2熱工 流體靜力學(xué)基礎(chǔ).pptx

1、第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),無機(jī)材料熱工基礎(chǔ),序言 流體的概念,研究流體力學(xué)問題的方法：實(shí)驗(yàn)研究法、理論分析法和數(shù)值計(jì)算法。 流體的概念：通俗地講，凡能夠流動(dòng)的物體統(tǒng)稱為流體。用力學(xué)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義，流體是指在任何微小的剪切力下都將發(fā)生連續(xù)變形的物體。液體、氣體統(tǒng)稱為流體。 連續(xù)介質(zhì)模型：（1）不考慮分子間隙，認(rèn)為介質(zhì)是連續(xù)分布于流體所占據(jù)的整個(gè)空間；（2）表征流體屬性的諸物理量，如密度、速度、壓強(qiáng)、切應(yīng)力、溫度等在流體連續(xù)流動(dòng)時(shí)是時(shí)間與空間坐標(biāo)變量的單值、連續(xù)函數(shù)。,1. 流體的物理性質(zhì)1.1 流體的慣性：,質(zhì)量是慣性大小的度量。 單位體積的質(zhì)量稱為密度，以符號(hào)表示，單位為kg/m3。 流體中某點(diǎn)的密

2、度就是該點(diǎn)單位體積流體的質(zhì)量，若流體的質(zhì)量為M，體積為V，則密度可表示為： 在均質(zhì)流體中，各點(diǎn)的密度相同，設(shè)其體積為V，質(zhì)量為M，則： =M / V 水銀的密度為13.6103 kg/m3,4水的密度1000kg/m3,0 空氣1.293 kg/m3。,氣體密度與溫度、壓力的關(guān)系 氣體是可壓縮流體，密度隨溫度壓力而變化，可近似按照理想氣體方程計(jì)算 式中 ：為氣體在0的膨脹系數(shù)，1/273(1/ ) o 是氣體的標(biāo)態(tài)密度。 氣體混合物的組成通常以體積百分率表示，其混合密度 液體混合物的組成通常以質(zhì)量分率w表示，其密度,密度的倒數(shù)稱為比容（v），即單位質(zhì)量流體所占據(jù)的體積，用符號(hào)表示，其SI單位為

3、m3/kg?？杀硎緸椋?在共同的特定條件下，流體的密度與另一參考流體的密度的比值稱為該流體的相對(duì)密度，又叫做流體的比重，用符號(hào)d表示，即： 單位體積流體的重量稱為流體的重度，用符號(hào)表示。重度與密度有如下關(guān)系： 式中：g重力加速度，其單位為m/s2。,d = f / w, =g,【例1-1】鍋爐煙氣各組分氣體所占體積的百分比分別為 ， ， ， 。 試求煙氣的密度。 【解】 由表1-2查得在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下 。將已知數(shù)據(jù)代入（1-4）式，得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣的密度： =1.9760.136+2.9270.004+1.4290.042+1.2510.756+0.8040.062=1.336(kg/m3),【

4、例1-2】 已知壓強(qiáng)為98.07kN/m3，0時(shí)鍋爐煙氣重度為13.13 kN/m3 ，求排煙溫度為200時(shí)煙氣的重度與密度。 【解】 鍋爐煙氣升溫過程為等壓過程，由式（1-11）可求得煙氣的密度與重度。 由 kg/m3 則 kg/m3 N/m3 由此可見，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，氣體的密度與重度有較大的變化。,1.2 流體的粘滯性,所有流體在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)都要產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這是流體的一種固有物理屬性，稱為流體的粘滯性或粘性。 牛頓剪切定律（粘滯定律）： 流體層之間單位面積的內(nèi)摩擦力與流體變形速率 即速度梯度成正比。 比例系數(shù) 就是代表流體粘滯性的物理量，反映了流體內(nèi)摩擦力的大小，稱為流體的動(dòng)力粘性系

5、數(shù)或粘度。 在數(shù)值上等于速度梯度為1時(shí)單位面積上內(nèi)摩擦力的大小，在國(guó)際單位制中，其單位為Ns/m2或Pas（帕秒）。 在流體力學(xué)的分析計(jì)算中，常常把流體的粘度 和密度 這兩個(gè)物理性質(zhì)結(jié)合在一起以 的形式出現(xiàn)。由此引出另一個(gè)參數(shù)，來表示這種比值 的單位為m2 /s，將其稱為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或運(yùn)動(dòng)粘度。,根據(jù)流體的粘性不同，可以將實(shí)際流體分為不同的類型。,粘性流體與理想流體 自然界中存在的流體都具有粘性，具有粘性的流體統(tǒng)稱為粘性流體或?qū)嶋H流體。完全沒有粘性，即 的流體稱為理想流體。 牛頓流體和非牛頓流體 凡遵循牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體，否則為非牛頓型流體。 a牛頓型流體；b假塑性流體； c脹塑

6、性流體；d賓漢塑性流體,1.3作用在流體上的力,質(zhì)量力（體積力） 質(zhì)量力又叫作體積力，它是某種力場(chǎng)（如重力場(chǎng)、磁力場(chǎng)、電力場(chǎng)）作用于流體各質(zhì)點(diǎn)（或各微團(tuán)）上的力（相應(yīng)的為重力、磁力、電動(dòng)力）。質(zhì)量力與周圍流體的存在無直接關(guān)系。對(duì)于均質(zhì)流體，總質(zhì)量力的大小與流體的質(zhì)量（或體積）成正比。 表面力 表面力是周圍相接觸的物體作用于所研究流體表面且與該表面積大小成正比的力，它與流體的質(zhì)量力無關(guān)，而與周圍物體的存在有直接關(guān)系。例如，大氣壓力、水壓力與摩擦力都是表面力。 表面力用單位面積上的表面力， 即表面應(yīng)力來表示。 表面應(yīng)力可分成兩個(gè)分量：一個(gè)是沿表面切線方向作用的切向應(yīng)力，如前面討論的粘性力；另一個(gè)是

7、沿表面法線方向作用的法向應(yīng)力，通常稱為壓強(qiáng)。 p為A點(diǎn)的法向應(yīng)力，又稱為壓強(qiáng)；它的單位在國(guó)際單位制中為Pa。,流體靜壓強(qiáng)的物理意義及量度,(1)靜壓強(qiáng)的物理意義,(2)靜壓強(qiáng)的量度,絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng),絕對(duì)壓強(qiáng)=大氣壓強(qiáng)+表壓強(qiáng),13,靜壓強(qiáng)的特性,壓強(qiáng)的量度單位,壓強(qiáng)的大小有三種表示方法：應(yīng)力單位、流體柱的高度及大氣壓的倍數(shù)。 應(yīng)力單位即從壓強(qiáng)的基本定義出發(fā)，直接用單位面積所受力的大小表示，國(guó)際單位為N/m2（Pa），工程單位為kgf/cm2或kgf/cm2。 液柱高度是因有一類測(cè)壓儀表是用水或汞柱的高度表示壓力，用液柱高度來表示相應(yīng)的壓力，其單位為mH2O或mmHg。如海平面的標(biāo)準(zhǔn)

8、大氣壓為760mmHg。 在壓力較高的場(chǎng)合多用大氣壓做量度單位。國(guó)際上規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（用符號(hào)atm表示）的值大小為101325Pa。工程單位中用kgf/cm2作為大氣壓的計(jì)量單位，成為工程大氣壓，用符號(hào)at表示，即1at=1 kgf/cm2=98000Pa。,1.4流體靜力學(xué)基本方程式 單一流體靜力學(xué)方程式 靜力學(xué)方程的導(dǎo)出 在一靜止流體內(nèi)，任取一段垂直柱體，按力平衡條件有：,靜止流體內(nèi)任意二個(gè)截面上的 靜壓能與位能之和相等,靜力學(xué)方程,（2）靜力學(xué)方程的 討論 1）流體靜力學(xué)方程是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律在靜止流體中的表現(xiàn)形式。,若p1代表作用在液體表面上的靜壓強(qiáng)，且p1(z1-z2)，則液面

9、之下任一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)為：,作用在液面上的靜壓強(qiáng) 可以傳遞到液體內(nèi)部任何點(diǎn),帕斯卡定律,位能 靜壓能,若z1z2，則有p2p1,即：,壓強(qiáng)相等的點(diǎn) 組成的面,等壓面,判斷等壓面的條件：只有重力作用下的等壓面應(yīng)是靜止、連通而且連通的介質(zhì)為同一均質(zhì)流體的同一水平面。,自由液面 互不相混的兩液體的分界面 流體與固體的水平接觸面,2）令z1=z2,則p1=p2，它說明靜止的密度相同且連續(xù)的流體中，同一水平面上流體靜壓強(qiáng)相等。,3）自由液面下任意深度處的壓強(qiáng),4）對(duì)可壓縮流體,5）靜力學(xué)方程的其它形式,平衡液體中壓強(qiáng)的 分布規(guī)律：h，p,靜力學(xué)方程,【例】封閉水箱如圖所示。自由液面上的絕對(duì)壓強(qiáng)p0122.6

10、kPa，水箱內(nèi)水深h3m，當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a88.26kPa。求（1）水箱內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)和相對(duì)壓強(qiáng)的最大值。（2）如果78.46kPa，求自由液面上的相對(duì)壓強(qiáng)、真空度或負(fù)壓。,相對(duì)壓強(qiáng)：,【解】（1）求壓強(qiáng)的最大值 絕對(duì)壓強(qiáng)：,據(jù)靜力學(xué)原理知： 水箱底面的壓強(qiáng)最大。,(2)當(dāng)P078.46kPa，其相對(duì)壓強(qiáng)為:,真空度:,負(fù)壓的絕對(duì)值,二流體靜力學(xué)方程,窯爐中的熱氣體 的靜力學(xué)方程:,或,當(dāng)z1z2時(shí)，有p1p2， 上部截面的靜壓強(qiáng)大于下部截面,考慮大氣 浮力的影響,【例】 蓄水池水深h=3m，當(dāng)?shù)卮髿鈮簆a=1 at（98070Pa），求水池底部的相對(duì)壓強(qiáng)p及絕對(duì)壓強(qiáng)pabs。 【解】 只考慮重力作

11、用，根據(jù)重力場(chǎng)中流體靜力學(xué)基本方程，水池底部的絕對(duì)壓強(qiáng)為： pabs = pa+ gh =pa+ gh=98070+9.810003=127.47(kPa) 相對(duì)壓強(qiáng)為： pg=pabs- pa=127.47 98.07 = 29.4(kPa),【 例】 貯油雄中盛有比重0.96的重油，油面最高時(shí)離罐底10.4m，油面上方與大氣相通。罐側(cè)壁下部有一直徑600mm的人孔，用蓋壓緊。圓孔的中心在罐底以上800mm。試求作用在人孔蓋上的總壓力 【解】 先求作用于孔蓋內(nèi)側(cè)的壓力，為簡(jiǎn)便計(jì)，設(shè)作用于孔蓋的壓力等于作用于蓋中心點(diǎn)的壓力。以罐底為基準(zhǔn)水平面，壓力以表壓計(jì)，則 z1=10.4m，z2=0.8m

12、，1=0.96103Kg/m3 此為油作用于孔蓋內(nèi)側(cè)的表壓力，大氣作用于孔蓋外側(cè)的表壓力為零，故孔蓋所受的平均壓力即為90400N/m2,作用于孔蓋上的總壓力：,U形液柱測(cè)壓計(jì) U形測(cè)壓計(jì)的工作原理如圖。 1）測(cè)設(shè)備中兩點(diǎn)的壓差 被測(cè)流體為液體,2）測(cè)設(shè)備中的表壓強(qiáng),【例】如圖，若被測(cè)流體為水，測(cè)壓計(jì)工作介質(zhì)為水銀，水銀面高差h0.25m，求壓強(qiáng)差p1-p2。,【解】據(jù)U形測(cè)壓計(jì)的工作原理可知：,雙液體U管壓差計(jì),若所測(cè)壓力差很小，用普通U管壓差計(jì)難以測(cè)準(zhǔn)，可改用如圖1-13所示的雙液體U管壓差計(jì)。它是在U管的兩側(cè)壁上增設(shè)兩個(gè)小室，裝入A、C兩種密度稍有不同的指示液。若小室的橫截面遠(yuǎn)大于管截面

13、，即使下方指示液A的高差很大，兩個(gè)小室內(nèi)指示液C的液面基本上仍能維持等高。 壓力差便可用下式計(jì)算： 只要選擇兩種密度差很小的適用的指示液，便可將讀數(shù)R放大到等于普通U管的幾倍或更大。,【 例】 如圖1-14所示的U管壓差計(jì)，水銀密度為 2, 酒精密度為1，如果水銀面的高度讀數(shù)分別為z1、z2、z3、z4，則A、B兩氣體容器的壓差表達(dá)式為多少？,【 解】 由于氣體重度遠(yuǎn)小于液體重度，因此可認(rèn)為pA = p1，pB = p4 根據(jù)等壓面的概念，1-1、2-2、3-3都分別為等壓面，則 界面2的壓強(qiáng)：p2=pA- 2 g(z2-z1) 界面3的壓強(qiáng)：p3=p2+ 1 g(z2-z3)=pA- 2 g(z2-z1)+ 1 g(z2-z3) 界面4的壓強(qiáng) p4=p3 - 2 g(z4-z3)= pA- 2 g(z2-z1)+ 1 g(z2-z3) - 2 g(z2-z1) = pB 整理上式，可得： pA-pB = 2 g ( z2 - z1 + z4 - z3 ) - 1 g(z2-z3),斜管微壓計(jì),當(dāng)測(cè)量很微小的流體壓力時(shí)，為了提高測(cè)量的精度，常常采用斜管微壓計(jì)。 在測(cè)壓前，斜管微壓計(jì)的兩端與大氣相通，容器與斜管內(nèi)的液面平齊(如圖中的00斷面)。當(dāng)測(cè)量容器或管道中某處的壓力時(shí)，將微壓計(jì)上端的測(cè)壓口與被測(cè)氣體容器或管道中