流體力學知識.ppt

2020 1 21 1 基礎篇 第一章流體力學基本知識 2020 1 21 2 一 流體的概念液體和氣體易于流動 統稱為流體 二 流體力學的概念研究流體平衡與運動的力學規(guī)律及其應用的科學 2020 1 21 3 三 流體的主要物理性質1 密度及比容 物體單位容積所具有的質量稱為密度 而密度的倒數即單位質量的容積稱為比容 2020 1 21 4 2 容重或重度物體單位容積的重量 2020 1 21 5 3 流體的壓縮性及膨脹性1 壓縮性 流體的容積與壓強的變化成反比的性質2 膨脹性 容積與溫度變化成比例的性質 2020 1 21 6 液體的壓縮性及膨脹性很小 在很多工程技術常忽略不計 對工程計算誤差影響甚小 但在熱水工程中為了保證運行安全 還是應考慮其膨脹性 如在熱水工程中設膨脹水箱 安全閥等 2020 1 21 7 氣體具有顯著的壓縮性和膨膿性 其容重 壓強和熱力學溫度三者的關系如下式 對于流速較低的氣體 在壓強及溫度變化不大時 其容重的變化也比較小 在一般工程應用中可視為常數 2020 1 21 8 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動狀態(tài)的主要因素 2020 1 21 9 5 粘滯性流體在運動中 由于分子問的動量交換和分子間的作用力會引起內摩擦阻力 這種性質稱為流體的粘滯性 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 牛頓試驗研究提出與粘滯性有關的內摩擦定律為 2020 1 21 10 2020 1 21 11 2020 1 21 12 四 計量單位1 國際單位1 基本單位 長度 質量 時間 熱力學溫度 物質的量 電流和發(fā)光強度7種物理量的單位 其中與流體力學及傳熱學有關的是前5種相應的單位名稱和符號為米 m 千克 kg 秒 s 開爾文 k 摩 爾 mol 2020 1 21 13 2 導出量和導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 2020 1 21 14 2 工程單位1 基本單位工程單位以力 kg 長度 m 及時間 s 三個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 壓強為kg cm2及熱量 cal 等 2020 1 21 15 第二章流體靜力學 一 流體靜力學概念研究流體靜止或平衡時的力學規(guī)律及其工程應用的科學 由于靜止流體無相對速度 不呈現粘滯性 不存在切力 也不能承受拉力 故其所受的力只能是壓力 2020 1 21 16 二 壓強在靜水中 取一微小面積 w 其上作用靜水壓力 P 則面積上的平均壓強 2020 1 21 17 2020 1 21 18 三 靜止流體壓強的兩個特性 1 靜止壓強的方向必然沿著作用面的內法線方向 即垂直指向作用面 這是因為靜止流體內的應力只能是壓應力 2 流體中任一點靜水壓強的大小與作用的方向無關 換言之 一點上各個方向的壓強均相等 這是因為靜止流體中某一點受四面八方的壓應力而達到平衡 2020 1 21 19 四 流體靜力學基本方程 2020 1 21 20 2020 1 21 21 第三章流體動力學 一 動力學的基本原理流體動力學是研究流體運動規(guī)律的科學 在流體靜力學中 壓強只與水深有關 或者說與所處空間位置有關在流體動力學中 壓強還與運動情況有關 2020 1 21 22 二 流體運動的基本概念流體運動是由無數流體質點的運動所組成的 且各質點之間都有力相互作用 質點上的力和其本身的運動存在一定的規(guī)律性 找到其原因 就可以解決運動中的問題 下邊介紹流體運動中的幾個基本概念 2020 1 21 23 1 流線液流中同一瞬間由許多質點組成的曲線 該曲線上任一點的切線方向就是該點的流速方向 它形象地描繪了該瞬時整個液流的流動情況 圖3 1 2020 1 21 24 2 流管在液流中取一封閉垂直于流向的平面 在其中劃出權微小面積 則其周邊上各點的流線構成流管3 流束流管內流線的總和4 股流充滿流管內的流體 2020 1 21 25 5 過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 元流與總流過流斷面為無限小時的流束稱為元流過流斷面為有限大時的流束稱為總流 2020 1 21 26 三 流體運動的分類流體運動受其物性和邊界條件的影響呈現復雜的運動情況 常根據運動特點對其進行分類 2020 1 21 27 1 根據流動要素 流速與壓強 與流行時間分類1 恒定流流場內任一點的流速與壓強不隨時間變化 而僅與所處位置有關的流體流動稱為恒定流 在這種流動中 流線與質點運動的軌跡相重合 2 非恒定流運動流體各質點的流動要素隨時間而改變的運動則稱為非恒定流 水位隨水的放出而不斷改變的水流運動 非恒定流的情況較復雜 以后一般問題多為恒定流的 2020 1 21 28 2 根據流體流速變化分類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)定流動的流線為相互平行的直線 在輸送流體的等管徑管道內的液流即屬于均勻流 2 非均勻流流體過流斷面沿程改變或流動方向變化 會使同一流線上的各點流速大小和方向發(fā)生變化 這種流動稱為非均勻流 在管道上擴大或縮小處的水流運動即為非均勻流 在非均勻流中 若流線幾乎是平行的且接近直線對稱為漸變流 過流斷面可認為是平面 不能滿足漸變流條件的非均勻流即為急變流 2020 1 21 29 3 按液流運動接觸的壁面情況分類1 有壓流流體過流斷面的周界為壁面包圍 沒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 無壓流流體過流斷面的壁和底均為壁面包圍 但有自由面者稱為無壓流或重力流 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 2020 1 21 30 四 流體流動的因索1 過流斷面流體流過通道的斷面積稱為過流斷面 單位為m2 在均勻流 過流斷面為一平面 2020 1 21 31 2 平均流速在不能壓縮及無粘滯性的理想均勻流中 流速是不變的 但在實際工程中 流體與流道壁間存在著摩阻力 過流斷面上各點的流速是不等的 靠近壁處阻力大 流速小 近中心處流速大 圖3 2 2020 1 21 32 為計算方便 常取過流斷面上的平均流速 2020 1 21 33 3 流量 2020 1 21 34 五 流體運動的基本方程1 連續(xù)性方程 2020 1 21 35 2 能量方程 2020 1 21 36 2020 1 21 37 2020 1 21 38 2020 1 21 39 2020 1 21 40 第四章流體流動阻力 流體具有不同的粘滯性 在流動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 因此計算流體的阻力損失 應了解水流的形態(tài) 2020 1 21 41 一 流體的流動形態(tài)流體在流動中 由于流速不同而呈現出兩種不同的流動形態(tài) 層流和紊流 1 層流與紊流 在一端裝有閥門的長玻璃管中充滿水 稍開啟閥門放水 并由小管注入有顏色水流 則可見管內顏色水成一穩(wěn)定細梳 這種流型稱為層流 當閥門開大 水流速增加時 管中有色線產生振蕩被動 再開大閥門到一定程度 流速增大 水流中色線摻混紊亂 此時稱為紊流 2020 1 21 42 2 雷諾數英國物理學家雷諾曾作過試驗并得到判斷流型的計算式 稱為雷諾公式 2020 1 21 43 2020 1 21 44 3 沿程損失和局部損失1 沿程損失流體流動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 通常采用達西一維斯巴赫公式計算 2020 1 21 45 2 局部損失流體運動過程中 通過斷面變化處 轉向處 分支或其他使流體流動情況改變時 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 計算公式為 2020 1 21 46 3 管道總阻力 2020 1 21 47 第五章傳熱學基礎 傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的科學 凡是有溫差處 就有熱量從高溫物體傳向低溫物體 在自然界和生產技術中 傳熱是一種普遍現象 2020 1 21 48 一 傳熱的分類根據物體溫度與時間的變化關系1 穩(wěn)定熱傳遞物體中各點溫度不隨時間而改變的熱傳遞過程2 非穩(wěn)定熱傳遞物體中各點溫度隨時間而改變的 以后討論的多為穩(wěn)定熱傳遞過程 2020 1 21 49 二 基本概念1 壓力2 熱熱是由物體外界溫度不同 通過邊界而傳遞的能量 是物體間 內 通過分子運動相傳遞的能量 給物體加熱 實際就是增加使物體分子運動的能量 物體的溫度就將升高 反之使物體散熱減小分子運動的能量 物體溫度降低 2020 1 21 50 3 溫度 2020 1 21 51 4 熱膨脹 物體受熱 溫度升高 長度增長 體積增大 這種因為溫度增加而脹大的現象稱熱膨脹 這是物質內能增加使分子間隔增大的結果線膨脹指溫度增加后在長度方向的增長 線膨脹系數 體積膨脹系數 將上述公式中的L改為V 2020 1 21 52 5 比容或比熱 2020 1 21 53 三 傳熱方式 物體的傳熱方式可分為三種導熱對流輻射 2020 1 21 54 1 導熱由于物體內分子運動而將熱量由高溫部傳遞到低溫部 這種熱傳遞過程稱為導熱過程 2020 1 21 55 2 對流兩種概念 1 流體各部分之間發(fā)生相對運動而引起的熱量傳遞方式 對流發(fā)生在流體內部 2 工程上常遇到的情況是流動著的流體與其溫度不同的固體壁面接觸時的熱交換運動 這種換熱也稱為對流換熱 我們主要研究的對象 如果流體是在外力 如風機 水泵的作用下運動 這種對流換熱稱為強制對流換熱 如果沒有外力作用 僅由部分流體受熱膨脹 密度減小產生浮力流動換熱稱為自然對流換熱 2020 1 21 56 對流換熱的計算可采用牛頓換熱式 2020 1 21 57 3 熱輻射物體通過電磁波來傳遞熱能量的方式稱熱輻射 它與導熱和對流換熱不同 熱輻射不需中間媒介物質 故可在真空中進行 黑體的輻射能在同溫度物體中為最大 黑體單位時間內發(fā)出的輻射熱量與其絕對溫度 2020 1 21 58 四 熱媒的性質 最常用的熱媒是水 蒸汽及熱空氣1 水水在傳熱學中的有關性質如下 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 水的體膨脹系數約為0 0006 若不考慮加熱后的體積膨脹 則將脹破加熱設備 此外 0度的水結冰 體積將增大約11 會產生巨大脹力 對自然界物質及生活生產都有極大的影響 2020 1 21 59 2020 1 21 60 2020 1 21 61 2 蒸汽 2020 1 21 62 可以用為加熱其他物體 如熱交換器的熱媒體 2 過熱蒸汽 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 適用于作動力源 一般不作熱源 2020 1 21 63 2 蒸汽的性質 1 汽化熱或潛熱 飽和水再加熱即轉化為飽和蒸汽 需要吸取的汽化熱2260J kg 凝結為飽和水時放出同樣的熱量是加熱水或暖房時所需的主要熱量來源 2020 1 21 64 2 蒸汽的比熱容 蒸汽的比熱容較熱水大得多 如在相對壓力為0時 其比熱容較飽和水大1700倍 因此 在計算供熱管道系統中 蒸汽的流速也可高得多 而不會有過大的阻力損失 同時 由于比熱容大 密度小 在高層建筑供熱時 也不會產生很大的靜壓力 2020 1 21 65 3 狀態(tài)參數蒸汽的狀態(tài)參數是表現其在熱力特性方面的物理量 這些參數有溫度 比熱容或密度 壓力 汽化熱等 蒸汽在鍋爐中產生后 由蒸汽壓力沿輸送管道系統克服阻力 減小壓力 散放熱量 降低溫度 過熱蒸汽漸成為飽和蒸汽 飽和凝結水 在這些變化中 蒸汽狀態(tài)參數隨之變化 2020 1 21 66 2020 1 21 67 4 熱隋性蒸汽供熱系統的熱隋性較小 蒸汽供汽時 熱得很快 且散熱設備的表面溫度也較高 停止供汽時 冷得也快 特別適合于間歇供熱的處所 2020 1 21 68 3 空氣 1 成分 氮氣 氧氣及少量的二氧化碳和其他氣體 還含有或多或