流體力學原理稻谷書苑

1、李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-31 基礎(chǔ)篇第一章 流體力學基本知識李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-32一、流體的概念 液體和氣體易于流動，統(tǒng)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(yīng)用的科學李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-33三、流體的主要物理性質(zhì)1、密度及比容： 物體單位容積所具有的質(zhì)量稱為密度；而密度的倒數(shù)即單位質(zhì)量的容積稱為比容 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-342、容重或重度物體單位容積的重量李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-353、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(zhì)2）膨脹性：容積與溫度變化成比例的性質(zhì)李崢嶸李崢嶸 博

2、士2021-11-36液體的壓縮性及膨脹性很小、在很多工程技術(shù)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(yīng)考慮其膨脹性，如在熱水工程中設(shè)膨脹水箱、安全閥等。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-37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(guān)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(yīng)用中可視為常數(shù)。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-38 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(zhì)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。

3、李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-395、粘滯性 流體在運動中，由于分子間的動量交換和分子間的作用力會引起內(nèi)摩擦阻力，這種性質(zhì)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(guān)的內(nèi)摩擦定律為 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-310李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-311李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-312四、計量單位1、國際單位1）基本單位：長度、質(zhì)量、時間、熱力學溫度、物質(zhì)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(guān)的是前5種相應(yīng)的單位名稱和符號為米(m)、千克(kg)

4、、秒(s)、開爾文（k）、摩爾(mol)，李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3132）導(dǎo)出量和導(dǎo)出單位均以基本量和基本單位表示，如速度為ms、密度為kgm3、耗熱量為w等。 . 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3142、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kgm3、速度為ms、容重為kgm3、壓強為kgcm2及熱量(cal)等李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-315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(yīng)用的科學。由于，不呈現(xiàn)粘滯性，不存在切力，也不能承受拉力，故其所受

5、的力只能是壓力。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-316二、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 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-317李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-318三、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，即垂直指向作用面。這是因為靜止流體內(nèi)的應(yīng)力只能是壓應(yīng)力； (2)流體中任一點靜水壓強的大小與作用的方向無關(guān)。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(yīng)力而達到平衡。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-319四、流體靜力學基本方程李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-320李崢嶸李崢嶸 博士

6、2021-11-321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(guān)，或者說與所處空間位置有關(guān)在流體動力學中，壓強還與運動情況有關(guān) 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-322二、流體運動的基本概念流體運動是由無數(shù)流體質(zhì)點的運動所組成的，且各質(zhì)點之間都有力相互作用，質(zhì)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。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3231、流線液流中同一瞬間由許多質(zhì)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

7、況(圖31)李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3242、流管在液流中取一封閉垂直于流向的平面，在其中劃出權(quán)微小面積，則其周邊上各點的流線構(gòu)成流管3、流束流管內(nèi)流線的總和4、股流充滿流管內(nèi)的流體李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3255、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。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-326三、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(xiàn)復(fù)雜的運動情況。常根據(jù)運動特點對其進行分類。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-327 1根據(jù)流動要素(流速與壓

8、強)與流行時間分類1）恒定流流場內(nèi)任一點的流速與壓強不隨時間變化，而僅與所處位置有關(guān)的流體流動稱為恒定流。在這種流動中流線與質(zhì)點運動的軌跡相重合。2）非恒定流運動流體各質(zhì)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(fù)雜，以后一般問題多為恒定流的。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-328 2根據(jù)流體流速變化分類1）均勻流流體流速的的水流稱為均勻流。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(nèi)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

9、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。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-329 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，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，但者稱為無壓流或重力流。如河流、明渠等。3）射流的液流，如噴泉、消火桂等噴射的水柱。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-330 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

10、平面。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3312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32)。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-332為計算方便，常取過流斷面上的平均流速 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3333、流量李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-334五、流體運動的基本方程1、連續(xù)性方程李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3352、能量方程李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-336李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-337李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-

11、338李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-339李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-340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。，因此計算流體的阻力損失應(yīng)了解水流的形態(tài)。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-341 一、 流體的流動形態(tài) 流體在流動中，由于流速不同而呈現(xiàn)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(nèi)顏色水成一穩(wěn)定細梳，這種流型稱為。當閥門開大，水流速增加時，管中有色線產(chǎn)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。 李

12、崢嶸李崢嶸 博士2021-11-342 2、雷諾數(shù) 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：李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-343李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3443、沿程損失和局部損失1）沿程損失 流體流動中為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： 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-345 2）局部損失 流體運動過程中，通過斷面變化處、轉(zhuǎn)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，這種由引起的阻力損失稱為局部損失。計算公式為 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3463

13、）管道總阻力李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-347第五章 傳熱學基礎(chǔ)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(chǎn)技術(shù)中，傳熱是一種普遍現(xiàn)象。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-348一、傳熱的分類根據(jù)物體溫度與時間的變化關(guān)系1、穩(wěn)定熱傳遞物體中的熱傳遞過程2、非穩(wěn)定熱傳遞物體中各點溫度隨時間而改變的。李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-349二、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(nèi)）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

14、能量，物體溫度降低。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3503、溫度李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-351 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(xiàn)象稱熱膨脹。這是物質(zhì)內(nèi)能增加使分子間隔增大的結(jié)果線膨脹指溫度增加后在長度方向的增長。線膨脹系數(shù)： 。體積膨脹系數(shù)：將上述公式中的l改為v李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3525、比容或比熱李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-353三、傳熱方式 物體的傳熱方式可分為三種導(dǎo)熱對流輻射李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-354 1、導(dǎo)熱 由于物體內(nèi)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(dǎo)熱過程 李崢

15、嶸李崢嶸 博士2021-11-3552、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。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。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；如果沒有外力作用，僅由部分流體受熱膨脹，密度減小產(chǎn)生浮力流動換熱稱為。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-356 對流換熱的計算可采用牛頓換熱式： 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3573、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(dǎo)熱和對流換熱不同，熱輻射，故可在真空中進行。的輻射能在同溫度物體中

16、為最大。黑體單位時間內(nèi)發(fā)出的輻射熱量與其絕對溫度 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-358四、 熱媒的性質(zhì) 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(guān)性質(zhì)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。但其膨脹卻不可忽視。水的體膨脹系數(shù)約為00006，若不考慮加熱后的體積膨脹，則將脹破加熱設(shè)備。此外。0度的水結(jié)冰，體積將增大約11，會產(chǎn)生巨大脹力，對自然界物質(zhì)及生活生產(chǎn)都有極大的影響。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-359李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-360李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3612、蒸汽李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-362可以用為加

17、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。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-363 2蒸汽的性質(zhì) (1)汽化熱或潛熱。飽和水再加熱即轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽，需要吸取的汽化熱 2260jkg凝結(jié)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 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-364 (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(tǒng)中，蒸汽的流速也可高得多

18、，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(chǎn)生很大的靜壓力。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-365(3)狀態(tài)參數(shù)蒸汽的狀態(tài)參數(shù)是表現(xiàn)其在熱力特性方面的物理量。這些參數(shù)有溫度、比熱容或密度、壓力、汽化熱等。蒸汽在鍋爐中產(chǎn)生后，由蒸汽壓力沿輸送管道系統(tǒng)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(jié)水。在這些變化中，蒸汽狀態(tài)參數(shù)隨之變化。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-366李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-367(4) 熱隋性蒸汽供熱系統(tǒng)的熱隋性較小。蒸汽供汽時，熱得很快，且散熱設(shè)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。 李崢嶸李崢嶸 博士2021-11-3683、空氣1）成分：氮氣、氧氣及少量的二氧化碳和其他氣體，還含有或多或少的水蒸汽，其中