大工14春《建筑設(shè)備工程》輔導(dǎo)資料一

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建筑設(shè)備工程輔導(dǎo)資料一

主題：第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)（一、二、三節(jié)）學(xué)習(xí)時(shí)間：2023年3月31日－4月6日

內(nèi)容：

這周我們將學(xué)習(xí)本門課程內(nèi)容的第一章第一、二、三節(jié)。希望下面的內(nèi)容能加深同學(xué)們對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。

一、學(xué)習(xí)要求

1.流體物理力學(xué)性質(zhì)2.靜壓強(qiáng)及分布規(guī)律

3.流體運(yùn)動(dòng)的若干基本概念

二、主要內(nèi)容

（一）流體物理力學(xué)性質(zhì)

流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，研究流體處于平衡、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的力學(xué)規(guī)律及其在工程中的應(yīng)用。

按研究介質(zhì)不同流體力學(xué)分為液體力學(xué)（水力學(xué)）和氣體力學(xué)。水力學(xué)研究的對(duì)象是液體，但是，當(dāng)氣體的流速和壓力不大，密度變化不大，壓縮性可以忽略不計(jì)時(shí)，液體的各種平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于氣體也是適用的。

流體力學(xué)在建筑設(shè)備工程中有著廣泛的應(yīng)用。給水、排水、供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)和空氣調(diào)理等工程設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析都是以流體力學(xué)作為理論基礎(chǔ)的。因此，必需了解和把握流體力學(xué)的基本知識(shí)。

流體的力學(xué)特性：

（1）流體不能承受拉力；

（2）靜止流體不能承受切力，受微小切力作用流體就會(huì)滾動(dòng)，這就是流體易滾動(dòng)性的原因，運(yùn)動(dòng)的實(shí)際流體能承受切力；

（3）靜止或運(yùn)動(dòng)的流體能承受較大的壓力。1、粘滯性

如圖1-1所示，為管中斷面流速分布。由于流體各流層流速不同，當(dāng)相鄰層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接觸面上就會(huì)產(chǎn)生相互作用的內(nèi)摩擦力（切力），摩擦生熱，耗散在流體中，流體的機(jī)械能就會(huì)損失一部分。

流體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力或抗?fàn)幖羟凶冃蔚哪芰ΨQ為流體的粘滯性。

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圖1-1管中斷面流速分布

牛頓內(nèi)摩擦定律

作用在單位面積上的內(nèi)摩擦力為

(N/m2)

式中——內(nèi)摩擦力，N；——摩擦流層的接觸面積，m2

——流速梯度，速度沿垂直于流速方向的變化率；——與流體種類有關(guān)的動(dòng)力粘滯性系數(shù)，N/m2〃s=Pa〃s。另外，流體力學(xué)中常用

(m2/s)

式中——流體的運(yùn)動(dòng)粘滯性系數(shù)。

或受溫度影響較大，而受壓力影響很小。液體的減小，而氣體反之。水和空氣的

或隨溫度提高而

和隨溫度的變化見教材中的表1-2。

由于粘性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力做負(fù)功，消耗流體的機(jī)械能，計(jì)算中必需考慮。2、流體的壓縮性和膨脹性

壓縮性——壓強(qiáng)增大體積減小密度增加的性質(zhì)。膨脹性——溫度升高體積膨脹密度減小的性質(zhì)。（1）液體狀況

液體的壓縮性和膨脹性很小。

水每增加一個(gè)大氣壓(98kN/m2)，密度增加1/20000。水溫增加1℃時(shí)，密度減小約1.5～7.0/10000。因此在建筑設(shè)備工程中，一般是不計(jì)液體的壓縮性和膨脹性的。但在水擊中和熱水循環(huán)系統(tǒng)中，必需考慮液體的壓縮性和膨脹性的。

（2）氣體狀況

氣體具有顯著的壓縮性和膨脹性。

對(duì)于溫度不太高，壓強(qiáng)不太大時(shí)，密度、壓強(qiáng)和溫度三者之間聽從理想氣體

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的狀態(tài)方程

式中

——?dú)怏w的絕對(duì)壓強(qiáng)，N/m2；

——?dú)怏w的密度，kg/m3；——?dú)怏w的絕對(duì)溫度，K，又

，為攝氏溫度，℃；

——?dú)怏w常數(shù)，J/kg〃K，空氣體的分子量。

將

和

，其它氣體，為氣

代入上式，得計(jì)算干空氣密度的公式

(kg/m3)

對(duì)于低速（遠(yuǎn)小于音速）氣體，其壓強(qiáng)和溫度在滾動(dòng)過程中變化較小，密度可視為常數(shù)，此氣體稱為不可壓縮氣體，如空氣在溫差較小的空間內(nèi)滾動(dòng)和在通風(fēng)管道內(nèi)的滾動(dòng)。

對(duì)于高速（接近或超過音速）氣體，在滾動(dòng)過程中

、變化大，因此

變化也大，不能視為常數(shù)，這種氣體稱為可壓縮氣體。

3、作用在流體上的力

作用在流體上的力有壓力，粘滯力（內(nèi)摩擦力）、重力和慣性力。為了研究流體的平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，將力分為表面力和質(zhì)量力。

（1）表面力

表面力作用在被研究流體的表面上，其大小與受作用面積成正比，如壓力P和粘性力。表面力又分為作用在流體表面上的法向力（常稱壓力）和切向力（常稱摩擦力）兩種。單位面積上的法向壓力稱為壓強(qiáng)，以切向力稱為切應(yīng)力或摩擦應(yīng)力，以表示。

表示。單位面積上的

與的單位均為N/m2或Pa。

（2）質(zhì)量力

質(zhì)量力作用在流體的每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，其大小與流體的質(zhì)量成正比。對(duì)于均質(zhì)流體，質(zhì)量力的大小與流體的體積成正比，這時(shí)質(zhì)量力又稱為體積力，最常見的質(zhì)量力是重力

和慣性力

或

，和分別是流體運(yùn)動(dòng)是流體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲率半

的直線加速度和勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的圓周速度，

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徑。

（二）靜壓強(qiáng)及分布規(guī)律

在靜止水體中取出如圖1-2前圖所示的隔離體，用壓力P1，P2...Pn替周邊水體對(duì)它的作用，然后將隔離體分為Ⅰ和Ⅱ兩部分，去掉上面Ⅰ部分變成1-2后圖。設(shè)截面上點(diǎn)處作用的流體靜壓力為

，受作用面積為

，則有

圖1-2靜壓強(qiáng)的定義

平均壓強(qiáng)

點(diǎn)的靜壓強(qiáng)

壓強(qiáng)單位：1N/m2=1Pa,1kN/m2=1kPa,1bar(巴)=105Pa,1MPa(兆帕)＝106Pa流體的靜壓強(qiáng)特性：

1．壓強(qiáng)方向沿受作用面的內(nèi)法線方向，即垂直指向受壓面。

2．任意一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)只有一個(gè)值，它與受作用面方位無關(guān)，只是位置坐標(biāo)的函數(shù)，即

（三）流體運(yùn)動(dòng)的若干基本概念

1、壓力流與無壓流

壓力流——流體在壓差作用下滾動(dòng)，流體充滿整個(gè)管道斷面，無自由表面，如流體在給水管道、供暖管道及通風(fēng)管道中的滾動(dòng)。

無壓流——流體在重力作用下滾動(dòng)，液體與固體周界部分地接觸，形成自由表面，如水在河道、渠道及室內(nèi)排水橫干管中的滾動(dòng)。

2、恒定流與非恒定流

描述流體運(yùn)動(dòng)的壓強(qiáng)

、流速、密度

等稱為運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

恒定流——流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化的滾動(dòng)，如圖1-3管道

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中的滾動(dòng)為恒定流。

圖1-3恒定流圖1-4非恒定流非恒定流——流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化的滾動(dòng)，如圖1-4管道中的滾動(dòng)為非恒定流。

3、跡線與流線

跡線——流體中某個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，或位移隨時(shí)間變化的曲線

。

流線——某時(shí)刻通過流場(chǎng)中某點(diǎn)畫出的一條瞬時(shí)曲線，此時(shí)其上流體質(zhì)點(diǎn)的速度向量均與該曲線相切。恒定流時(shí)流線的形狀不隨時(shí)間變化，但與跡線重合。流線不能相交或者折曲，否則在交點(diǎn)和折點(diǎn)將有兩個(gè)速度方向，這是不可能的。

圖1-5流線

4、均勻流與非均勻流

均勻流——流線是平行直線的滾動(dòng)，如水在等直徑長(zhǎng)直管中的滾動(dòng)非均勻流——流線不是平行直線的滾動(dòng)，或有夾角或彎曲。非均勻流又分為漸變流和急變流。

漸變流——流線近乎是平行直線的滾動(dòng)，過流斷面近似為平面，可以證明其上