環(huán)境工程基礎(chǔ)

1、環(huán)境工程基礎(chǔ)環(huán)境工程基礎(chǔ) 授課人：陸建蘭授課人：陸建蘭 實(shí)例：實(shí)例： 1、高位取水的電力大于低位取水的電力？、高位取水的電力大于低位取水的電力？ 實(shí)際發(fā)電電能相同實(shí)際發(fā)電電能相同 2、在、在98長(zhǎng)江特大洪水時(shí)，有人提出了一個(gè)緊急提案：調(diào)用長(zhǎng)江特大洪水時(shí)，有人提出了一個(gè)緊急提案：調(diào)用 休漁期的數(shù)百只船至長(zhǎng)江中游，拋錨后，齊開(kāi)足馬力用螺休漁期的數(shù)百只船至長(zhǎng)江中游，拋錨后，齊開(kāi)足馬力用螺 旋槳推動(dòng)水流加大流速，降低長(zhǎng)江上下游的洪水位旋槳推動(dòng)水流加大流速，降低長(zhǎng)江上下游的洪水位? 勞民傷財(cái)勞民傷財(cái) 3、錢(qián)塘江治理方案（一位電機(jī)系畢業(yè)的老高工提出）：在、錢(qián)塘江治理方案（一位電機(jī)系畢業(yè)的老高工提出）：在

2、出?？诟浇殖啥l收窄了的河道，以加速水流，沖深流出海口附近分成二條收窄了的河道，以加速水流，沖深流 道，造成可行萬(wàn)噸輪船的航道，改變目前錢(qián)塘江口航道不道，造成可行萬(wàn)噸輪船的航道，改變目前錢(qián)塘江口航道不 能行大船的狀況？能行大船的狀況？ 異想天開(kāi)異想天開(kāi) 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) 流體：流體：以水為代表的一切液體和以空氣為代表的所有氣體。以水為代表的一切液體和以空氣為代表的所有氣體。 1.1流體及流體力學(xué)流體及流體力學(xué) 1.1.1流體基本特征流體基本特征 1.物質(zhì)的三態(tài)物質(zhì)的三態(tài) 在地球上，物質(zhì)存在的主要形式有：固體、液體和氣體。在地球上，物質(zhì)存在的主要形式有：固體、液體和氣體。

3、2.流體和固體的區(qū)別流體和固體的區(qū)別: 從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。從力學(xué)分析的意義上看，在于它們對(duì)外力抵抗的能力不同。 固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形。固體：既能承受壓力，也能承受拉力與抵抗拉伸變形。 流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。流體：只能承受壓力，一般不能承受拉力與抵抗拉伸變形。 3.液體和氣體的區(qū)別：液體和氣體的區(qū)別： (1)氣體易于壓縮；而液體難于壓縮；氣體易于壓縮；而液體難于壓縮； (2)液體有一定的體積，存在一個(gè)自由液面；氣體能充滿任意液體有一定的體積，存在一個(gè)自由液面；氣體能充滿任意 形狀的容器，無(wú)一定的體積，不存在

4、自由液面。形狀的容器，無(wú)一定的體積，不存在自由液面。 4.液體和氣體的共同點(diǎn)：液體和氣體的共同點(diǎn)： 兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生兩者均具有易流動(dòng)性，即在任何微小切應(yīng)力作用下都會(huì)發(fā)生 變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。變形或流動(dòng)，故二者統(tǒng)稱為流體。 5.物質(zhì)的宏觀性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)及分子間的作用力有關(guān)。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)及分子間的作用力有關(guān)。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) 1.1.2流體力學(xué)基本任務(wù)及應(yīng)用（補(bǔ)充流體力學(xué)基本任務(wù)及應(yīng)用（補(bǔ)充24個(gè)希臘字母）個(gè)希臘字母） 牛頓力學(xué)三定律、質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。牛頓力學(xué)三定律、質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。 高等數(shù)學(xué)連

5、續(xù)函數(shù)、物理知識(shí)高等數(shù)學(xué)連續(xù)函數(shù)、物理知識(shí) 質(zhì)量守恒定律：化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的總質(zhì)量相等。這是化質(zhì)量守恒定律：化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的總質(zhì)量相等。這是化 學(xué)反應(yīng)遵循的規(guī)律。學(xué)反應(yīng)遵循的規(guī)律。 能量守恒定律指一個(gè)系統(tǒng)能量的改變總是等于該系統(tǒng)輸入和能量守恒定律指一個(gè)系統(tǒng)能量的改變總是等于該系統(tǒng)輸入和 輸出能量的差值，是物理學(xué)中最基本的定律之一。輸出能量的差值，是物理學(xué)中最基本的定律之一。 牛頓第一定律：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)钆ｎD第一定律：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)?態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。 牛頓第二定律：物體的加速度跟作用

6、力成正比牛頓第二定律：物體的加速度跟作用力成正比 牛頓第三律：兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相牛頓第三律：兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力總是大小相 等，方向相反，作用在同一直線上等，方向相反，作用在同一直線上 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2流體的主要物理力學(xué)性質(zhì)流體的主要物理力學(xué)性質(zhì) 1.2.1慣性（以乘車(chē)為例）慣性（以乘車(chē)為例） 1.慣性慣性 一切物質(zhì)都具有質(zhì)量，流體也不例外。質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬一切物質(zhì)都具有質(zhì)量，流體也不例外。質(zhì)量是物質(zhì)的基本屬 性之一，是物體慣性大小的量度，質(zhì)量越大，慣性也越大。性之一，是物體慣性大小的量度，質(zhì)量越大，慣性也越大。 2.密度密度(單位

7、：?jiǎn)挝唬簁g/m3) 均質(zhì)流體的密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量稱為密度。均質(zhì)流體的密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量稱為密度。 比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所具有的體積。比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所具有的體積。 1/m3/kg 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) maF V m 1.2.2萬(wàn)有引力特性萬(wàn)有引力特性 .萬(wàn)有引力：萬(wàn)有引力： .容重：容重： （闡述容重和密度間的關(guān)系）（闡述容重和密度間的關(guān)系） 1.2.3壓縮性與膨脹性壓縮性與膨脹性 作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化。作用在流體上的壓力變化可引起流體的體積變化或密度變化。 流體的體積隨壓力增加而減小的屬性稱為流體的壓縮性。通流體的體積隨壓力增加

8、而減小的屬性稱為流體的壓縮性。通 常液體的壓縮性不大，而氣體的壓縮性大。當(dāng)流體的壓縮性常液體的壓縮性不大，而氣體的壓縮性大。當(dāng)流體的壓縮性 對(duì)所研究的流動(dòng)影響不大，可忽略不計(jì)時(shí)，這種流體稱為不對(duì)所研究的流動(dòng)影響不大，可忽略不計(jì)時(shí)，這種流體稱為不 可壓縮流體，反之稱為可壓縮流體。流體的體積隨壓力減小可壓縮流體，反之稱為可壓縮流體。流體的體積隨壓力減小 而增大的屬性稱為流體的膨脹性。而增大的屬性稱為流體的膨脹性。通常液體的通常液體的膨脹性很小，膨脹性很小， 氣體的膨脹性很大。氣體的膨脹性很大。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) mgG VGVmgg/ 對(duì)于運(yùn)動(dòng)的流體，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)

9、，由于對(duì)于運(yùn)動(dòng)的流體，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于 流體的粘性作用，在流體內(nèi)部流層之間會(huì)出現(xiàn)成對(duì)的切力，流體的粘性作用，在流體內(nèi)部流層之間會(huì)出現(xiàn)成對(duì)的切力， 稱為內(nèi)摩擦力。稱為內(nèi)摩擦力。1717世紀(jì)牛頓通過(guò)牛頓平板實(shí)驗(yàn)研究了流體的世紀(jì)牛頓通過(guò)牛頓平板實(shí)驗(yàn)研究了流體的 粘性。下圖即為牛頓平板實(shí)驗(yàn)裝置，下板固定，上板可動(dòng)，粘性。下圖即為牛頓平板實(shí)驗(yàn)裝置，下板固定，上板可動(dòng)， 且平板面積有足夠大，可以忽略邊緣對(duì)流體的影響。其中且平板面積有足夠大，可以忽略邊緣對(duì)流體的影響。其中h h 為兩平板間的距離，為兩平板間的距離，A A為平板面積。為平板面積。 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律 1.2.4黏性黏

10、性 . 黏性：即在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形黏性：即在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，流體所產(chǎn)生的抵抗剪切變形 的性質(zhì)。的性質(zhì)。 2黏度黏度 定義：流體的黏度是由流動(dòng)流體的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交定義：流體的黏度是由流動(dòng)流體的內(nèi)聚力和分子的動(dòng)量交 換所引起的。換所引起的。 分類分類 動(dòng)力黏度：又稱絕對(duì)黏度、動(dòng)力黏性系數(shù)、黏度，是反映流動(dòng)力黏度：又稱絕對(duì)黏度、動(dòng)力黏性系數(shù)、黏度，是反映流 體黏滯性大小的系數(shù)，單位：體黏滯性大小的系數(shù)，單位：Ns/m2。 運(yùn)動(dòng)黏度運(yùn)動(dòng)黏度：又稱相對(duì)黏度、運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。：又稱相對(duì)黏度、運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) 黏度的影響因素黏度的影響因素 流體黏度

11、的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變流體黏度的數(shù)值隨流體種類不同而不同，并隨壓強(qiáng)、溫度變 化而變化。化而變化。 流體種類。一般地，相同條件下，液體的黏度大于氣體的流體種類。一般地，相同條件下，液體的黏度大于氣體的 黏度。黏度。 壓強(qiáng)。對(duì)常見(jiàn)的流體，如水、氣體等，壓強(qiáng)。對(duì)常見(jiàn)的流體，如水、氣體等， 值隨壓強(qiáng)的變化不值隨壓強(qiáng)的變化不 大，一般可忽略不計(jì)。大，一般可忽略不計(jì)。 溫度。是影響?zhàn)ざ鹊闹饕蛩?。?dāng)溫度升高時(shí)，液體的黏溫度。是影響?zhàn)ざ鹊闹饕蛩亍．?dāng)溫度升高時(shí)，液體的黏 度減小，氣體的黏度增加。度減小，氣體的黏度增加。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) v 問(wèn)題：下面關(guān)于流體粘性的

12、說(shuō)法中，不正確的是問(wèn)題：下面關(guān)于流體粘性的說(shuō)法中，不正確的是: A、粘性是流體的固有屬性；、粘性是流體的固有屬性； B、粘性是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力的量度；、粘性是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體有抵抗剪切變形速率能力的量度； C、流體的粘性具有傳遞運(yùn)動(dòng)和阻滯運(yùn)動(dòng)的雙重性；、流體的粘性具有傳遞運(yùn)動(dòng)和阻滯運(yùn)動(dòng)的雙重性； D、流體的粘度隨溫度的升高而增大。、流體的粘度隨溫度的升高而增大。 1.2.5表面張力特性表面張力特性 1.2.5.1液體的表面張力液體的表面張力 表面張力的定義及方向：表面張力的定義及方向： 1.2.5.2毛細(xì)現(xiàn)象毛細(xì)現(xiàn)象 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) 1.3 作用在流

13、體上的力作用在流體上的力 分類分類 1.按物理性質(zhì)不同分類：重力、摩擦力、慣性力、彈性力、按物理性質(zhì)不同分類：重力、摩擦力、慣性力、彈性力、 表面張力等。表面張力等。2.按作用方式分：質(zhì)量力和面積力。按作用方式分：質(zhì)量力和面積力。 1.3.1表面力表面力 是毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接是毗鄰流體或其它物體作用在隔離體表面上的直接施加的接 觸力。觸力。 它的大小與作用面面積成正比。它的大小與作用面面積成正比。 表面力按作用方向可分為：壓力（垂直于作用面）；切力表面力按作用方向可分為：壓力（垂直于作用面）；切力 （平行于作用面）。（平行于作用面）。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流

14、體基礎(chǔ)知識(shí) 1.3.2質(zhì)量力質(zhì)量力 1.質(zhì)量力：是指作用于隔離體內(nèi)每一流體質(zhì)點(diǎn)上的力，它的質(zhì)量力：是指作用于隔離體內(nèi)每一流體質(zhì)點(diǎn)上的力，它的 大小與質(zhì)量成正比。對(duì)于均質(zhì)流體（各點(diǎn)密度相同的流大小與質(zhì)量成正比。對(duì)于均質(zhì)流體（各點(diǎn)密度相同的流 體），質(zhì)量力與流體體積成正比，其質(zhì)量力又稱為體積力。體），質(zhì)量力與流體體積成正比，其質(zhì)量力又稱為體積力。 單位牛頓（單位牛頓（N）。）。 最常見(jiàn)的質(zhì)量力有：重力、慣性力。最常見(jiàn)的質(zhì)量力有：重力、慣性力。 2.單位質(zhì)量力（單位質(zhì)量力（m/s2）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體所受到的質(zhì)量力。 問(wèn)題：比較重力場(chǎng)（質(zhì)量力只有重力）中，水和水銀所受的問(wèn)

15、題：比較重力場(chǎng)（質(zhì)量力只有重力）中，水和水銀所受的 單位質(zhì)量力單位質(zhì)量力 f水 水和 和f水銀 水銀的大小？ 的大小？ f水 水f水銀水銀； ；D、不一定。、不一定。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) B 1.4流體的力學(xué)模型流體的力學(xué)模型 1.4.1連續(xù)介質(zhì)模型連續(xù)介質(zhì)模型 1.連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流體或固體。連續(xù)介質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地充滿所占空間的流體或固體。 2.連續(xù)介質(zhì)模型：把流體視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整連續(xù)介質(zhì)模型：把流體視為沒(méi)有間隙地充滿它所占據(jù)的整 個(gè)空間的一續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí)個(gè)空間的一續(xù)介質(zhì)，且其所有的物理量都是空間坐標(biāo)和時(shí) 間的連續(xù)函數(shù)

16、的一種假設(shè)種連模型：間的連續(xù)函數(shù)的一種假設(shè)種連模型：u =u(t,x,y,z)。 v 問(wèn)題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點(diǎn)是指問(wèn)題：按連續(xù)介質(zhì)的概念，流體質(zhì)點(diǎn)是指: A、流體的分子；、流體的分子； B、流體內(nèi)的固體顆粒；、流體內(nèi)的固體顆粒； C、幾何的點(diǎn)；、幾何的點(diǎn)； D、幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量、幾何尺寸同流動(dòng)空間相比是極小量,又含有大量分子的微又含有大量分子的微 元體。元體。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) D 1.4.2理想流體（根據(jù)流體是否具有粘性）理想流體（根據(jù)流體是否具有粘性） 1.實(shí)際流體：指考慮黏性的流體。（存在摩擦力）實(shí)際流體：指考慮黏性的流體。（存在摩擦力） 2.理

17、想流體：指不考慮黏性的流體。（不存在摩擦力）理想流體：指不考慮黏性的流體。（不存在摩擦力） v 問(wèn)題：理想流體的特征是問(wèn)題：理想流體的特征是: A、粘度是常數(shù)；、粘度是常數(shù)；B、不可壓縮；、不可壓縮；C、無(wú)粘性；、無(wú)粘性；D、符合、符合pV=RT。 1.4.3不可壓縮流體（根據(jù)流體受壓體積縮小的性質(zhì)）不可壓縮流體（根據(jù)流體受壓體積縮小的性質(zhì)） 可壓縮流體：流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的流體。可壓縮流體：流體密度隨壓強(qiáng)變化不能忽略的流體。 不可壓縮流體：流體密度隨壓強(qiáng)變化很小，流體的密度視為常不可壓縮流體：流體密度隨壓強(qiáng)變化很小，流體的密度視為常 數(shù)的流體。數(shù)的流體。 （補(bǔ)充）牛頓流體與非牛頓流體

18、：凡遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流（補(bǔ)充）牛頓流體與非牛頓流體：凡遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流 體稱為牛頓流體，反之稱為非牛頓流體。常見(jiàn)的牛頓流體有水、體稱為牛頓流體，反之稱為非牛頓流體。常見(jiàn)的牛頓流體有水、 空氣等，非牛頓流體有泥漿、油漆、油墨等?？諝獾龋桥ｎD流體有泥漿、油漆、油墨等。 第第1章章 流體基礎(chǔ)知識(shí)流體基礎(chǔ)知識(shí) C 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 2.1流體靜壓強(qiáng)及其特性流體靜壓強(qiáng)及其特性 2.1.1流體靜壓強(qiáng)概念流體靜壓強(qiáng)概念 垂直作用于流體單位面積上的壓力稱為流體的壓強(qiáng)，以垂直作用于流體單位面積上的壓力稱為流體的壓強(qiáng)，以p表表 示，單位為示，單位為Pa。俗稱壓力，表示靜壓力強(qiáng)度。俗稱壓

19、力，表示靜壓力強(qiáng)度。 2.1.2流體靜壓強(qiáng)特性流體靜壓強(qiáng)特性 1.垂向性垂向性 流體靜壓強(qiáng)總是沿著作用面的內(nèi)法線方向，也就是說(shuō)垂直指流體靜壓強(qiáng)總是沿著作用面的內(nèi)法線方向，也就是說(shuō)垂直指 向受壓面。向受壓面。 2.各向等值性各向等值性 作用于靜止流體同一點(diǎn)壓強(qiáng)的大小各向相等，與作用面的方作用于靜止流體同一點(diǎn)壓強(qiáng)的大小各向相等，與作用面的方 位無(wú)關(guān)。位無(wú)關(guān)。 2.2重力作用下的流體靜壓強(qiáng)分布重力作用下的流體靜壓強(qiáng)分布 2.2.1流體靜力學(xué)基本方程流體靜力學(xué)基本方程 一、基本方程：一、基本方程： 結(jié)論：結(jié)論： 僅在重力作用下靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)隨深度按線僅在重力作用下靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)

20、隨深度按線 性規(guī)律增加性規(guī)律增加 僅在重力作用下，靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)等于表面僅在重力作用下，靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)等于表面 壓強(qiáng)加上流體的容重與該點(diǎn)淹沒(méi)深度的乘積。壓強(qiáng)加上流體的容重與該點(diǎn)淹沒(méi)深度的乘積。 自由表面下深度自由表面下深度h相等的各點(diǎn)壓強(qiáng)均相等相等的各點(diǎn)壓強(qiáng)均相等只有重力作只有重力作 用下的同一連續(xù)連通的靜止流體的等壓面是水平面。用下的同一連續(xù)連通的靜止流體的等壓面是水平面。 推廣：已知某點(diǎn)的壓強(qiáng)和兩點(diǎn)間的深度差，即可求另外一推廣：已知某點(diǎn)的壓強(qiáng)和兩點(diǎn)間的深度差，即可求另外一 點(diǎn)的壓強(qiáng)值。點(diǎn)的壓強(qiáng)值。 zz pp g 0 0 ghpp 0 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力

21、學(xué) 2.2.2壓強(qiáng)表示壓強(qiáng)表示 2.2.2.1絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)與真空壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)與真空壓強(qiáng) a.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)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)。計(jì)量的壓強(qiáng)。 b. 相對(duì)壓強(qiáng)：又稱相對(duì)壓強(qiáng)：又稱“表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)”，是以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)計(jì)量的壓，是以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)計(jì)量的壓 強(qiáng)。強(qiáng)。 c.真空：是指絕對(duì)壓強(qiáng)小于一個(gè)大氣壓的受壓狀態(tài)，是負(fù)的相對(duì)真空：是指絕對(duì)壓強(qiáng)小于一個(gè)大氣壓的受壓狀態(tài)，是負(fù)的相對(duì) 壓強(qiáng)。壓強(qiáng)。 2.2.2.2壓強(qiáng)計(jì)量單位壓強(qiáng)計(jì)量單位 不同單位之間的換算關(guān)系為：不同單位之間的換算關(guān)系為：h=pa/g

22、1atm=10.33mH2O=760mmHg=1.0133kgf/cm2=1.0133105Pa 1at=1kgf/m2=9.807104N/m2=735.6mmHg=10mH2O 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) A O B A點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng) B點(diǎn)真空壓強(qiáng) B點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)（負(fù)值） A點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng) B點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng) 當(dāng)?shù)卮髿鈮?相對(duì)壓強(qiáng)基準(zhǔn) （相對(duì)壓強(qiáng)零點(diǎn)）O 絕對(duì)壓強(qiáng)基準(zhǔn) （絕對(duì)壓強(qiáng)零點(diǎn)）O 壓強(qiáng) 二、等壓面二、等壓面 1、概念：是指流體中壓強(qiáng)相等（、概念：是指流體中壓強(qiáng)相等（p=const）的各點(diǎn)所組成的）的各點(diǎn)所組成的 面。面。 常見(jiàn)的等壓面有：自由液面和平衡流體中互不混合的兩種流常見(jiàn)的等壓面有：自

23、由液面和平衡流體中互不混合的兩種流 體的界面。體的界面。 2、只有重力作用下的等壓面應(yīng)滿足的條件：、只有重力作用下的等壓面應(yīng)滿足的條件： 1.靜止；靜止；2.連通；連通；3.連通的介質(zhì)為同一均質(zhì)流體；連通的介質(zhì)為同一均質(zhì)流體；4.質(zhì)量力僅質(zhì)量力僅 有重力；有重力；5.同一水平面。同一水平面。 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 2.2.3 流體靜力學(xué)基本方程意義流體靜力學(xué)基本方程意義 2.2.3.1能量意義能量意義 1、位置水頭、位置水頭z ：任一點(diǎn)在基準(zhǔn)面：任一點(diǎn)在基準(zhǔn)面0-0以上的位置高度，表示以上的位置高度，表示 單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能，簡(jiǎn)稱單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算

24、起所具有的位置勢(shì)能，簡(jiǎn)稱 位能。位能。 2、測(cè)壓管高度、測(cè)壓管高度 p/g：表示單位重量流體從壓強(qiáng)為大氣壓算：表示單位重量流體從壓強(qiáng)為大氣壓算 起所具有的壓強(qiáng)勢(shì)能，簡(jiǎn)稱壓能（壓強(qiáng)水頭）。起所具有的壓強(qiáng)勢(shì)能，簡(jiǎn)稱壓能（壓強(qiáng)水頭）。 3、測(cè)壓管水頭（、測(cè)壓管水頭（ z+p/g）：?jiǎn)挝恢亓苛黧w的總勢(shì)能。）：?jiǎn)挝恢亓苛黧w的總勢(shì)能。 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 2.2.3.2幾何意義幾何意義 1. 僅受重力作用處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體中，任意點(diǎn)對(duì)同一基準(zhǔn)僅受重力作用處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體中，任意點(diǎn)對(duì)同一基準(zhǔn) 面的單位勢(shì)能為一常數(shù)，即各點(diǎn)測(cè)壓管水頭相等，位頭增面的單位勢(shì)能為一常數(shù)，即各點(diǎn)測(cè)壓管水頭相等，位頭增

25、 高，壓頭減小。高，壓頭減小。 2. 在均質(zhì)（在均質(zhì)（g=常數(shù)）、連通的液體中，水平面（常數(shù)）、連通的液體中，水平面（zA = zB=常常 數(shù)）必然是等壓面（數(shù)）必然是等壓面（pA = pB =常數(shù)）。常數(shù)）。 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 2.2.4 流體靜壓強(qiáng)分布圖流體靜壓強(qiáng)分布圖 具體畫(huà)法：具體畫(huà)法： 靜水壓強(qiáng)分布圖繪制規(guī)則：靜水壓強(qiáng)分布圖繪制規(guī)則： 1. 按照一定的比例尺，用一定長(zhǎng)度的線段代表靜水壓強(qiáng)的大按照一定的比例尺，用一定長(zhǎng)度的線段代表靜水壓強(qiáng)的大 ??；??； 2. 用箭頭標(biāo)出靜水壓強(qiáng)的方向，并與該處作用面垂直。用箭頭標(biāo)出靜水壓強(qiáng)的方向，并與該處作用面垂直。 受壓面為平面的情況

26、下，壓強(qiáng)分布圖的外包線為直線；當(dāng)受受壓面為平面的情況下，壓強(qiáng)分布圖的外包線為直線；當(dāng)受 壓面為曲線時(shí)，曲面的長(zhǎng)度與水深不成直線函數(shù)關(guān)系，故壓壓面為曲線時(shí)，曲面的長(zhǎng)度與水深不成直線函數(shù)關(guān)系，故壓 強(qiáng)分布圖外包線亦為曲線。強(qiáng)分布圖外包線亦為曲線。 第第2章章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 3.1流體運(yùn)動(dòng)的描述方法流體運(yùn)動(dòng)的描述方法 3.1.1拉格朗日法拉格朗日法 是以流場(chǎng)中每一流體質(zhì)點(diǎn)作為描述對(duì)象的方法，它以流體個(gè)是以流場(chǎng)中每一流體質(zhì)點(diǎn)作為描述對(duì)象的方法，它以流體個(gè) 別質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)綜合足夠多的質(zhì)點(diǎn)（即別質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)綜合足夠多的質(zhì)點(diǎn)（即 質(zhì)點(diǎn)

27、系）運(yùn)動(dòng)求得整個(gè)流動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)系）運(yùn)動(dòng)求得整個(gè)流動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)系法質(zhì)點(diǎn)系法 3.1.2歐拉法歐拉法 是以流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場(chǎng)中各空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即以流場(chǎng)作為描述是以流體質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)流場(chǎng)中各空間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)即以流場(chǎng)作為描述 對(duì)象研究流動(dòng)的方法。對(duì)象研究流動(dòng)的方法。流場(chǎng)法流場(chǎng)法 3.2流場(chǎng)基本概念流場(chǎng)基本概念 1、流線與跡線、流線與跡線 流線的定義流線的定義 流線是表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流動(dòng)趨勢(shì)的曲線，曲線上任一流線是表示某一瞬時(shí)流體各點(diǎn)流動(dòng)趨勢(shì)的曲線，曲線上任一 點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的流速方向重合。點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的流速方向重合。 流線的性質(zhì)流線的性質(zhì) a.同一時(shí)刻的不同流線，不能相交。同一時(shí)刻的不同流線，不能相交。 b.

28、流線不能是折線，而是一條光滑的曲線。流線不能是折線，而是一條光滑的曲線。 c.流線簇的疏密反映了速度的大?。芗胤搅魉俅?，稀疏流線簇的疏密反映了速度的大?。芗胤搅魉俅螅∈?地方流速?。?。地方流速小）。 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 跡線的定義跡線的定義 跡線：某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡線。煙火的軌跡為跡線。跡線：某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡線。煙火的軌跡為跡線。 流線與跡線的比較流線與跡線的比較 2、過(guò)流斷面、流量與平均流速、過(guò)流斷面、流量與平均流速 過(guò)流斷面：過(guò)流斷面： 流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體量 體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流

29、經(jīng)管道任意截面的流體體積；體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積； 質(zhì)量流量：質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量 流速（流速（u：m/s）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流過(guò)的距離。）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流過(guò)的距離。 在工程上為方便起見(jiàn)，流體的流速通常是指整個(gè)管道截面上的平均在工程上為方便起見(jiàn)，流體的流速通常是指整個(gè)管道截面上的平均 流速。流速。 A u q v 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 3.2.2流動(dòng)類型流動(dòng)類型 凡表征流體運(yùn)動(dòng)的各種物理量，如質(zhì)量力、表面力、速度、凡表征流體運(yùn)動(dòng)的各種物理量，如質(zhì)量力、表面力、速度、 密度、動(dòng)量、能量等，都是運(yùn)動(dòng)要素。研究

30、流體運(yùn)動(dòng)就是研密度、動(dòng)量、能量等，都是運(yùn)動(dòng)要素。研究流體運(yùn)動(dòng)就是研 究其運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間和空間的變化以及建立它們之間的關(guān)系究其運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間和空間的變化以及建立它們之間的關(guān)系 式。式。 （一）、基本概念（一）、基本概念 恒定流與非恒定流恒定流與非恒定流 （1）恒定流恒定流：流體流動(dòng)時(shí)，流體中任一位置的壓強(qiáng)、流速：流體流動(dòng)時(shí)，流體中任一位置的壓強(qiáng)、流速 等運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化的流動(dòng)稱為恒定流。等運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化的流動(dòng)稱為恒定流。 （2）非恒定流非恒定流：流體流動(dòng)時(shí)，流體中任一位置的壓強(qiáng)流速：流體流動(dòng)時(shí)，流體中任一位置的壓強(qiáng)流速 等運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化而變動(dòng)的流動(dòng)稱為非恒定流。等運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化

31、而變動(dòng)的流動(dòng)稱為非恒定流。 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 自然界中都是非恒定流，工程中取為恒定流自然界中都是非恒定流，工程中取為恒定流 H 2.2.壓力流與無(wú)壓流壓力流與無(wú)壓流 （1 1）壓力流：流體在壓差作用下流動(dòng)時(shí)，流體整個(gè)周?chē)迹毫α鳎毫黧w在壓差作用下流動(dòng)時(shí)，流體整個(gè)周?chē)?和固體壁相接觸，沒(méi)有自由表面，如供熱工程中管道輸送汽、和固體壁相接觸，沒(méi)有自由表面，如供熱工程中管道輸送汽、 水帶熱體，風(fēng)道中氣體，給水中流體輸送等是壓力流。水帶熱體，風(fēng)道中氣體，給水中流體輸送等是壓力流。 （2 2）無(wú)壓流：流體在重力作用下流動(dòng)時(shí)，流體的部分周界）無(wú)壓流：流體在重力作用下流動(dòng)時(shí)，流體的部分周界

32、 與固體壁相接觸，部分周界與氣體相接觸，形成自由表面。與固體壁相接觸，部分周界與氣體相接觸，形成自由表面。 如天然河流、明渠流等一般都是無(wú)壓流。如天然河流、明渠流等一般都是無(wú)壓流。 3.3.均勻流與非均勻流均勻流與非均勻流 （1 1）均勻流：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流線是平行直線的流動(dòng)稱為均）均勻流：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流線是平行直線的流動(dòng)稱為均 勻流。如等截面長(zhǎng)直管中的流動(dòng)。勻流。如等截面長(zhǎng)直管中的流動(dòng)。 （2 2）非均勻流：流體流動(dòng)時(shí)，流線不是平行直線的流動(dòng)稱）非均勻流：流體流動(dòng)時(shí)，流線不是平行直線的流動(dòng)稱 為非均勻流。如流體字收縮管、擴(kuò)大管或彎管中流動(dòng)等。為非均勻流。如流體字收縮管、擴(kuò)大管或彎管中流動(dòng)等。

33、它又可分為：它又可分為： .漸變流：流體運(yùn)動(dòng)中流線接近于平行線的流動(dòng)稱為漸變漸變流：流體運(yùn)動(dòng)中流線接近于平行線的流動(dòng)稱為漸變 流。如圖流。如圖1-7A1-7A區(qū)。區(qū)。 .急變流：流體運(yùn)動(dòng)中流線不能視為平行直線的流動(dòng)稱為急變流：流體運(yùn)動(dòng)中流線不能視為平行直線的流動(dòng)稱為 急變流。如圖急變流。如圖1-7B1-7B、C C、D D區(qū)。區(qū)。 均 勻 流漸 變 流急 變 流急 變 流急 變 流 B A C D 3.3 流體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量守恒方程流體運(yùn)動(dòng)質(zhì)量守恒方程恒定流連續(xù)性方程恒定流連續(xù)性方程 3.3.1恒定總流連續(xù)性方程一般表達(dá)式恒定總流連續(xù)性方程一般表達(dá)式 1、流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體量。、

34、流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任一截面的流體量。 體積流量（體積流量（m3/s）：）：Q=A 質(zhì)量流量（質(zhì)量流量（kg/s）：）： 流體為連續(xù)性介質(zhì)，流體為連續(xù)性介質(zhì)， 流體為不可壓縮流體，流體為不可壓縮流體，為常數(shù)，為常數(shù)， qq vm Av 常數(shù) 2 22 1 11 21 AuAu qqq uA mmm 常數(shù) AuAu qv 2211 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 2、斷面平均流速、斷面平均流速v 總流過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的流速是不相同的，所以常采用一個(gè)平均總流過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的流速是不相同的，所以常采用一個(gè)平均 值來(lái)代替各點(diǎn)的實(shí)際流速，稱斷面平均流速值來(lái)代替各點(diǎn)的實(shí)際流速，稱斷面平均流速（=Q/A

35、） 3.3.2有流量匯入或流出的恒定總流連續(xù)性方程有流量匯入或流出的恒定總流連續(xù)性方程 Q1+Q2=Q3； Q1=Q2+Q3 ；流入節(jié)點(diǎn)的流量為；流入節(jié)點(diǎn)的流量為“+”，流出節(jié)點(diǎn)的流量為，流出節(jié)點(diǎn)的流量為“”。 問(wèn)題：變直徑管的直徑問(wèn)題：變直徑管的直徑d1=320mm，d2=160mm，流速，流速 1=1.5m/s，2為：為： A.3m/s；B.4m/s；C.6m/s；D.9m/s。 0 1 n i i Q C 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 3.4恒定流能量方程恒定流能量方程柏努利方程柏努利方程 3.4.1動(dòng)水壓強(qiáng)及特性動(dòng)水壓強(qiáng)及特性 垂向性及各向等值性垂向性及各向等值性 3.4.2理想流

36、體的能量方程理想流體的能量方程 3.4.3實(shí)際流體恒定元流的能量方程實(shí)際流體恒定元流的能量方程 gggg u p z u p z 22 2 22 2 2 11 1 gg u p z H 2 0 2 h u p z u p z gg 2 22 2 2 11 1 22 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) 3.4.4實(shí)際流體恒定總流的能量方程實(shí)際流體恒定總流的能量方程 （單位重量流體）（單位重量流體） （單位質(zhì)量流體）（單位質(zhì)量流體） 式中：式中： z ：?jiǎn)挝晃荒埽ㄎ恢盟^）：?jiǎn)挝晃荒埽ㄎ恢盟^） ：?jiǎn)挝粔耗埽簡(jiǎn)挝粔耗?：?jiǎn)挝粍?dòng)能：?jiǎn)挝粍?dòng)能 （壓強(qiáng)水頭，測(cè)壓管高度）（壓強(qiáng)水頭，測(cè)壓管高度） （流速水頭

37、）（流速水頭） ：?jiǎn)挝粍?shì)能：?jiǎn)挝粍?shì)能： ：?jiǎn)挝粰C(jī)械能：?jiǎn)挝粰C(jī)械能 （測(cè)壓管水頭）（測(cè)壓管水頭） （總水頭）（總水頭） hfgg u p zWu p ze 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 h u p z u p zw gggg 22 2 222 2 2 111 1 g p g u 2 2 g p z gg u p zH 2 2 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) ： 單位水頭損失（單位重流體克服流動(dòng)阻力所做的功）單位水頭損失（單位重流體克服流動(dòng)阻力所做的功） 3.4.5能量方程的應(yīng)用條件及注意事項(xiàng)能量方程的應(yīng)用條件及注意事項(xiàng) 3.4.6有機(jī)械能輸入（或輸出）的能量方程有機(jī)械能輸入（

38、或輸出）的能量方程 用例題加以深化。用例題加以深化。 第第3章章 流體動(dòng)力學(xué)流體動(dòng)力學(xué) hw h p z p zw gg H gg 22 2 222 2 2 111 1 v能量方程式中每一項(xiàng)的單位都是長(zhǎng)度，都可以在斷面上用能量方程式中每一項(xiàng)的單位都是長(zhǎng)度，都可以在斷面上用 鉛直線段在圖中表示出來(lái)。這可以對(duì)方程式各項(xiàng)在流動(dòng)過(guò)程鉛直線段在圖中表示出來(lái)。這可以對(duì)方程式各項(xiàng)在流動(dòng)過(guò)程 中的變化關(guān)系以更形象的描述（壓強(qiáng)和流速可用測(cè)壓管和測(cè)中的變化關(guān)系以更形象的描述（壓強(qiáng)和流速可用測(cè)壓管和測(cè) 速管測(cè)出來(lái)）。速管測(cè)出來(lái)）。 v如果把各斷面上的總水頭如果把各斷面上的總水頭 頂點(diǎn)連成一條頂點(diǎn)連成一條 線，則此線

39、為總水頭線，如圖虛線所示。在實(shí)際水流中，由線，則此線為總水頭線，如圖虛線所示。在實(shí)際水流中，由 于水頭損失于水頭損失h1-2h1-2的存在，所以總水頭線總是沿流程下降的傾的存在，所以總水頭線總是沿流程下降的傾 斜線?？偹^線沿流程的降低值斜線?？偹^線沿流程的降低值h1-2h1-2與沿程長(zhǎng)度的比值，稱與沿程長(zhǎng)度的比值，稱 為總水頭坡度或水力坡度，它表示沿流程單位長(zhǎng)度上的水頭為總水頭坡度或水力坡度，它表示沿流程單位長(zhǎng)度上的水頭 損失，用表示，即：損失，用表示，即： ) 2 ( 2 g vp zH l h i w 如果把各過(guò)流斷面的測(cè)壓管水頭（如果把各過(guò)流斷面的測(cè)壓管水頭（ ）連成線，如圖實(shí)）連成

40、線，如圖實(shí) 線所示，稱之為測(cè)壓管水頭線。測(cè)壓管水頭線可能上升，可線所示，稱之為測(cè)壓管水頭線。測(cè)壓管水頭線可能上升，可 能下降，也可能水平。能下降，也可能水平。 p z C B A G F E D 測(cè) 壓 管 測(cè) 速 管 總水頭線 測(cè)壓管水頭線 1 1 2 2 H1 2 1 v 2g p Z Z H P 1 1 h v 2g 1-2 2 2 2 2 z 00 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 4.1流動(dòng)阻力與水頭損失流動(dòng)阻力與水頭損失 4.1.1沿程阻力與沿程水頭損失沿程阻力與沿程水頭損失 流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因流動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因內(nèi)摩擦內(nèi)摩擦 由黏性產(chǎn)生，阻止流體層間發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)。由

41、黏性產(chǎn)生，阻止流體層間發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)。 4.1.2局部阻力與局部水頭損失局部阻力與局部水頭損失 hhh jfw 人們?cè)陂L(zhǎng)期工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)管人們?cè)陂L(zhǎng)期工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)管 道沿程阻力與管道的流動(dòng)速度之間道沿程阻力與管道的流動(dòng)速度之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系有其特殊性。當(dāng)流速較的對(duì)應(yīng)關(guān)系有其特殊性。當(dāng)流速較 小時(shí)，沿程損失與流速一次方成正小時(shí)，沿程損失與流速一次方成正 比，并且在這兩個(gè)區(qū)域之間有一個(gè)比，并且在這兩個(gè)區(qū)域之間有一個(gè) 不穩(wěn)定區(qū)。這一現(xiàn)象，促使英國(guó)物不穩(wěn)定區(qū)。這一現(xiàn)象，促使英國(guó)物 理學(xué)家雷諾于理學(xué)家雷諾于18831883年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 紊 流 區(qū) 層 流 O c lg 45 lglg c l

42、g lgh n=1.75-2.0 A f B 過(guò) 渡 C D A B C D E h1 12 (a) (b) 小 小 (c) CC (d) 大大 （a a）實(shí)驗(yàn)裝置；（）實(shí)驗(yàn)裝置；（b b）層流；（）層流；（c c）過(guò)渡區(qū)；（）過(guò)渡區(qū)；（d d）紊流）紊流 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水箱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水箱A A內(nèi)水位保持不變，使流動(dòng)處于恒定內(nèi)水位保持不變，使流動(dòng)處于恒定 流狀態(tài)；閥門(mén)流狀態(tài)；閥門(mén)B B用于調(diào)節(jié)流量，以改變平直玻璃管中流速；用于調(diào)節(jié)流量，以改變平直玻璃管中流速； 容器容器C C內(nèi)盛有與水相近的顏色水，經(jīng)細(xì)管內(nèi)盛有與水相近的顏色水，經(jīng)細(xì)管E E流入平直玻流入平直玻 璃管璃管F F中；閥門(mén)中；閥門(mén)D

43、 D用于控制顏色水的流量。當(dāng)閥門(mén)慢慢打用于控制顏色水的流量。當(dāng)閥門(mén)慢慢打 開(kāi)，并打開(kāi)顏色水閥門(mén)開(kāi)，并打開(kāi)顏色水閥門(mén)D D，此時(shí)管中的水流速較小，可以看，此時(shí)管中的水流速較小，可以看 到玻璃管中有一條線狀的顏色水，它與水流不相混合。從這到玻璃管中有一條線狀的顏色水，它與水流不相混合。從這 一現(xiàn)象可以看出，在管中流速較小時(shí)，管中水流的方向與人一現(xiàn)象可以看出，在管中流速較小時(shí)，管中水流的方向與人 們想象中的一樣，即水流的方向沿著管道的軸線，管中的液們想象中的一樣，即水流的方向沿著管道的軸線，管中的液 體質(zhì)點(diǎn)均保持直線運(yùn)動(dòng)，水流層與層之間互不干擾，這種流體質(zhì)點(diǎn)均保持直線運(yùn)動(dòng)，水流層與層之間互不干擾，這

44、種流 動(dòng)稱為層流。動(dòng)稱為層流。 當(dāng)閥門(mén)當(dāng)閥門(mén)B B逐漸開(kāi)大，管中的水流流速也相應(yīng)增大，此時(shí)會(huì)發(fā)逐漸開(kāi)大，管中的水流流速也相應(yīng)增大，此時(shí)會(huì)發(fā) 現(xiàn)，在流速增加到某一數(shù)值時(shí)，顏色水原直線的運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi)現(xiàn)，在流速增加到某一數(shù)值時(shí)，顏色水原直線的運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi) 始波動(dòng)，線條逐漸變粗，繼續(xù)增加流速，則顏色水迅速與周始波動(dòng)，線條逐漸變粗，繼續(xù)增加流速，則顏色水迅速與周 圍的清水相混合，這表明液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，各圍的清水相混合，這表明液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，各 層液體相互劇烈混合，產(chǎn)生隨機(jī)的脈動(dòng)，這種流動(dòng)稱為紊流。層液體相互劇烈混合，產(chǎn)生隨機(jī)的脈動(dòng)，這種流動(dòng)稱為紊流。 水流流速?gòu)男∽兇螅爻套枇η€的

45、走線為水流流速?gòu)男∽兇螅爻套枇η€的走線為A B C DA B C D。 若實(shí)驗(yàn)時(shí)流速由大變小，則上述現(xiàn)象以相反的程序重演，但若實(shí)驗(yàn)時(shí)流速由大變小，則上述現(xiàn)象以相反的程序重演，但 由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯牧魉儆晌闪鬓D(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯牧魉?( (下臨界流速下臨界流速) )要小于層流變?yōu)橐∮趯恿髯優(yōu)?紊流的流速紊流的流速 （上臨界流速），如圖（上臨界流速），如圖1-131-13所示。沿程阻力所示。沿程阻力 曲線的走線為曲線的走線為 D C AD C A。 e v e v 4.2兩種流動(dòng)形態(tài)兩種流動(dòng)形態(tài)層流與紊流層流與紊流 1、層流：亦稱片流，是指流體質(zhì)點(diǎn)不互相混雜，流體質(zhì)點(diǎn)作、層流：亦稱片流，是指流體質(zhì)點(diǎn)

46、不互相混雜，流體質(zhì)點(diǎn)作 有條不紊的有序的直線運(yùn)動(dòng)。有條不紊的有序的直線運(yùn)動(dòng)。 特點(diǎn)：有序性。水流呈層狀流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)作有序的直線運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：有序性。水流呈層狀流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)作有序的直線運(yùn)動(dòng)。 水頭損失與流速的一次方成正比。水頭損失與流速的一次方成正比。 在流速較小且雷諾數(shù)在流速較小且雷諾數(shù)Re較小時(shí)發(fā)生。較小時(shí)發(fā)生。 層流遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，粘性抑制或約束質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)。層流遵循牛頓內(nèi)摩擦定律，粘性抑制或約束質(zhì)點(diǎn)作橫向運(yùn)動(dòng)。 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 2、紊流：亦稱湍流，是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定，、紊流：亦稱湍流，是指隨流速增大，流層逐漸不穩(wěn)定， 質(zhì)點(diǎn)相互混摻，流體質(zhì)點(diǎn)沿

47、很不規(guī)則的路徑運(yùn)動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)相互混摻，流體質(zhì)點(diǎn)沿很不規(guī)則的路徑運(yùn)動(dòng)。 特點(diǎn)：無(wú)序性、隨機(jī)性、有旋性、混合性。特點(diǎn)：無(wú)序性、隨機(jī)性、有旋性、混合性。 水頭損失與流速的水頭損失與流速的1.752次方成正比。次方成正比。 在流速較大且雷諾數(shù)較大時(shí)發(fā)生。在流速較大且雷諾數(shù)較大時(shí)發(fā)生。 紊流受粘性和紊動(dòng)的共同作用。紊流受粘性和紊動(dòng)的共同作用。 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 思考：城市污水思考：城市污水 管網(wǎng)中的出水口管網(wǎng)中的出水口 （淹沒(méi)出流）附（淹沒(méi)出流）附 近的流體流動(dòng)屬近的流體流動(dòng)屬 于于何種何種流流態(tài)？態(tài)？ 紊流紊流 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表

48、明，同一實(shí)驗(yàn)裝置的臨界流速是不固定的。隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，同一實(shí)驗(yàn)裝置的臨界流速是不固定的。隨 著流動(dòng)的起始條件和實(shí)驗(yàn)條件的不同，外界干擾程度不同，著流動(dòng)的起始條件和實(shí)驗(yàn)條件的不同，外界干擾程度不同， 其上臨界流速差異很大，但是，其下臨界流速卻基本不變。其上臨界流速差異很大，但是，其下臨界流速卻基本不變。 在實(shí)際工程中，擾動(dòng)是普遍存在的，上臨界流速?zèng)]有實(shí)際意在實(shí)際工程中，擾動(dòng)是普遍存在的，上臨界流速?zèng)]有實(shí)際意 義，一般指的臨界流速即下臨界流速。義，一般指的臨界流速即下臨界流速。 上述實(shí)驗(yàn)觀察到兩種不同的流態(tài)，以及流態(tài)與管道流速之間上述實(shí)驗(yàn)觀察到兩種不同的流態(tài)，以及流態(tài)與管道流速之間 的關(guān)系。由雷

49、諾等人的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，流態(tài)不僅和斷面平的關(guān)系。由雷諾等人的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，流態(tài)不僅和斷面平 均流速均流速 有關(guān)，還和管徑有關(guān)，還和管徑d d、液體的粘性、液體的粘性 和密度和密度有關(guān)。有關(guān)。 即：流態(tài)既反映管道中流體的特性，同時(shí)也反映管道的特性。即：流態(tài)既反映管道中流體的特性，同時(shí)也反映管道的特性。 v 4.2.2流態(tài)判別雷諾數(shù)流態(tài)判別雷諾數(shù) 將上述四個(gè)參數(shù)合成一無(wú)量綱數(shù)（無(wú)具體單位），稱之為將上述四個(gè)參數(shù)合成一無(wú)量綱數(shù)（無(wú)具體單位），稱之為 雷諾數(shù)，用雷諾數(shù)，用ReRe表示：表示：Re=du/ 臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù): v Re2000 層流層流(滯流滯流)；Re 為為20004000 過(guò)渡

50、流；過(guò)渡流； Re4000 湍流湍流 v 應(yīng)該指出，在應(yīng)該指出，在2103 Re 4103時(shí)，可能是層流，也時(shí)，可能是層流，也 可能是湍流，是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，屬于過(guò)渡流?？赡苁峭牧鳎且环N不穩(wěn)定的狀態(tài)，屬于過(guò)渡流。 v 圓管流：圓管流：ReRec=2300為層流；為層流；ReRec=2300紊流紊流 d e c R c 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 液體在流動(dòng)的過(guò)程中，在水流的方向、壁面的粗糙程度、液體在流動(dòng)的過(guò)程中，在水流的方向、壁面的粗糙程度、 過(guò)流斷面的形狀和面積均不變的均勻流段上，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力過(guò)流斷面的形狀和面積均不變的均勻流段上，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力 稱為沿程阻力，

51、或稱摩擦阻力。沿程阻力的影響造成液體流動(dòng)稱為沿程阻力，或稱摩擦阻力。沿程阻力的影響造成液體流動(dòng) 過(guò)程中能量的損失或水頭損失，沿程阻力均勻的分布在整個(gè)均過(guò)程中能量的損失或水頭損失，沿程阻力均勻的分布在整個(gè)均 勻流流段上，與管段的長(zhǎng)度成正比，一般用勻流流段上，與管段的長(zhǎng)度成正比，一般用hfhf表示。表示。 另一類阻力，是發(fā)生在流動(dòng)邊界有急變的流域中，能量的損另一類阻力，是發(fā)生在流動(dòng)邊界有急變的流域中，能量的損 失主要集中在該流域及其附近流域，這種集中發(fā)生的能量損失失主要集中在該流域及其附近流域，這種集中發(fā)生的能量損失 或阻力稱局部阻力或局部損失，由局部阻力造成的水頭損失稱或阻力稱局部阻力或局部損失

52、，由局部阻力造成的水頭損失稱 為局部水頭損失。通常在管道的進(jìn)口、便截面管道、管道的連為局部水頭損失。通常在管道的進(jìn)口、便截面管道、管道的連 接處等部位，都會(huì)發(fā)生局部水頭損失，一般用接處等部位，都會(huì)發(fā)生局部水頭損失，一般用hj hj表示。表示。 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 蝶閥蝶閥 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 總結(jié)：總結(jié)：水流阻力與水頭損失水流阻力與水頭損失 產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動(dòng)。產(chǎn)生流動(dòng)阻力和能量損失的根源：流體的粘性和紊動(dòng)。 1.水頭損失的兩種形式水頭損失的兩種形式 沿程阻

53、力和沿程水頭損失沿程阻力和沿程水頭損失 沿程阻力：當(dāng)限制流動(dòng)的固體邊界使流體作均勻流動(dòng)時(shí)，流沿程阻力：當(dāng)限制流動(dòng)的固體邊界使流體作均勻流動(dòng)時(shí)，流 動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力，該阻力稱為沿程阻力。動(dòng)阻力只有沿程不變的切應(yīng)力，該阻力稱為沿程阻力。 沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起沿程水頭損失：由沿程阻力作功而引起的的水頭損失稱為沿程水頭損失稱為沿程 水頭損失。水頭損失。 局部阻力和局部水頭損失局部阻力和局部水頭損失 局部阻力：液流因固體邊界急劇改變而引起速度分布的變化，局部阻力：液流因固體邊界急劇改變而引起速度分布的變化， 從而產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。從而產(chǎn)生的阻力稱為局部阻力。 局部水頭損失：

54、由局部阻力作功而引起局部水頭損失：由局部阻力作功而引起的的水頭損失稱為局部水頭損失稱為局部 水頭損失。水頭損失。 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 特點(diǎn)特點(diǎn) 沿程水頭損失沿程水頭損失hf：主要由于：主要由于“摩擦阻力摩擦阻力”所引起的，隨流程所引起的，隨流程 的增加而增加。的增加而增加。 在較長(zhǎng)的直管道和明渠中是以在較長(zhǎng)的直管道和明渠中是以hf為主的流動(dòng)。局部阻力水頭為主的流動(dòng)。局部阻力水頭 損失損失hj ：主要是因?yàn)楣腆w邊界形狀突然改變，從而引起水：主要是因?yàn)楣腆w邊界形狀突然改變，從而引起水 流內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，產(chǎn)生漩渦，以及在局部阻力之后，流內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，產(chǎn)生漩渦，以及

55、在局部阻力之后， 水流還要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)新的均勻流條件所造成的。水流還要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)新的均勻流條件所造成的。 例例“彎頭彎頭”，“閘門(mén)閘門(mén)”，“突然擴(kuò)大突然擴(kuò)大”等。等。 水頭損失的疊加原理水頭損失的疊加原理 流段兩截面間的水頭損失為兩截面間的所有沿程損失和所有流段兩截面間的水頭損失為兩截面間的所有沿程損失和所有 局部損失的總和。局部損失的總和。 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 如圖如圖1-151-15所示的管道流動(dòng)，其中所示的管道流動(dòng)，其中abab，bcbc和和cdcd各只有沿程阻各只有沿程阻 力力 ， ， 和是各段的沿程水頭損失；管道入口、管截和是各段的沿程水頭

56、損失；管道入口、管截 面突變及閥門(mén)處產(chǎn)生的局部水頭損失，面突變及閥門(mén)處產(chǎn)生的局部水頭損失， 和和hjchjc是各處的是各處的 局部水頭損失。整個(gè)管道的水頭損失局部水頭損失。整個(gè)管道的水頭損失hwhw等于各段的沿程損失等于各段的沿程損失 和各處的局部損失的總和。和各處的局部損失的總和。 ab f h bc f h cd f h jbjc hh , a bcd 1 1 h a j hf ab h b j fh h c jbc hf cd 1 2g 2 2 2g 2 2 2 2g h = hf+hj 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 4.3均勻流沿程水頭損失均勻流沿程水頭損失 4.3

57、.1沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系沿程損失與切應(yīng)力的關(guān)系 均勻流基本方程：均勻流基本方程： 4.3.2沿程損失通用公式沿程損失通用公式 通用公式；通用公式； 圓管：圓管： gR L hf 24 2 gd L hf 2 2 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 4.4圓管層流的沿程損失圓管層流的沿程損失 4.4.1斷面流速分布特征斷面流速分布特征 層流時(shí)，速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布。截面上各點(diǎn)流速層流時(shí)，速度沿管徑按拋物線的規(guī)律分布。截面上各點(diǎn)流速 的平均值的平均值u為管中心最大流速的為管中心最大流速的0.5倍。倍。 4.4.2沿程損失與沿程阻力系數(shù)沿程損失與沿程阻力系數(shù) 層流時(shí)摩擦系數(shù)：

58、層流時(shí)摩擦系數(shù)： 物理意義：圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流速的一物理意義：圓管層流中，沿程水頭損失與斷面平均流速的一 次方成正比，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。次方成正比，而與管壁粗糙度無(wú)關(guān)。 紊流：穆迪圖紊流：穆迪圖 uum max 2 1 Re 64 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 4.5紊流流動(dòng)特征紊流流動(dòng)特征 4.5.1紊流的形成過(guò)程紊流的形成過(guò)程 紊流的特點(diǎn)：無(wú)序性：流體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，運(yùn)動(dòng)無(wú)序，運(yùn)動(dòng)紊流的特點(diǎn)：無(wú)序性：流體質(zhì)點(diǎn)相互混摻，運(yùn)動(dòng)無(wú)序，運(yùn)動(dòng) 要素具有隨機(jī)性。耗能性：除了粘性耗能外，還有更主要要素具有隨機(jī)性。耗能性：除了粘性耗能外，還有更主要 的由于紊動(dòng)產(chǎn)生附加

59、切應(yīng)力引起的耗能。擴(kuò)散性：除分子的由于紊動(dòng)產(chǎn)生附加切應(yīng)力引起的耗能。擴(kuò)散性：除分子 擴(kuò)散外，還有質(zhì)點(diǎn)紊動(dòng)引起的傳質(zhì)、傳熱和傳遞動(dòng)量等擴(kuò)散擴(kuò)散外，還有質(zhì)點(diǎn)紊動(dòng)引起的傳質(zhì)、傳熱和傳遞動(dòng)量等擴(kuò)散 性能。性能。 4.5.4層流底層與紊流流核層流底層與紊流流核 1、粘性底層：粘性底層：圓管作紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近管壁處存在著一薄層，圓管作紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近管壁處存在著一薄層， 該層內(nèi)流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流附加切應(yīng)力該層內(nèi)流速梯度較大，粘性影響不可忽略，紊流附加切應(yīng)力 可以忽略，速度近似呈線性分布，可以忽略，速度近似呈線性分布， 這一薄層就稱為粘性底這一薄層就稱為粘性底 層。層。 第第4章章 流動(dòng)形

60、態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 說(shuō)明說(shuō)明: :粘性底層厚度很薄，一般只有十分之幾毫米；粘性底層厚度很薄，一般只有十分之幾毫米； 當(dāng)管徑當(dāng)管徑d d相同時(shí)，隨著液流的流動(dòng)速度增大，雷諾數(shù)相同時(shí)，隨著液流的流動(dòng)速度增大，雷諾數(shù) 增大，粘性底層變薄。增大，粘性底層變薄。 2、紊流核心：紊流核心：粘性底層之外的液流統(tǒng)稱為紊流核心。粘性底層之外的液流統(tǒng)稱為紊流核心。 判斷：紊流核心的切應(yīng)力以附加切應(yīng)力為主，粘性判斷：紊流核心的切應(yīng)力以附加切應(yīng)力為主，粘性 切應(yīng)力可以忽略。切應(yīng)力可以忽略。 對(duì)對(duì) 第第4章章 流動(dòng)形態(tài)與水頭損失流動(dòng)形態(tài)與水頭損失 4.5.54.5.5水力光滑壁面與水力粗糙壁面水力光滑壁面與