復(fù)雜的飛行狀態(tài)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這就是現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭等研制定型和生產(chǎn)的“綠色通道”。簡單地說，風(fēng)洞就是在地面上人為地創(chuàng)造一個(gè)“天空”。風(fēng)洞一般由洞體（實(shí)驗(yàn)段）、驅(qū)動系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三個(gè)部分組成。風(fēng)洞在氣動力研究和飛行器氣動設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。從1903年世界上出現(xiàn)第一架飛機(jī)以來，所有飛行器的研制都離不開風(fēng)洞，很多空氣動力學(xué)方面的新成果，都是通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)取得的。水洞實(shí)驗(yàn)常用于水中運(yùn)動物體（如潛艇、魚雷、水輪機(jī)等）的性能實(shí)驗(yàn)與檢測。水洞與風(fēng)洞的不同之處是：=1\*GB3①由于水的密度比空氣大數(shù)百倍，推動水流動的動力系統(tǒng)的功率一般很大；=2\*GB3②水洞一般不能做成敞開式的；=3\*GB3③水洞可以做成重力式的，即利用高水位下落至低水位時(shí)位勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿脑?，獲得實(shí)驗(yàn)段一定速度的水流。模型實(shí)驗(yàn)的目的是什么？1232.怎樣才能使發(fā)生在模型中的流動現(xiàn)象與原型中的相似？3.何謂動力相似準(zhǔn)則.主要有哪幾個(gè)?4.有壓流和無壓流分別按什么準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型,理由為何?123項(xiàng)目二

量綱分析項(xiàng)目二量綱分析

實(shí)驗(yàn)研究的目的就是將模型流動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣應(yīng)用到與之相似的所有流動現(xiàn)象中，從而可預(yù)測原型中的流動規(guī)律。為達(dá)到這一目的，必須首先找出流動現(xiàn)象中所包含的相似準(zhǔn)則和相似常數(shù)，然后通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析整理，找出它們之間的關(guān)系（這些關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式或圖表形式給出）。而這些關(guān)系也正是所有與之相似的流動中，各物理量都共同遵守的。

對某一具體的流動現(xiàn)象，它包含了哪些相似準(zhǔn)則和相似常數(shù)，怎樣將它們找出來，又怎樣通過實(shí)驗(yàn)來確定它們之間的關(guān)系。所有這些就是本項(xiàng)目要討論的問題。量綱流體力學(xué)中常見物理量的量綱列于表6-1中。表6-1常見物理量的量綱從表6-1看出，任一物理量的量綱只能由一個(gè)或多個(gè)基本量綱的乘冪組合而成。量綱只與物理量的性質(zhì)有關(guān)，與它的大小無關(guān)。量綱不同的物理量不能進(jìn)行加減運(yùn)算。需要指出，角度和弧度屬于輔助量綱，但在量綱運(yùn)算中都將它們看作無量綱數(shù)。物理方程的量綱和諧性物理方程的量綱和諧性為我們識別方程的正確性提供了一個(gè)簡單的依據(jù)，同時(shí)它也是量綱分析的基礎(chǔ)。何謂量綱、基本量綱和導(dǎo)出量綱？2.什么是物理方程的量綱和諧性?3.有量綱數(shù)和無量綱數(shù)在運(yùn)算中有何區(qū)別?謝謝模塊七

排水設(shè)備

演講人概述01礦山排水設(shè)備02礦山排水系統(tǒng)03習(xí)題與思考題04目錄許多工業(yè)生產(chǎn)部門（如冶金、機(jī)械、化工、采礦等）在生產(chǎn)的過程中都必須通過排水設(shè)備提供生產(chǎn)用水，并及時(shí)地排出大量的采礦涌水和工業(yè)廢水等。例如，在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，各種來源的水會不斷地涌入礦井，為了保證礦井生產(chǎn)能夠安全和正常的進(jìn)行，必須及時(shí)將水排出。因此，排水設(shè)備是機(jī)械、化工、采礦等行業(yè)建設(shè)和生產(chǎn)中不可缺少的一部分，起著非常重要的作用。本模塊主要介紹了礦井7496排水系統(tǒng)和22948排水設(shè)備的作用、結(jié)構(gòu)、工作原理和性能，以及排水設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)、故障原因分析與處理和選型計(jì)算的方法等。01項(xiàng)目一

概述項(xiàng)目一概述【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解礦井涌水的來源、礦水的性質(zhì)、礦井排水系統(tǒng)的布置及任務(wù)；掌握礦山排水設(shè)備的組成及各組成的功用；掌握離心式水泵的工作原理、工作性能參數(shù)及分類，能夠正確的計(jì)算水泵的功率、效率、揚(yáng)程等參數(shù)。在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，從各種來源的水不斷地涌入礦井，若不及時(shí)排出就會影響礦井的安全和生產(chǎn)。同時(shí)，由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，在遭到突然大量涌水而淹沒礦井時(shí)，需要排水設(shè)備及時(shí)搶險(xiǎn)排水，以盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)。因此，在礦井生產(chǎn)中必須設(shè)置排水設(shè)備，將涌入礦井的水及時(shí)從井下排至地面。礦井排水是煤礦建設(shè)和生產(chǎn)中不可缺少的一部分，它對保證礦井正常生產(chǎn)起著非常重要的作用，并且始終伴隨著煤礦建設(shè)和生產(chǎn)，直至礦井報(bào)廢，才完成它的歷史使命，圖7-1所示是礦井排水過程的示意圖。涌入礦井的水順著巷道一側(cè)的水溝自流集中到水倉1，而后經(jīng)分水溝流人泵房5內(nèi)一側(cè)的吸水井3中，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后水經(jīng)管路6排至地面。項(xiàng)目一概述圖7-1礦井排水過程示意圖1-水倉，2-分水溝，3-吸水井，4-水泵，5-泵房，6-管路，7-管子溝，8-井筒02礦山排水系統(tǒng)礦水

在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，從各種來源的水不斷地涌入礦井，涌入礦井的水統(tǒng)稱為礦水。礦水分為自然涌水和開采工程涌水。自然涌水指自然存在的地面水和地下水。地面水包括江、河、湖以及季節(jié)性雨水、融雪等；地下水包括含水層水、斷層水和老空水。開采工程涌水是與采掘方法或工藝有關(guān)的涌水，如水砂充填時(shí)礦井的充填廢水、水力采礦的動力廢水等。單位時(shí)間內(nèi)涌入礦井的總水量稱為礦井的總水量。由于涌水量受地質(zhì)構(gòu)造、地理特征、氣候條件、地面積水和開采方法等多種因素的影響，因此各礦總水量可能極不相同。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開采1t煤要排出2~7t礦水，甚至多達(dá)30~40t。一個(gè)礦在不同季節(jié)涌水量也是變化的，通常在雨季和融雪期出現(xiàn)涌水高峰，此期間的涌水量稱為最大涌水量，其他時(shí)期的涌水量變化不大，此期間的涌水量稱為正常涌水量。礦水

由于溶解在水中的物質(zhì)不同，礦水可分為酸性、中性和堿性。當(dāng)?shù)V水的pH值等于7時(shí)為中性水，pH<7時(shí)為酸性水，pH>7時(shí)為堿性水。酸性礦水對金屬有腐蝕作用，因此當(dāng)?shù)V水的pH<5時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加入石灰對礦水進(jìn)行中性處理，或采用耐酸材料生產(chǎn)的排水設(shè)備。排水系統(tǒng)礦井排水根據(jù)開采水平以及各水平涌水量的不同，可采用不同的排水系統(tǒng)。豎井單水平開采時(shí)，一般將井下全部涌水集中于井底車場的水倉內(nèi)，采用直接排水系統(tǒng)將其排至地面，如圖7-1所示。兩個(gè)或多個(gè)水平同時(shí)開采時(shí)，可有選擇的方案較多。針對兩個(gè)水平而言，一般有三種方案可供選用。1.直接排水系統(tǒng)。在各水平分別設(shè)置水倉、泵房和排水裝置，將各水平的礦水直接排至地面。該方案的優(yōu)點(diǎn)是上、下水平互不干擾，缺點(diǎn)是井筒內(nèi)管路多。2.集中排水系統(tǒng)。將上水平的水下放到下水平，而后由下水平的排水裝置直接排至地面。此方案適用上水平的涌水量較小的情況下采用，其優(yōu)點(diǎn)是排水設(shè)備少，只需一套設(shè)備；缺點(diǎn)是上水平的水下放后再上提，損失了位能，増加了能耗。排水系統(tǒng)3.分段排水系統(tǒng)。若下水平的水量較小或井過深，則可將下水平的水排至上水平的水倉內(nèi)，然后集中一起排至地面。采用哪一種方案，要經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合比較后才能確定。水倉水倉水倉是指位于井底車場水平以下的一般由兩條相互獨(dú)立、斷面相同的一組巷道組成的貯水巷道（硐室），亦稱為主要水倉。它由主倉和副倉（或稱為內(nèi)水倉與外水倉）組成。水倉入口一般位于井底車場巷道標(biāo)高的最低點(diǎn)，末端與水泵房吸水井或配水井相連。水倉內(nèi)鋪設(shè)軌道和其他清理污泥的設(shè)備。水倉水倉有兩個(gè)主要作用，一是儲存集中礦水，排水設(shè)備可以將水從水倉排至地面。為了防止斷電或排水設(shè)備發(fā)生故障，排水系統(tǒng)被迫停止運(yùn)行時(shí)淹沒巷道，因此主泵房的水倉應(yīng)有足夠大的容積，其容量必須能容納8h正常的涌水量。二是沉淀礦水，因礦水夾帶有大量礦物質(zhì)和泥沙，為防止其將排水系統(tǒng)堵塞和減輕排水設(shè)備磨損，礦水要在水倉中進(jìn)行沉淀。為了能把大部分細(xì)微顆粒沉淀于倉底，根據(jù)顆粒沉降理論，水倉中礦水的流動速度必須小于0.005m/s，流動時(shí)間要大于6h，因此水倉巷道長不得小于100m。水倉可布置在水泵房的一側(cè)或兩側(cè)，單翼開采時(shí)在水泵房一側(cè)的布置水倉，礦水從一側(cè)流入水倉；雙翼開采開采時(shí)在水泵房的兩側(cè)的布置水倉，礦水從兩側(cè)流入水倉。水泵房主排水泵硐室一般稱之為中央水泵房，其通常與中央變電所（井下主變電硐室）聯(lián)合布置于副井井底遠(yuǎn)離主井的一側(cè)，通過管子道（敷設(shè)主排水管道的傾斜巷道）和副井井筒相連，通過通道與井底車場水平巷道相通。其內(nèi)安設(shè)水泵和配電設(shè)備，負(fù)責(zé)全礦井下排水。該硐室與中央變電所（井下主變電硐室）之間設(shè)有防火鐵門。水泵房這樣布置原因如下：水泵房（1）運(yùn)輸巷道的坡度都向井底車場傾斜，便于礦水沿排水溝流向水倉。（2）排水設(shè)備運(yùn)輸方便。（3）由于靠近井筒，縮短了管路長度，不僅節(jié)約管材，而且減少了管路水頭損失，同時(shí)増加了排水工作的可靠性。（4）在井底車場附近，通風(fēng)條件好，改善了泵與電機(jī)的工作環(huán)境。（5）水泵房以中央變電所為鄰，供電線路短，減少了供電損耗，這對耗電量很高、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間又長的排水設(shè)備而言，具有不容忽視的經(jīng)濟(jì)意義。水泵房根據(jù)礦井條件的不同，水泵房在井底車場的位置有多種形式，圖7-2所示是其中的一圖7-2水泵房的位置圖1-主井；2-副井；3-水泵房；4-中央變電所；5-水倉；6-井底車場；7-管子溝；8-吸水井；9-分水溝水泵房種。根據(jù)水泵房在井底車場的位置可以清楚地看出，它有三條通道與相鄰巷道相通，人行運(yùn)輸巷與井底車場相通，人員和設(shè)備由此岀入；傾斜的管子道與井筒相通，如圖7-3所示，排水管可由此敷入井筒，同時(shí)又是人員和設(shè)備的安全出口，它的出口平臺應(yīng)高出泵房底板標(biāo)高7m以上，傾斜坡度一般為25~30。當(dāng)井底車場被淹沒時(shí)，人員可由此安全撤出；經(jīng)井下變電所與巷道相通的通道是一個(gè)輔助通道。水泵房水泵房的地面標(biāo)高應(yīng)比井底車場軌面高0.5m，且向吸水側(cè)留有1%的坡度。圖7-3管子道布置圖1-泵房；2-管道；3-彎管；4-管墩扣管卡；5-人行臺階和運(yùn)輸軌道泵房設(shè)備布置根據(jù)泵房內(nèi)水泵、管路與設(shè)備的多少，一般是沿泵房的長度方向布置水泵，以減小泵房斷面。圖7-4為具有三臺水泵和兩條管路的泵房布置圖。由水倉16來的水，首先經(jīng)過水倉篦子17攔截進(jìn)入水倉的大塊物質(zhì)，然后經(jīng)過水倉閘閥13進(jìn)入分水井15，再經(jīng)分水閘閥12、14分配到各水泵的吸水井9中。分水井和吸水井內(nèi)均設(shè)有人員上下用的梯子18，以便安裝、檢查、修理設(shè)備和清理水井。井上覆蓋著花紋鋼板制作的蓋板10。三臺水泵各自都有吸水管3，插在各自的吸水井中。全部水泵共用兩條排水管，一條工作，一條備用。泵房內(nèi)還設(shè)有運(yùn)輸設(shè)備的軌道21，由通往泵房的人行運(yùn)輸?shù)?2敷入；另一端伸向傾斜管子道23，以便在發(fā)生水災(zāi)危險(xiǎn)、關(guān)閉防水門24后，能繼續(xù)排水。為便于起吊設(shè)備，在泵房內(nèi)還裝有起重梁20，啟動設(shè)備26可放在泵房內(nèi)，或安裝在泵房內(nèi)專用的壁龕中。當(dāng)采用綜合啟動柜時(shí)，可將其安放于泵房隔壁的中央變電所中。泵房設(shè)備布置中央水泵房排水設(shè)備的布置方式主要由泵和管路的多少決定，通常情況下，應(yīng)盡量減少泵房斷面，水泵在水泵房內(nèi)順著水泵房長度方向軸向排列，泵房輪廓尺寸應(yīng)根據(jù)排水設(shè)備最大外形、通道寬度和安裝檢修條件等確定。一般泵房的長、寬、高由下述公式確定。1.中央水泵房長度式中n——水泵臺數(shù)；當(dāng)涌水量有增加的可能時(shí)，應(yīng)考慮水泵房的長度有増加的可能，井筒內(nèi)也應(yīng)考慮有相應(yīng)的管道安裝位置。2.水泵房的寬度泵房設(shè)備布置水泵房的高度水泵房的高度應(yīng)考慮檢修時(shí)設(shè)備的起重要求，根據(jù)具體情況確定，一般為3.0～4.5m，或根據(jù)水泵葉輪直徑確定：在D≥350mm時(shí)取4.5m，并應(yīng)設(shè)有能承受起重質(zhì)量為3~5t的工字梁；在D＜350mm時(shí)取3m，可不設(shè)起重梁。水泵基礎(chǔ)的長和寬應(yīng)比水泵底座最大外形尺寸大200～300mm。大型水泵基礎(chǔ)應(yīng)高于泵房地板200mm。03礦山排水設(shè)備礦山