流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、第一章流體力學(xué)基本知識(shí)學(xué)習(xí)本章的目的和意義：流體力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)是講授建筑給排水的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，只有掌握了該部分知識(shí)才能更好的理解建筑給排水課程中的相關(guān)容。IEy1本節(jié)教學(xué)容和要求：1.1本節(jié)教學(xué)容：流體的4個(gè)主要物理性質(zhì)。教學(xué)要求：（1）掌握并理解流體的幾個(gè)主要物理性質(zhì)（2）應(yīng)用流體的幾個(gè)物理性質(zhì)解決工程實(shí)踐中的一些問(wèn)題。教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)：難點(diǎn)：流體的粘滯性和粘滯力重點(diǎn)：牛頓運(yùn)動(dòng)定律的理解。2教學(xué)容和知識(shí)要點(diǎn)：易流動(dòng)性（1）基本概念：易流動(dòng)性流體在靜止時(shí)不能承受切力抵抗剪切變形的性質(zhì)稱易流動(dòng)性。流體也被認(rèn)為是只能抵抗壓力而不能抵抗拉力。易流動(dòng)性為流體區(qū)別與固體的特性密度和重度（1）基本概念：密度單

2、位體積的質(zhì)量，稱為流體的密度即：M流體的質(zhì)量，kg;V體的體積，m3。常溫，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下P水1x103kg/mP水嚴(yán)歸煌/m基本概念：重度：?jiǎn)挝惑w積的重量，稱為流體的重度。重度也稱為容重。G流體的重量，N;V體的體積，m3。*.*G=mg：Y=Pg常溫一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下Y亠=9.810kg/m水Y摘=133.28M0kg/m密度和重度隨外界壓強(qiáng)和溫度的變化而變化液體的密度隨壓強(qiáng)和溫度變化很小，可視為常數(shù)，而氣體的密度隨溫度壓強(qiáng)變化較大。2.3粘滯性1）粘滯性的表象基本概念：流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為粘滯性。當(dāng)某一流層對(duì)相鄰流層發(fā)生位移而引起體積變形時(shí)，在流體中產(chǎn)生的切力就是這一性質(zhì)的

3、表現(xiàn)。為了說(shuō)明粘滯性由流體在管道中的運(yùn)動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)加以分析說(shuō)明。用流速儀測(cè)出管道中某一斷面的流速分布如圖一所示設(shè)某一流層的速度為u則與其相鄰的流層為u+du,d為相目令鄰流層的速度增值,設(shè)相令鄰流層的厚度為dy,則du/dy叫速度梯度。由于各流層之間的速度不同,相鄰流層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),便在接觸面上產(chǎn)生一種相互作用的剪切力,這個(gè)力叫做流體的摩擦力,或粘滯力。平板實(shí)驗(yàn)（2）牛頓摩擦定律基本概念：牛頓在平板實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1867年在所著的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中提出了流體摩擦力的假說(shuō)牛頓摩擦定律：當(dāng)切應(yīng)力一定時(shí),粘性越大,剪切變形的速度越小,所以粘性又可定義為流體isj.nH8oliifinfcssMES駆

4、善MEwsnsssdjHASEAs:edW#01.1首J.WWW畫(huà)冬S_Hfitso.feHdds_nnr()ooooo富w量蠢墾2呈舊wwooooe二nw-OXSS81SSSKfstluiifwwlw旺捉星嘗iOlis-zn.Minililn-(Dits3wBrmBwtwrb旺長(zhǎng)SKdlokns本節(jié)教學(xué)容和要求：本節(jié)教學(xué)容：(1)靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)特性及有關(guān)基本概念。(2)重力作用下靜水壓強(qiáng)基本公式和物理意義。(3)靜水壓雖的表示和計(jì)算。教學(xué)要求：正確理解靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)重要的特性和等壓面的性質(zhì)。掌握靜水壓強(qiáng)基本公式和物理意義，會(huì)用基本公式進(jìn)行靜水壓強(qiáng)計(jì)算。掌握靜水壓強(qiáng)的單位和三種表示方法：絕對(duì)壓

5、強(qiáng)、相對(duì)壓強(qiáng)和真空度；理解位置水頭、壓強(qiáng)水頭和測(cè)管水頭的物理意義和幾何意義。掌握靜水壓雖的測(cè)量方法和計(jì)算。1.3教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)：難點(diǎn)：靜水壓強(qiáng)的兩個(gè)特性及有關(guān)基本概念。重力作用下靜水壓強(qiáng)基本公式和物理意義。靜水壓強(qiáng)的表示和計(jì)算。重點(diǎn)：重力作用下靜水壓強(qiáng)基本公式和物理意義。教學(xué)容和知識(shí)要點(diǎn)：2.1流體靜壓強(qiáng)及其特性(1)基本概念：取靜止流體中的隔離體，設(shè)作用于隔離體上某一微小面積Av上的總壓力為AP,貝Av面上的平均壓強(qiáng)為：p=AP/Aw(N/m2)當(dāng)所取的面積無(wú)限縮小為一點(diǎn)，則平均壓強(qiáng)的極限值為這個(gè)極限值稱為該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)。流體靜壓強(qiáng)的單位是帕(牛/米2),以Pa表示。lPa=lN/m1C5Pa

6、稱為1巴(bar).3)流體靜力學(xué)的兩個(gè)特征：a.流體靜壓強(qiáng)必定沿著作用面的法線方向。b任一點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)只有一個(gè)直，它不因作用面的方位改變而改變。流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律在靜止流（本中去上表面與流體自由表面相重合的微小柱（本，其底面積為Aw,高為h,其自由表面的壓強(qiáng)卩訓(xùn)該微小柱體沿垂直方向的受力分別為自由面的壓力，重力，下底面的靜水壓力。側(cè)面的靜水壓力與軸垂直，在軸向投影為零。此鉛直小圓柱本處于靜止?fàn)顟B(tài)，故其軸向力平衡為：化簡(jiǎn)后的：靜止液本中任一點(diǎn)的壓強(qiáng)；表面壓強(qiáng)；液本的容重；所研究的點(diǎn)在自由表面下的深度。此方程式為靜水壓強(qiáng)的基本方程式，又稱靜水力學(xué)基本方程式。該方程式的含義：靜水壓強(qiáng)與水深成正

7、比的直線分布規(guī)律；作用于液面上的表面壓強(qiáng)是等直地傳遞到靜止液本的每一點(diǎn)上；方程適用于靜止氣本壓強(qiáng)的計(jì)算，p=p0.；壓強(qiáng)只與深度有關(guān)，而與受壓面的大小，形狀無(wú)關(guān)應(yīng)用靜水壓強(qiáng)方程式分析問(wèn)題時(shí)，要抓住等壓面這個(gè)概念。等壓面流本中壓強(qiáng)相等的點(diǎn)組成的面叫等壓面。推論：靜止連續(xù)的同種液本的水平面是等壓面；靜止的互不混雜的兩種液本的交界面是等壓面。壓強(qiáng)的計(jì)量單位與表示方法（1）壓強(qiáng)的計(jì)量單位：a從壓強(qiáng)的定義出發(fā)一-單位面積上的力,N/m2b大氣壓強(qiáng)的倍數(shù)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（度，緯度為45度的海平面上的壓用atm表示）1atm=760mii汞主對(duì)底部產(chǎn)生的壓強(qiáng)all10olnwsusimeFdolisisitw

8、feffmBS衣W?W1BW旺WWB旺0雖*86IoukihhI第*匸0二*01Q)oifwn熄賣曹畐nSInifwf#屢畐Itil專OBISKm胃出n.nnAWIWWW旳墓WWWM腳WWWWWM褸mIt-宣顯.ii杈iwm變晝BWMWosiislsinn熄wl#4友usilWf殳啞知盂ffiba祗乏兇nsfrsifnffsH.Q。矗Klfw凹熄i踏峯WW專皿Ofolfinfs事Eia會(huì)善tsf0）,總水頭線總是一條下降的曲線或直線,它下降的數(shù)值等于兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝嬷g水流的水頭損失。請(qǐng)注意：測(cè)壓管水頭線不一定是下降的曲線,需要由位能與壓能的相互轉(zhuǎn)換情況來(lái)確定其形狀。對(duì)于均勻流,流速水頭沿程不變,

9、總水頭線與測(cè)壓管水頭是相互平行的直線。.應(yīng)用恒定總流能量方程的條件和注意事項(xiàng)在推導(dǎo)恒定總流能量方程的過(guò)程中曾經(jīng)引入過(guò)一些條件,這些條件限制了恒定總流能量方程的使用圍,同時(shí)在應(yīng)用能量方程解決工程實(shí)際問(wèn)題時(shí)還必須處理好一些具體事項(xiàng),現(xiàn)歸納說(shuō)明如下。1）恒定總流能量方程的應(yīng)用條件a）液體流動(dòng)必須是恒定流，而且是不可壓縮夜體（P常數(shù)）；b）作用在液體上的質(zhì)量力只有重力；C）建立育嘶程的兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝娑急仨毼挥诰鶆蛄骰驍刈兞鞫?，但該兩個(gè)斷面之間的某些流動(dòng)可以是急變流d）在推導(dǎo)育嘶程的過(guò)程中，兩個(gè)十算斷面之間沒(méi)有流量的匯入或流出。如果有流量的匯入或分流，也可以建立相應(yīng)的能量方程式，參見(jiàn)書(shū)上第80頁(yè)。這時(shí)必須

10、強(qiáng)調(diào)能量方程的兩側(cè)都是單位重量液體具有的能量，但確定相應(yīng)的水頭損失非常困難。2）應(yīng)用恒定總流能量方程需要注意的具體問(wèn)題a）為了計(jì)算育量程中的位置水頭，必須確定基準(zhǔn)面。基準(zhǔn)面可以任意選擇，但盡可能使所選的基準(zhǔn)面能簡(jiǎn)化能量方程，便于求解。例如所選基準(zhǔn)面使z=0，這樣能量方程項(xiàng)數(shù)減少。還必須雖調(diào)，同一個(gè)能量方程只能選擇同一個(gè)基準(zhǔn)，否則能量方程就不能成立。b）計(jì)算壓強(qiáng)水頭，既可選擇絕對(duì)壓雖也可選用相對(duì)壓強(qiáng)，但兩個(gè)斷面必須選用一致。實(shí)際工程計(jì)算中一般采用相對(duì)壓強(qiáng)更為方便。c）在過(guò)水?dāng)嗝嫔弦x子計(jì)算點(diǎn)，便于十算測(cè)壓管水頭d）選取過(guò)水?dāng)嗝娉藵M足斬變流條件外卜，還應(yīng)使所選斷面上未知量?jī)H可能少，這樣可以簡(jiǎn)化能

11、量方程的求解過(guò)程。e）求解能量方程必須確定動(dòng)能修正系數(shù)a。a值與斷面流速分布有關(guān),流速分布越均勻，a值趨向于1,斷面流速分布不同，a值也不同。嚴(yán)格地講兩個(gè)斷面上的al與a2是不相等的，但是實(shí)際工程中的動(dòng)能修正系數(shù)大多在1.051.1之間，一般可以取al=a2=l計(jì)算。對(duì)于流速分布相當(dāng)不均勻的水流（例如層流運(yùn)動(dòng)），動(dòng)能修正系數(shù)遠(yuǎn)大于1。f）能量方程中水頭損失hw是十分重要又非常復(fù)雜的一項(xiàng)，不能正確地計(jì)算液體流動(dòng)的hw,自瞳方程難以解決實(shí)際問(wèn)題。關(guān)于hw的討論和計(jì)算也將在第四章專門討論。g）當(dāng)一個(gè)問(wèn)題中有23個(gè)未知數(shù)的時(shí)候能量方程需要和連續(xù)方程、動(dòng)量方程組成方程組聯(lián)合求解。oin-Mtfloin-

12、M褸M44(E)書(shū)o4nliEB區(qū)報(bào)ww量iwlanm(寸)iml-cossoifilliswstufts(z)(Dnnm徐wwitWWWWiW(E)mw1e晅】各流層質(zhì)點(diǎn)形成渦本互相混摻，這種型態(tài)的流動(dòng)叫做紊水11.11流。雷諾實(shí)驗(yàn)水流阻力和水頭損失是兩個(gè)不同而又相關(guān)聯(lián)的重要概念，確定它們的性質(zhì)、大小和變化規(guī)律在工程實(shí)踐是有十分重要的意義。（1）基本概念：水流阻力是由于液本的粘滯性作用和固本邊界的影響，使液本與固本之間、液本部有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各液層之間存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然與水流的運(yùn)動(dòng)方向相反?；靖拍睿核髟谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服水流阻力而消耗的能量稱為水頭損失。其中邊界對(duì)水流的阻力是產(chǎn)生

13、水頭損失的外因，液本的粘滯性是產(chǎn)生水頭損失的因，也是主要原因。（2）根據(jù)邊界條件的不同，可以把水頭損失分為兩類：對(duì)于平順的邊界，水頭損失與流程成正比，我們們爾為沿程水頭損失，用hf表示；由于局部邊界急劇改變,導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布調(diào)整并產(chǎn)生旋渦區(qū)，從而引起的水頭損失稱為局部水頭損失，用hj表示。對(duì)于在某個(gè)流程上運(yùn)動(dòng)的液體，它的總水頭損失hw遵循疊加原理即hw=hf+hj液本流動(dòng)的兩種型態(tài)和流態(tài)的判別1883年英國(guó)科學(xué)家雷諾（Reynolds通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)夜體在流動(dòng)中存在兩種部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：層流和紊流。（1）雷諾試驗(yàn)當(dāng)流速較小時(shí)，各流層質(zhì)點(diǎn)互不混雜，這種型態(tài)的流動(dòng)口叫層流。當(dāng)流速較大時(shí)，

14、墨水試驗(yàn)結(jié)果：液流型態(tài)不同,沿程水頭損失的規(guī)律也不同。相應(yīng)于液體運(yùn)動(dòng)型態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的流速叫做臨界流速。雷諾數(shù)Re=vd/,上、下臨界雷諾數(shù)。液流型態(tài)的判別：圓管中液流的下臨界雷諾數(shù)是一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值，上臨界雷諾數(shù)是一個(gè)不穩(wěn)定的數(shù)值，因此判別液流型態(tài)要以下臨界雷諾數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)時(shí)就是紊流，小于下臨界雷諾數(shù)時(shí)一定是層流。液體流態(tài)的判別是用無(wú)量綱數(shù)雷諾數(shù)Re作為判J據(jù)的。對(duì)于明渠水流Re明渠水流臨界雷諾數(shù)Re=500當(dāng)Re500為紊流。對(duì)于圓管水流Re圓管水流臨界雷諾數(shù)Re=2000當(dāng)Re2000為紊流。沿程水頭損失沿程阻力系數(shù)如何確定的問(wèn)題。層流情況紊流情況2.4尼古拉茲實(shí)驗(yàn)和

15、沿程阻力系數(shù);的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)是本章又一個(gè)重要的容。通過(guò)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)沿程阻力系數(shù)九在層流和紊流三個(gè)不同流區(qū)的變化規(guī)律，并且層流的九變化規(guī)律與前面理論分析的成果相一致。據(jù)此可推論在紊流三個(gè)流區(qū)的九變化規(guī)律也是符合實(shí)際的，從而為確定九值，進(jìn)而計(jì)算紊流各流區(qū)的沿程水頭損失hf提供了可應(yīng)用的方法。本節(jié)需要注意下列問(wèn)題：（1）尼古拉茲是用人工粗糙管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，其目的是用粒徑相同的人工砂粘貼在管壁，使原來(lái)表面粗糙度A不均勻的管道變?yōu)锳值均勻且等于人工砂粒徑d的管道，從而可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找入與相對(duì)光骨度rO/A的關(guān)系。（2）層流狀態(tài)時(shí)，圓管的與理論公式相一致，說(shuō)明層流的入僅是Re的函數(shù)，而

16、且水頭損失hf與流速v的一次方成正比，與雷諾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致。（3）液體處于紊流狀態(tài)時(shí)，在緊鄰固體邊壁處存在厚度為60的粘性底層,根據(jù)60與粗糙度A的對(duì)比關(guān)系分為3個(gè)流區(qū)。a）Re較小，60A，粗糙突起對(duì)紊流核心不起作用，這是紊流光滑區(qū)，類似于層流，只與Re有關(guān)而與相對(duì)粗糙度r0無(wú)關(guān)。b）Re較大，60A，粗糙突起嚴(yán)重影響紊流亥心的運(yùn)動(dòng)尼古拉茲實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與Re無(wú)關(guān)，只與相對(duì)粗糙度A/r0有關(guān)，這時(shí)為紊流粗糙區(qū)。紊流粗糙又稱為阻力平方區(qū)。c）當(dāng)Re介于紊流光滑區(qū)和粗糙區(qū)之間時(shí)，尼古拉茲實(shí)驗(yàn)表明九既與Re有關(guān)，也與A有關(guān)，這就是紊流過(guò)渡區(qū)。計(jì)算流動(dòng)液體的沿程阻力系數(shù)九值的步驟：a）首先計(jì)算Re值判另ij流態(tài)，若是層流可直接用理論公式計(jì)算九值。b）對(duì)于紊流，需要確定紊流的流區(qū)才!觥用相應(yīng)公式，但入值不確定又難以確定流區(qū)。在實(shí)際計(jì)算中根據(jù)Re值首先假設(shè)紊流的流區(qū)，選用該流區(qū)的公式計(jì)算九值，再檢