礦山機械基礎知識課件

1、 礦山固定機械 第一講：流體靜力學一、流體的物理性質二、流體的靜力學方程式三、流體帕斯卡原理四、壓力的測量五、等壓面與連通器一、流體力學研究對象和任務 流體是液體和氣體的總稱。它們的共同特點是不能像固體那樣單獨地保持一定的形狀，而且具有流動性。因此，流體力學是研究流體的平衡和運動規(guī)律的科學。它用理論分析與實驗相結合的方法，建立起流體中的作用力、運動速度和壓強之間的關系，并用得到的規(guī)律解決工程中的實際問題。 我們學習流體力學的目的，是為學習礦山排水、通風和壓風設備等專業(yè)知識提供必要的理論基礎。 第一章 流體力學基礎 第一節(jié) 概述二、液體的主要物理性質 研究液體的平衡與運動規(guī)律，必須首先了解液體的

2、主要物理性質。在研究過程中我們認定：液體質點完全占滿所占空間，沒有空隙存在；物理性質和運動要素都是連續(xù)分布的；液體為均質，各部分和各方向的物理性質都是一樣的。液體能承受較大的壓應力，卻幾乎不能承受拉應力因液體的各質點之間的內聚力極小，易于流動，它不能自由地保持固定形狀，只能隨容器的形狀而改變，這種特性叫做流動性。 液體和氣體的主要區(qū)別是：液體可以隨容器形狀的不同而改變其形狀，且在相當大的外力作用下，亦幾乎不改變其原有的體積，故通常稱為不可壓縮流體。液體與其它流體形成的分界面，稱為自由面。氣體則具有很大的壓縮性和膨脹性。 對氣體施加外力，其體積很容易縮??；反之，外力無限減小，氣體則無限地膨脹，充

3、滿容納它的空間，所以它沒有自由表面，故通常稱為可壓縮流體。但是流體的可壓縮性與不可壓縮性都是相對某一種情況而言的，不是所有液體在任何情況下都作為不可壓縮流體來看待，亦不是所有氣體都必須作為可壓縮流體來處理。1、密度和重度密度：對于均質液體，單位體積內所具有的質量叫做密度，用符號表示。 =m/v液體的密度， kg / m3，m液體質量， kg ; v液體體積， rn3 重度：液體單位體積內所具有的重量，叫做液體的重度，用符號表示。=G/vG 液體的重力， N 。重力是地球對液體質量的吸引力； 液體的重度， N m3 液體重度和密度與壓力和溫度有關，但因其變化很小，一般也可以看成是不變的，故視為常

4、數。根據重力和質量的關系，重度和密度具有下列關系: =g.式中 ：g 為重力加速度，計算 時采用 g = 9 . 81m/s2。2、粘性及粘性系數（粘度） 當液流做相對運動時，由于液體與固體界壁的附著力及液體本身的內聚力，故液體各處的流速不同。以圓筒中的液流為例，接近筒心處速度大，靠近管壁處速度則小。如圖 1 一 1 所示，各層流之間，速度較小的薄層將阻止相鄰速度較大的薄層運動，這樣在各液流層的接觸面上產生類似于固體的摩擦過程，也就是在液流層之間產生內摩擦力或切應力。液體流動時，液體內部產生的內摩擦力或切應力的性質，叫做液體的粘性。靜止液體不存在粘性，流動液體才具有粘性。表示液體粘性大小的系數

5、，叫粘度。同一流體的粘性與流體的溫度有很大關系，而與壓力關系不大。氣體的粘度隨溫度升高而增大，而液體的粘度隨溫度升高而減小。粘度的表示方法有：動力粘度；運動粘度；條件粘度。1）、動力粘度物理意義：單位速度梯度時，相鄰液層間單位面積上內磨擦力的大小。液體處于靜止狀態(tài)時，液體的內磨擦力為零，法定計量單位：Pas（帕秒）。2）、運動粘度液體的動力粘度與密度的比值，稱為運動粘度，用符號表示，運動粘度沒有明確的物理意義。沿用的運動粘度單位是St（斯）和cSt（厘斯）。液壓油的牌號是以40時運動運動粘度的mm2/s數值命名的 。3）、相對粘度相對粘度又稱條件粘度，它們都是用一定量的液體，在一定條件下通過測

6、量儀器的時間來間接表示液體的粘性。常用的是恩氏粘度。3、可壓縮性和膨脹性： 流體受壓力作用而發(fā)生體積減小和溫度升高而體積增大的性質。 第二節(jié) 流體靜力學基礎 流體靜力學是研究流體在外力作用下的平衡規(guī)律，即研究流體在外力作用下處于靜止或相對靜止的規(guī)律。一、流體靜壓力及其特性（一）流體靜壓力由于外力作用，在靜止流體內部產生的壓力，叫做流體靜壓力。靜壓力的單位是 Pa ，亦可用 N m2。作用在面積 S 上的表面力如果是很均勻時，則： p=P/S （Pa）（二）流體靜壓力的特性流體靜壓力有兩個重要特性：（1） 流體靜壓力的方向總是垂自于作用面，并指向作用面（即作用面的內法線方向一致）。（2） 靜止的

7、流體中任何一點所受到各個方向的靜壓力均相等，與作用面的方位無關。二、流體靜力學基本方程現分析小圓柱體的受力情況： ( l ）作用在上表面的力 P0S ，方向向下； ( 2 ）重力 G=S（Z0Z）方向向下；下部液體對液柱的支撐力pS，方向向上。作用在液柱周圍且垂直液柱表面的力，因為他們圍繞液柱作對稱分布而且大小相等，所以相互平衡。因此沿液柱垂直軸線力的平衡力程式為： P0S+S（Z0Z）pS=0 消去上式各項中的S 并移項得： P=P0+（Z0Z） P=P0+h三、等壓面與連通器 1 等壓面由流體靜力學的基本方程可知，在重力作用下的靜止液體中，距任一從準而高度 h 相等的各點，壓力是相等的。這

8、些壓力相等的點所組成的面叫做等壓面，如圖1一 3 所示。顯然，重力作用下的靜止液體中，任意一個水平而都是等壓面。但必須注意，這個結淪只對互相連通而又是相同的液體才適用。如果中間被氣體或另一種液體隔斷，以及不相連通的液體，同一水平面并不是等壓面。 ( 2 ）在質量力不僅是重力還有慣性力（相對平衡液體）時，等壓面不一定是水平面。如圖 1 一 4 所示，圓筒容器以等角速度圍繞中心軸轉動時，其自由面（等壓面）為一拋物面。 2 連通器所謂連通器，就是互相連通的兩個或幾個容器，如圖 1 一 5 所示。 總之，對于僅受重力作用的平衡液體的等壓面可總結出以下兩條： ( l ）在連通器的同一種液體中，任何一個水

9、平面皆為等壓面。 ( 2 ）在連通器的兩種不相混的液體中，通過兩種液體分界面的水平面是等壓面。四、帕斯卡定理在密閉容器內的平衡液體中，任意一點的壓力如有變化，這個壓力的變化值將傳給液體中的所有各點，而且其值不變，這就是帕斯卡定理。帕斯卡定理在機械工程中得到廣泛應用，例如液壓機、液壓起重機、液壓制動器都是根據帕斯一卡定理進行工作的。五、靜壓力的測量1、液體靜壓力的表示方法 ( l ）絕對壓力：以完全真空為基準算起的壓力叫做絕對壓力，即： p 絕 pah 式中 pa 大氣壓力。 ( 2 ）相對壓力（又稱表壓力或計示壓力）：以大氣壓為基準算起的壓力叫做相對壓力 。 P表=P絕Pa=h( 3 ）真空度

10、（又稱負壓）：絕對壓力低于大氣壓力時，把絕對壓力小于大氣壓力的那一部分稱為真空度。 即：P真=PaP絕絕對壓力、相對壓力、真空度之間的關系可用圖 1 一 8 表示 。壓力的單位用作用在單位面積上的力表示，其單位為 Pa 或 N m2。 2 壓力的測量測量壓力的儀表稱為測壓計。測壓計有兩類：一類是可以測量較高壓力的金屬壓力表（通稱壓力表）；另一類是測量較低壓力的液柱式測壓計，做成直管形式的稱為測壓管，做成 U 形的稱 U 形測壓計。 第二講：流體動力學基礎一、流體動力學基本概念二、流體的連續(xù)性方程式三、流體的能量方程式四、流體流動時的流動狀態(tài)及水頭損失 第三節(jié) 流體動力學基礎 流體動力學是研究流

11、體運動的一般規(guī)律及其在工程上的實際應用。 一、流體動力學的基本概念1、穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動1）穩(wěn)定流動：在所研究的充滿著運動流體的空間（簡稱流場）中任意取一點，如果在不同時間內流體各質點流經此空間點時，其壓力和流速不變的流動稱為穩(wěn)定流動。 2）非穩(wěn)定流動：如果流體各質點流經某空間點時，其壓力和速度隨時間而變化的流動稱為非穩(wěn)定流動。 2 流線、跡線和流束 1）流線：流線是流場中某一瞬間的一條空間曲線，在該線上各點的流體質點所具有的速度方向與曲線在該點的切線方向重合。2 ）跡線：跡線是流體的某一質點，在某一時間內的運動軌跡。3 ）流束：在流動液體中取出一個微小的封閉曲線，經曲線上的每一點繪出流線，

12、這些流線組成流管，流管中所包括的一小束流體就叫做流束，如圖 1一 12 所示。無數微小流束加起來就是液體運動的總流。3 過流斷面、流量、平均流速 1）過流斷面：和液流流動方向相垂直的液流橫斷面積，叫做過流斷面。流線彼此平行時過流斷面為平面；流線彼此不平行時，過流斷面為曲面，如圖 1一 13 所示。 在過流斷面上，液體與固體周界的接觸線長稱為濕周或潤周，如圖 1 一 14 所示?？偭鞯倪^流斷面面積與濕周之比稱為水力半徑，用符號 R 表示，即：R=A/X 2 ）流量：單位時間內流過某通流截面的流體體積稱為流量，用符號 Q 表示。3）平均流速：液體流動時，由于流體與固體壁之間、流體本身質點間都有阻力

13、產生，在過流斷面上各點的流速是不同的，一般與固體壁接近的流速變慢接近于零，而中心部最快，如圖 1 一15所示。二、流體的連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體應用。液流的連續(xù)性是指液體在穩(wěn)定流動時，充滿它所占據的空間，其內部密度無疏密變化，且液流不發(fā)生間斷和泄漏的液體流動。當液體在管道內做穩(wěn)定流動時，根據質量守恒定律，質量既不增多，亦不減少，在單位時間內流過每一截面的流體質量必然相等。這一結論用數學表達式表達，就是連續(xù)性方程。設管道任兩個通流截面面積分別為 S1 、 S2 ，流速分別為：V1、 V2 ，密度為，如圖 1 - 16 所示，則有： V1 S1 = V2 S2 = 常數

14、 = Q （1-12）三、理想流體動力學基本方程 理想流體動力學方程也就是伯努利方程，它是研究流體運動時其位置、流速、壓力相互轉化的方程。 理想液體沒有粘性，它在管內做穩(wěn)定流動時沒有能量損失。根據質量守恒定理，同一管道內每一截面上的總能量都是相等的。 P1/+Z1+v12/2g = P2/+Z2+v22/2g P/+Z+v2/2g =常數伯努利方程的物理意義為：在管道內做穩(wěn)定流動的理想液體具有壓力能、位能和動能。在任一截面上這三種能量都可以相互轉化，但其總和卻保持不變。靜壓基本方程是伯努利方程在流速為零時的特例。四、實際流體的動力學方程及其應用 實際流體的伯努利方程實際流體是有粘性和可壓縮的，

15、在運動時由于摩擦要損耗一部分能量，能量損耗用損失失水頭 hw 表示；則實際流體的伯努利方程式為： P1/+Z1+1v12/2g = P2/+Z2+2v22/2g +hw 第四節(jié) 液體的流動狀態(tài)和損失水頭一、液體的流動狀態(tài) 所有粘性液體在流動時都具有兩種不同的狀態(tài)，即層流和紊流。1、層流運動：流體運動時，各質點做分層運動，流體質點在流層之間不發(fā)生混雜，規(guī)則的層狀運動，如圖 1一 21a 所示。2、紊流運動：流體運動時，形成紊亂的形態(tài)，流體質點不保持在某一固定層內運動有交混和碰撞，產生動能交換，形成無規(guī)則的混亂狀態(tài)，如圖 1 一 2lb 所示。層流和紊流是兩種不同性質的流動狀態(tài)。層流時粘性力起主導作用，液體質點受粘性的約束不能隨意流動；紊流時慣性力起主導作用，液體質點在高速流動時粘性不能約束它。液體流動時究竟是層流還是紊流，須用雷諾數判別：Re =vd/。Re臨界 2320 ；Re Re臨界時，液體流動狀態(tài)為紊流。二、液流在管路中的水頭損失液體在管路中流動時，必然要遇到各種阻力，為了克服這些阻力，就要損