礦山機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)課件

1、 礦山固定機(jī)械 第一講：流體靜力學(xué)一、流體的物理性質(zhì)二、流體的靜力學(xué)方程式三、流體帕斯卡原理四、壓力的測(cè)量五、等壓面與連通器一、流體力學(xué)研究對(duì)象和任務(wù) 流體是液體和氣體的總稱。它們的共同特點(diǎn)是不能像固體那樣單獨(dú)地保持一定的形狀，而且具有流動(dòng)性。因此，流體力學(xué)是研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。它用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立起流體中的作用力、運(yùn)動(dòng)速度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系，并用得到的規(guī)律解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。 我們學(xué)習(xí)流體力學(xué)的目的，是為學(xué)習(xí)礦山排水、通風(fēng)和壓風(fēng)設(shè)備等專業(yè)知識(shí)提供必要的理論基礎(chǔ)。 第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié) 概述二、液體的主要物理性質(zhì) 研究液體的平衡與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須首先了解液體的

2、主要物理性質(zhì)。在研究過(guò)程中我們認(rèn)定：液體質(zhì)點(diǎn)完全占滿所占空間，沒(méi)有空隙存在；物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)要素都是連續(xù)分布的；液體為均質(zhì)，各部分和各方向的物理性質(zhì)都是一樣的。液體能承受較大的壓應(yīng)力，卻幾乎不能承受拉應(yīng)力因液體的各質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)聚力極小，易于流動(dòng)，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(dòng)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(dāng)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(duì)氣體施加外力，其體積很容易縮小；反之，外力無(wú)限減小，氣體則無(wú)限地膨脹，充

3、滿容納它的空間，所以它沒(méi)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(duì)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(lái)看待，亦不是所有氣體都必須作為可壓縮流體來(lái)處理。1、密度和重度密度：對(duì)于均質(zhì)液體，單位體積內(nèi)所具有的質(zhì)量叫做密度，用符號(hào)表示。 =m/v液體的密度， kg / m3，m液體質(zhì)量， kg ; v液體體積， rn3 重度：液體單位體積內(nèi)所具有的重量，叫做液體的重度，用符號(hào)表示。=G/vG 液體的重力， N 。重力是地球?qū)σ后w質(zhì)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(guān)，但因其變化很小，一般也可以看成是不變的，故視為常

4、數(shù)。根據(jù)重力和質(zhì)量的關(guān)系，重度和密度具有下列關(guān)系: =g.式中 ：g 為重力加速度，計(jì)算 時(shí)采用 g = 9 . 81m/s2。2、粘性及粘性系數(shù)（粘度） 當(dāng)液流做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于液體與固體界壁的附著力及液體本身的內(nèi)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(yùn)動(dòng)，這樣在各液流層的接觸面上產(chǎn)生類似于固體的摩擦過(guò)程，也就是在液流層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力或切應(yīng)力。液體流動(dòng)時(shí)，液體內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力或切應(yīng)力的性質(zhì)，叫做液體的粘性。靜止液體不存在粘性，流動(dòng)液體才具有粘性。表示液體粘性大小的系數(shù)

5、，叫粘度。同一流體的粘性與流體的溫度有很大關(guān)系，而與壓力關(guān)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(dòng)力粘度；運(yùn)動(dòng)粘度；條件粘度。1）、動(dòng)力粘度物理意義：?jiǎn)挝凰俣忍荻葧r(shí)，相鄰液層間單位面積上內(nèi)磨擦力的大小。液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，液體的內(nèi)磨擦力為零，法定計(jì)量單位：Pas（帕秒）。2）、運(yùn)動(dòng)粘度液體的動(dòng)力粘度與密度的比值，稱為運(yùn)動(dòng)粘度，用符號(hào)表示，運(yùn)動(dòng)粘度沒(méi)有明確的物理意義。沿用的運(yùn)動(dòng)粘度單位是St（斯）和cSt（厘斯）。液壓油的牌號(hào)是以40時(shí)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度的mm2/s數(shù)值命名的 。3）、相對(duì)粘度相對(duì)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(guò)測(cè)

6、量?jī)x器的時(shí)間來(lái)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(zhì)。 第二節(jié) 流體靜力學(xué)基礎(chǔ) 流體靜力學(xué)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(duì)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(nèi)部產(chǎn)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(shí)，則： p=P/S （Pa）（二）流體靜壓力的特性流體靜壓力有兩個(gè)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(nèi)法線方向一致）。（2） 靜止的

7、流體中任何一點(diǎn)所受到各個(gè)方向的靜壓力均相等，與作用面的方位無(wú)關(guān)。二、流體靜力學(xué)基本方程現(xiàn)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(duì)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?yàn)樗麄儑@液柱作對(duì)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(xiàng)中的S 并移項(xiàng)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(xué)的基本方程可知，在重力作用下的靜止液體中，距任一從準(zhǔn)而高度 h 相等的各點(diǎn)，壓力是相等的。這

8、些壓力相等的點(diǎn)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(gè)水平而都是等壓面。但必須注意，這個(gè)結(jié)淪只對(duì)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(zhì)量力不僅是重力還有慣性力（相對(duì)平衡液體）時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(gè)或幾個(gè)容器，如圖 1 一 5 所示。 總之，對(duì)于僅受重力作用的平衡液體的等壓面可總結(jié)出以下兩條： ( l ）在連通器的同一種液體中，任何一個(gè)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(guò)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(nèi)的平衡液體中，任意一點(diǎn)的壓力如有變化，這個(gè)壓力的變化值將傳給液體中的所有各點(diǎn)，而且其值不變，這就是帕斯卡定理。帕斯卡定理在機(jī)械工程中得到廣泛應(yīng)用，例如液壓機(jī)、液壓起重機(jī)、液壓制動(dòng)器都是根據(jù)帕斯一卡定理進(jìn)行工作的。五、靜壓力的測(cè)量1、液體靜壓力的表示方法 ( l ）絕對(duì)壓力：以完全真空為基準(zhǔn)算起的壓力叫做絕對(duì)壓力，即： p 絕 pah 式中 pa 大氣壓力。 ( 2 ）相對(duì)壓力（又稱表壓力或計(jì)示壓力）：以大氣壓為基準(zhǔn)算起的壓力叫做相對(duì)壓力 。 P表=P絕Pa=h( 3 ）真空度

10、（又稱負(fù)壓）：絕對(duì)壓力低于大氣壓力時(shí)，把絕對(duì)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(duì)壓力、相對(duì)壓力、真空度之間的關(guān)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(cè)量測(cè)量壓力的儀表稱為測(cè)壓計(jì)。測(cè)壓計(jì)有兩類：一類是可以測(cè)量較高壓力的金屬壓力表（通稱壓力表）；另一類是測(cè)量較低壓力的液柱式測(cè)壓計(jì)，做成直管形式的稱為測(cè)壓管，做成 U 形的稱 U 形測(cè)壓計(jì)。 第二講：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)及水頭損失 第三節(jié) 流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 流體動(dòng)力學(xué)是研究流

11、體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律及其在工程上的實(shí)際應(yīng)用。 一、流體動(dòng)力學(xué)的基本概念1、穩(wěn)定流動(dòng)和非穩(wěn)定流動(dòng)1）穩(wěn)定流動(dòng)：在所研究的充滿著運(yùn)動(dòng)流體的空間（簡(jiǎn)稱流場(chǎng)）中任意取一點(diǎn)，如果在不同時(shí)間內(nèi)流體各質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)此空間點(diǎn)時(shí)，其壓力和流速不變的流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)。 2）非穩(wěn)定流動(dòng)：如果流體各質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)某空間點(diǎn)時(shí)，其壓力和速度隨時(shí)間而變化的流動(dòng)稱為非穩(wěn)定流動(dòng)。 2 流線、跡線和流束 1）流線：流線是流場(chǎng)中某一瞬間的一條空間曲線，在該線上各點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)所具有的速度方向與曲線在該點(diǎn)的切線方向重合。2 ）跡線：跡線是流體的某一質(zhì)點(diǎn)，在某一時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。3 ）流束：在流動(dòng)液體中取出一個(gè)微小的封閉曲線，經(jīng)曲線上的每一點(diǎn)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(wú)數(shù)微小流束加起來(lái)就是液體運(yùn)動(dòng)的總流。3 過(guò)流斷面、流量、平均流速 1）過(guò)流斷面：和液流流動(dòng)方向相垂直的液流橫斷面積，叫做過(guò)流斷面。流線彼此平行時(shí)過(guò)流斷面為平面；流線彼此不平行時(shí)，過(guò)流斷面為曲面，如圖 1一 13 所示。 在過(guò)流斷面上，液體與固體周界的接觸線長(zhǎng)稱為濕周或潤(rùn)周，如圖 1 一 14 所示?？偭鞯倪^(guò)流斷面面積與濕周之比稱為水力半徑，用符號(hào) R 表示，即：R=A/X 2 ）流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)某通流截面的流體體積稱為流量，用符號(hào) Q 表示。3）平均流速：液體流動(dòng)時(shí)，由于流體與固體壁之間、流體本身質(zhì)點(diǎn)間都有阻力

13、產(chǎn)生，在過(guò)流斷面上各點(diǎn)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(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。液流的連續(xù)性是指液體在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，充滿它所占據(jù)的空間，其內(nèi)部密度無(wú)疏密變化，且液流不發(fā)生間斷和泄漏的液體流動(dòng)。當(dāng)液體在管道內(nèi)做穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量既不增多，亦不減少，在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)每一截面的流體質(zhì)量必然相等。這一結(jié)論用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，就是連續(xù)性方程。設(shè)管道任兩個(gè)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(shù)

14、 = Q （1-12）三、理想流體動(dòng)力學(xué)基本方程 理想流體動(dòng)力學(xué)方程也就是伯努利方程，它是研究流體運(yùn)動(dòng)時(shí)其位置、流速、壓力相互轉(zhuǎn)化的方程。 理想液體沒(méi)有粘性，它在管內(nèi)做穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)沒(méi)有能量損失。根據(jù)質(zhì)量守恒定理，同一管道內(nèi)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(shù)伯努利方程的物理意義為：在管道內(nèi)做穩(wěn)定流動(dòng)的理想液體具有壓力能、位能和動(dòng)能。在任一截面上這三種能量都可以相互轉(zhuǎn)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(shí)的特例。四、實(shí)際流體的動(dòng)力學(xué)方程及其應(yīng)用 實(shí)際流體的伯努利方程實(shí)際流體是有粘性和可壓縮的，

15、在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí)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(dòng)狀態(tài)和損失水頭一、液體的流動(dòng)狀態(tài) 所有粘性液體在流動(dòng)時(shí)都具有兩種不同的狀態(tài)，即層流和紊流。1、層流運(yùn)動(dòng)：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)做分層運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)在流層之間不發(fā)生混雜，規(guī)則的層狀運(yùn)動(dòng)，如圖 1一 21a 所示。2、紊流運(yùn)動(dòng)：流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成紊亂的形態(tài)，流體質(zhì)點(diǎn)不保持在某一固定層內(nèi)運(yùn)動(dòng)有交混和碰撞，產(chǎn)生動(dòng)能交換，形成無(wú)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(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)。層流時(shí)粘性力起主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點(diǎn)受粘性的約束不能隨意流動(dòng)；紊流時(shí)慣性力起主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點(diǎn)在高速流動(dòng)時(shí)粘性不能約束它。液體流動(dòng)時(shí)究竟是層流還是紊流，須用雷諾數(shù)判別：Re =vd/。Re臨界 2320 ；Re Re臨界時(shí)，液體流動(dòng)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(dòng)時(shí)，必然要遇到各種阻力，為了克服這些阻力，就要損