流體力學基礎(chǔ)

流體力學基礎(chǔ)第1頁/共91頁（二）本課講授的內(nèi)容：(1)流體力學及熱力學基礎(chǔ)；(2)建筑給排水及消防設(shè)備基本工作原理及應(yīng)用技術(shù)；(3)采暖供熱的基本工作原理及應(yīng)用技術(shù)；(4)通風和空調(diào)（包括制冷）的基本工作原理及應(yīng)用技術(shù)；(5)建筑供配電系統(tǒng)、照明電

器和弱電系統(tǒng)（通訊、有線

電視、監(jiān)控保安）的基本技

術(shù)。第2頁/共91頁

（三）本課要求掌握的內(nèi)容建筑設(shè)備的基本工作原理；設(shè)計或選型計算的最基本方法；設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的集成方法。（四）課程要求提高出勤率；有課件給同學們復習，希望大家下載；完成好作業(yè)，15%的平時成績主要看作業(yè)；開卷考試，但計算題較多，有一定的難度。第3頁/共91頁第一篇建筑設(shè)備涉及的基礎(chǔ)知識

第一章流體力學基本知識第4頁/共91頁第0節(jié)流體與流體力學(一)流體的定義:

流體是與固體相對應(yīng)的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱。除水和空氣以外，流體還包括水蒸氣、潤滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、水銀、高溫條件下的等離子體等等。

流體是由大量的、不斷地作熱運動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的基本特征是沒有一定的形狀并且具有流動性，在很小的外力作用下，就能產(chǎn)生流動。第5頁/共91頁（二）流體力學流體力學是研究流體

(液體和氣體)的機械運動規(guī)律及其應(yīng)用的學科，是力學的一個分支。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間相互作用的規(guī)律。流體力學是在人類同自然界作斗爭和在生產(chǎn)、科學研究的實踐中逐步發(fā)展起來的。古時中國有大禹治水疏通江河的傳說；秦朝李冰父子帶領(lǐng)民眾修建的都江堰，至今還在發(fā)揮著防洪和灌溉的作用。

第6頁/共91頁當今流體力學已發(fā)展成為自然科學基礎(chǔ)科學體系的一部分，在氣象、水利研究，船舶、飛行器、汽車、葉輪機械和核電站的設(shè)計制造，以及生物學、醫(yī)學、天體物理等等研究領(lǐng)域，都得到廣泛的應(yīng)用到。許多現(xiàn)代科學技術(shù)所研究的問題既受流體力學的指導，同時也促進了流體力學不斷地發(fā)展。1950年后，電子計算機的發(fā)展又予以流體力學極大的推動。

建筑內(nèi)部的給水、排水、

采暖、通風、空調(diào)系統(tǒng)，都

是以流體作為工作介質(zhì)，系

統(tǒng)設(shè)計的基本理念都涉及到流體力學問題。第7頁/共91頁第一節(jié)流體的主要力學性質(zhì)

（一）流體的慣性（1）慣性的定義：物體維持原來運動狀態(tài)（包括靜止）的特性叫流體的慣性。（2）慣性的度量：物體慣性的大小用其質(zhì)量m大小來度量，質(zhì)量大的物體慣性大。（3）流體的密度的定義:對于均質(zhì)流體，單位體積（V）的流體所具有的質(zhì)量（m）叫流體的密度。

第8頁/共91頁例：某鋼瓶的容積為0.5m3,其內(nèi)部裝有質(zhì)量為1.2Kg的氣體，求:鋼瓶內(nèi)氣體的密度?解：低密度的流體（如空氣）的慣性就小，達到相同的速度所需要的動力就??；高密度的流體（如水）的慣性就大，達到相同的速度所需要的動力就大。第9頁/共91頁

（4）流體的重度的定義:對于均質(zhì)流體，單位體積（V）的流體所具有的重力G叫流體的重度.

第10頁/共91頁（5）水和空氣的密度

流體的密度或重度是隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的。其中液體的密度或重度隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的量不大，可視為一固定值；而氣體的密度或重度隨其溫度和所受到的壓力變化而變化的量比較大，設(shè)計計算時通常不能視為一固定值。水在標準大氣壓和4℃時的密度為

ρ=1000kg/m3（水的密度見補表1-1）空氣在標準大氣壓和20℃時的密度為

ρ=1.20kg/m3（具體計算后面講）

第11頁/共91頁（二）流體的粘滯性（1）動板實驗：兩塊忽略邊緣影響的無限大平行的平板，其間充滿靜止流體。當下板固定不動，上板以勻速平行下板運動時，兩板之間的流體便處于不同速度的運動狀態(tài)。

即呈現(xiàn)出：附著在動板下面的流體層的運

動速度與動板的速度相

等，愈往下速度愈小，

直到附著在定板上的流

體層的速度為零。速度

在平板的法線方向上呈

線性速度分布規(guī)律。

xu=0yu第12頁/共91頁

運動速度較慢的每一流體層(慢層)，都是在運動速度較快的流體層(快層)的帶動下才發(fā)生運動的。

運動較快的流體層(快層)也受到運動較慢的流體層(慢層)的阻滯，而不能運動得更快。相鄰流體產(chǎn)生相對運動時，快層對慢層產(chǎn)生的是一個拖曳力，使慢層加速(作用力)；相反，慢層對快層產(chǎn)生一個方向相反的阻滯力，使快層減速(反作用力)。我們把一對大小相等、方向相反的拖曳力和阻滯力稱為內(nèi)摩擦力(粘滯力)。

第13頁/共91頁（2）流體的粘滯性定義：實驗表明流體流動時將產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，正是由于相鄰兩流層接觸面上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力（或稱為粘滯力）阻礙流體質(zhì)點或流層間（或流層與固體壁面間）的相對運動。

我們把在運動狀態(tài)下，流體具有的抵抗相對運動或剪切變形的能力，稱為粘滯性。流體的粘滯性對流體的運動有很大的影響，為了克服內(nèi)摩擦力，它要不斷消耗運動流體的能量。所以流體的粘滯性是實際工程水力計算中必須考慮的一個重要因素。但對于靜止流體，由于各層間沒有相對運動，粘滯性也就不顯示。第14頁/共91頁例如：河流中心流層流動最快，越靠近河岸流動越慢，岸邊水幾乎不流動，這種現(xiàn)象就是由于流層間存在內(nèi)摩擦力造成的。說明實際流體具有粘性，在流動時就存在阻力。第15頁/共91頁(3)牛頓粘性定律實驗證明：流體在兩界面之間流動時，由于材料之間摩擦力的存在，使流體內(nèi)部與流體和界面接觸處的流動速度發(fā)生差別，產(chǎn)生一個漸變的速度場。當平板之間的距離不是很大，速度不是很高時，平版間的速度分布是線性的?？蓪С?流體層間的內(nèi)摩擦力（或切應(yīng)力）與法向速度梯度成正比;同流體動力粘度成正比。xu=0yu第16頁/共91頁動力粘度：動力粘度表示速度梯度等于1時的接觸面上的切應(yīng)力。即：

值由實驗測，單位:Pa?S(帕秒)

流體粘滯性的大小還可由運動粘度來反映。即：

=μ/ρ

單位是：m2/s，由于參數(shù)中沒有涉及力，其量鋼為長度和時間，所以叫運動粘度。水和空氣的粘度見表1-1和表1-2。工程中遇到的大多數(shù)流體的動力粘度與壓力變化無關(guān)，只有極高壓力時其值才略高一點。氣體的運動粘度隨壓力變化顯著，所以要確定非標準大氣壓下的氣體的運動粘度，應(yīng)先查它的動力粘度，再計算運動粘度。

第17頁/共91頁流體的粘度還與流體的溫度有關(guān)，水或油等液體的粘度隨溫度的增高而減少，隨溫度的降低而增加，如冬天，植物油就變得更粘稠?？諝獾葰怏w的粘度隨溫度的增高而增大，隨溫度的降低而降低。

粘度0溫度氣體液體第18頁/共91頁(4)粘性流體與理想流體：粘性流體:具有粘性的流體。自然界的流體一般都是粘性流體。理想流體:當μ比較小或du/dy比較小時，為簡化方程，

常將粘性影

響忽略不計。

忽略粘性影

響的流體叫

理想流體。第19頁/共91頁(三)流體的壓縮性和熱膨脹性：(1)流體的壓縮性(a)可壓縮性定義：

在恒定的溫度下，流體隨壓力增加，體積縮小，而密度增大的特性叫流體的可壓縮性。流體的可壓縮性用壓縮系數(shù)來描述：

表示單位壓力變化所引起的密度變化率。第20頁/共91頁(b)壓縮性特點：液體的壓縮性很小，水從1個大氣壓增加到100個大氣壓，水的體積只縮小0.5/10000,因此在很多工程技術(shù)領(lǐng)域可以把液體的壓縮性忽略不計，只有在研究管道水擊現(xiàn)象時要考慮壓縮性問題。氣體具有明顯的壓縮性，高速氣體(速度接近或超過音速）,

ρ隨p變化量很大，不可視為常量,叫可壓縮流體。但是當氣體的流速比較低時(流速小于70m/s~100m/s)，在流動過程中，ρ隨p變化量很小，也可視為常量，和水一樣可視為不可壓縮流體。

在通風和采暖工程中，所遇到的氣體和液體都可以當做不可壓縮流體對待。第21頁/共91頁(2)流體的熱膨脹性：(a)熱膨脹性的定義：在恒定的壓力下,溫度升高，流體膨脹密度下降；溫度下降，流體的密度升高。流體溫度升高，體積膨脹,密度下降的特性叫流體的熱膨脹性。流體的膨脹性用熱膨脹系數(shù)來描述。表示單位溫度變化所引起的

密度變化率。第22頁/共91頁(b)熱膨脹性特性：水的熱膨脹性很小，在10~20°C的范圍內(nèi)，溫度每升高1°C，水的體積只增加7/10000，因此，只有在熱水供水系統(tǒng)中，才考慮水的熱膨脹性。氣體的熱膨脹性顯著.一般不可忽略，當氣體壓強不變時，溫度每升高1K，體積便增大到273K時體積的

1/273。因此，氣

體的熱膨脹系數(shù)

=1/273（1/K）第23頁/共91頁(3)理想氣體的狀態(tài)方程：理想氣體定義：遠離液相的氣體叫理想氣體。（溫度不是過低，壓力不是過高）理想氣體的狀態(tài)方程:對理想氣體的密度、壓力和溫度三者之間存在一個狀態(tài)方程。

其中:T為氣體的熱力學溫度T=273+t(℃)R為氣體常數(shù)，對空氣R=287j/(kg?K)P為氣體的絕對壓力N/m2

第24頁/共91頁大氣壓的定義：地球表面上所承受的大氣壓力叫大氣壓。由于地球中大量氣體分子碰撞而產(chǎn)生。其大小與高度、溫度等條件有關(guān)。一般隨高度的增大而減小。即使是同一海拔高度，在不同的季節(jié)和大氣狀態(tài)下，大氣壓也是變化的。用B或Pa來表示大氣壓。標準大氣壓：通常把0°C，北緯45°海平面上作用的大氣壓作為標準大氣壓（atm)

1atm=101325(Pa)=760mmHg≈0.1MPa

Pa（帕斯卡）壓力基本單位

1Pa=1N/m2第25頁/共91頁工程大氣壓：由于當?shù)氐拇髿鈮弘S高程及氣象條件變化。為工程計算的方便，工程上常用一個工程大氣壓替代當?shù)卮髿鈮?。一個工程大氣壓為98kPa（kN/m2），因同當?shù)卮髿鈮狠^為接近，但不隨高程及氣象條件變化，故可用工程大氣壓代替當?shù)卮髿鈮鹤阋詽M足工程上的要求。壓力計量單位標準壓力的單位：Pa=1N/m21kPa=103Pa

1MPa=106Pa

其他壓力單位：1mmHg=133.324Pa1mH2O=9806.375Pa

1mmH2O=9.8Pa第26頁/共91頁

例：計算標準大氣壓和工程大氣壓下，t=25°C工況下的空氣的密度？解：（1）標準大氣壓B=101325Pa（2）工程大氣壓B=98000Pa第27頁/共91頁第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)流體靜力學是研究流體靜止時的現(xiàn)象以及相關(guān)力學行為的科學。研究對象是靜止的氣體和液體（也包括介于固體和液體之間的物質(zhì)，如液晶）。古希臘的著名物理學家阿基米德。其著作《論浮體》是歷史上研究流體靜力學的第一部作品。流體靜力學的在實際當中的應(yīng)用十分廣泛,水利、水運等方面的作用尤其明顯。第28頁/共91頁一.流體的靜壓力

由于處于靜止狀態(tài)的流體只存在壓力參數(shù)，故流體靜力學的核心問題是研究流體靜壓力的特性和分布規(guī)律。(1)流體靜壓力的定義：在一個容器的靜止水中，取出一小水體作為隔離體來研究。設(shè)作用在隔離體某一微小面積Δω上的總壓力為Δp。則：第29頁/共91頁(2)靜壓力的基本特征靜壓力的方向指向受壓面,并與受壓面垂直(即：靜壓力垂直于流體表面的內(nèi)法線方向);流體內(nèi)任何一點的靜壓力在各個方向面上的值都相等.第30頁/共91頁

二、流體靜壓力的分布規(guī)律

（1）重力場中流體的靜力學基本方程：已知:小圓柱高h,端面積為Δω,圓柱的頂面同自由面重合，頂面受一壓力P0。則在Z方向,作用在圓柱底面上的力p，則圓柱體軸向作用力為:圓柱受到的重力（g為重力加速度）第31頁/共91頁(2)靜壓力分布規(guī)律由于p=p0+ρgh，（h為測壓點離開自由表面的距離）所以：靜止流體內(nèi)部任一點的壓力等于液面上（即液體與氣體的交界面---自由表面）的壓力（通常為大氣壓）加上流體重度和深度的乘積。在靜止流體內(nèi)部,壓力隨深度按直線規(guī)律變化。在靜止流體內(nèi)部,同一深度的點的壓力相等,構(gòu)成水平等壓面。液面壓力值可等值地在

靜止流體內(nèi)傳遞。

第32頁/共91頁(3)基本方程的另一種形式設(shè)自由表面高度為Z0,深度為h1處(坐標值為Z1)的壓力為p1,深度h2

(坐標值為Z2)處為p2,則：h1h2第33頁/共91頁推而廣之：

Z叫位置水頭，

p/ρg叫壓力水頭，(z+p/ρg)叫測壓管水頭。方程表明：在同一靜止流體中，位能和壓力能之和（即測壓管水頭）是一個常數(shù)。對氣體來說，由于P=P0+ρgh，當h較小時，ρgh是一小量，可忽略不計，則：P=P0（容器內(nèi)靜止氣體中各點壓力均相等。）P1/ρgP2/ρg第34頁/共91頁三、工程計算中的壓力表示方法與計量單位（１）絕對壓力與相對壓力絕對壓力Pj：以絕對真空為零點計量的壓力.相對壓力Pa：以當?shù)卮髿鈮篜0或工程大氣壓為零點計量的壓力叫相對壓力。Pa=Pj-P0正的相對壓力(大于大氣壓)可用彈簧管壓力表來測量，所以也叫表壓。第35頁/共91頁負的相對壓力也叫真空度，用Pk表示，Pk=P0-Pj=-Pa所以

Pj=P0-Pk

絕對壓力等于0時，容器內(nèi)就處于完全真空狀態(tài)，真空度最大，最大值為101.325Kpa(在標準大氣壓下);真空度最小值為0。第36頁/共91頁例1:某壓縮空氣罐的壓力表上的表壓（Pa）為1.5MPa。求：標準大氣壓下的絕對壓力Pj？解:標準大氣壓下P0=0.1Mpa

Pj

=

Pa+P0=1.5+0.1=1.6（Mpa）例2：某容器內(nèi)的真空度Pk為50kPa,求：標準大氣壓下的絕對壓力？解：Pk=50kPa=0.05Mpa（單位統(tǒng)一）Pj=P0-Pk=0.1-0.05=0.05(Mpa)第37頁/共91頁(3)壓力計量儀器工程上常遇到壓力的測量問題，如鍋爐、制冷壓縮機、水泵和風機等設(shè)備均需要測定壓力。常用測壓儀器有液柱測壓計、金屬壓力表和壓力傳感器三大類。其中液柱式測壓計是以一定高度的液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力相平衡的原理測量壓力的。大多是一根直的或彎成U形的玻璃管做測壓管，

U型管壓力計第38頁/共91頁管中灌以工作液體。常用的工作液體為酒精、蒸餾水和水銀。

當U型管一端連接要測的壓力點，另一端同大氣相通（P0），就能測量該點的表壓或真空度。

設(shè)容器內(nèi)的壓力為P，密度為ρ，測壓管內(nèi)介質(zhì)的密度為ρ‘。在等壓面上：P1=P+ρgaP2=P0+ρ‘ghP+ρga=P0+ρ‘hgP-P0=（ρ‘h-ρa）g所以Pa=

（ρ‘h-ρa）g

當容器內(nèi)是空氣時，Pa=ρ'hgP0第39頁/共91頁同理可推出真空度，

在等壓面：P+ρgh1+ρ‘gh2=P0

Pk=P0-P=ρgh1+ρ‘gh2

=（ρh1+ρ‘h2）g

當測量空氣壓力時：Pk=ρ‘h2g*U型管壓差計第40頁/共91頁例:用U型管壓力計測量容器中的空氣的真空度,U型管壓力計介質(zhì)為汞,汞柱高差h2=100mm,大氣壓為P0=100kpa汞的密度為13600kg/m3g＝9.807m／s2。求：容器中的真空度和絕對壓力？

第41頁/共91頁第3節(jié)流體動力學入門

流體動力學是流體力學的一門子學科。流體動力學研究的對象是運動中的流體的狀態(tài)與規(guī)律。流體動力學底下的子學科包括有空氣動力學和水動力學等。

流體動力學的基本公理為守恒律，特別是質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒。除了上面所述，流體還假設(shè)遵守“連續(xù)性假設(shè)”

。（流體由分子所組成，彼此互相碰撞，也與固體相碰撞。然而，連續(xù)性假設(shè)假定流體是連續(xù)的，而非離散的。即視流體足夠致密，可以認為是一連續(xù)介質(zhì)。）第42頁/共91頁一.流體動力學的一些基本概念（１）流線與跡線流線：某瞬時在流場中所作的一條空間曲線，曲線上各點速度矢量與曲線相切。跡線：流體質(zhì)點運動的軌跡．恒定流中流線與跡線重合。第43頁/共91頁(2)元流與總流元流：在流場中任意取不與流線重合的無窮小的封閉曲線，過曲線上各點作流線，所構(gòu)成的管狀表面叫元流。所以元流由一股流束組成,一般情況下，元流形狀隨時間而變，只有在穩(wěn)定流動中，元流形狀才不隨時間變化總流（管）：無數(shù)元流的總和叫總流（管）。管內(nèi)外流體不能通過總流（管）管壁。第44頁/共91頁(3)過水斷面過流斷面定義：在總流（管）上作出與流線正交的橫斷面叫過流斷面。過流斷面一般為曲面，只有均勻流的過流斷面才是平面。過流斷面的形狀有圓形、矩形和梯形等。第45頁/共91頁（4）流量與斷面的平均流速流量定義：在單位時間內(nèi)，通過過流斷面的流體的體積或質(zhì)量叫流體的流量。(設(shè)ω為過流斷面面積，v為流速，ρ為密度）第46頁/共91頁斷面的平均流速

單位時間內(nèi)流體質(zhì)點在流動方向上所流經(jīng)的距離,叫流體的流速。由于管壁的粘性影響，斷面上的速度大小是不等的，層流狀態(tài)斷面上速度分布呈現(xiàn)拋物線；湍流呈現(xiàn)指數(shù)曲線。一般工程計算可取斷面上的平均流速。

第47頁/共91頁例：溫度為35℃空氣在250KPa的壓力下以9m/s平均速度流過直徑為250mm的圓形通風管道，求:(1)空氣的體積流量(2)空氣的質(zhì)量流量？解：第48頁/共91頁二.流體運動的類型(1)按與時間關(guān)系分：定常流（恒定流）：在流

場中，流體質(zhì)點的一切運動要素都不隨時間改變而變化，只是坐標的函數(shù)，這種流動為穩(wěn)定流。流體運動與時間無關(guān)。

即：p=p(x,y,z)

u=u(x,y,z)

非定常流（非恒定流）:運動要素是時間和坐標的函數(shù).

即

p=p(x,y,z,t)

u=u(x,y,z,t)第49頁/共91頁(2)按與空間關(guān)系分：一維流動：運動要素(p和v)在空間只是坐標x的函數(shù).二維流動：運動要素在空間只是坐標x,y(或r,x)的函數(shù).三維流動：運動要素在空間是坐標x,y,z的函數(shù).第50頁/共91頁有壓力流和無壓力流:流體在壓力差作用下的流動叫有壓力流。有壓力管道流中，管道上部無自由表面，如空氣在空調(diào)系統(tǒng)管道中的流動.只依靠重力作用下的流動是無壓力流,無壓力流管道或明渠有自由表面.如污水管道流動.可壓縮流與不可壓縮流：層流和湍流：有旋流和無旋流：(3)按運動狀態(tài)分：第51頁/共91頁（4）恒定流的分類與特征:均勻流:總流中的流線均為平行直線，則稱為均勻流。均勻流過水斷面為平面，其形狀和面積沿流程保存不變，如直徑不變的長直管道中的均勻流等。非均勻流：流體的流速大小及方向沿程不斷變化的流動。分漸變流和急變流.其中急變流中流體通過的有效斷面，其面積大小、形狀和流動方向發(fā)生急劇變化，則該流體的流速分布也產(chǎn)生急劇變化。在工程上，急變流發(fā)生在彎頭、三通、異

徑管、管徑突然擴大

、管徑突然縮小以及

閘門等處。

第52頁/共91頁第4節(jié)恒定流的連續(xù)性方程和能量方程

(一維流動)一.連續(xù)性方程(1)基本方程：根據(jù)流體運動時應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律，其穩(wěn)定流的連續(xù)性方程為：A--ωv1v2第53頁/共91頁(2)不可壓縮流體連續(xù)性方程：由于ρ沿流線為常數(shù)，所以：物理意義是：不可壓縮流體做穩(wěn)定流時，流管的體積流量保持不變。所以不可壓縮流體在一維管道流動中，過流斷面積越大，流速越小，流速同過流斷面積成反比。V1

ω1V2

ω2第54頁/共91頁例1：水流過一變截面管道。已知：d1=50mmv1=10m/sd2=25mm求：v2=？解：第55頁/共91頁例2：已知：兩股水流通過一個圓管三通匯合在一起，已知:D1=25mmV1=2m/sD2=50mmV2=3m/sD3=75mm求：V3解：第56頁/共91頁二.理想流體的能量方程(伯努利方程)(1)對單位質(zhì)量流體,沿流線有：(2)對單位體積流體,沿流線有:

(氣體密度很小,位能忽略不計)靜壓動壓總壓第57頁/共91頁物理意義：在水平管道流動中，流速大的地方靜壓小，流速小的地方靜壓大,總壓保持不變（理想流體）。掌握這一流動規(guī)律，這對以后分析一些流動現(xiàn)象十分重要。第58頁/共91頁(3)對單位重量流體,在一條流線上：

H叫總水頭,單位為m。壓力能壓力水頭動能速度水頭位能位置水頭第59頁/共91頁例：如圖所示為測量管道流量常用的測量裝置示意圖。分別用總壓管和靜壓孔測量氣流的總壓和靜壓。已知直管內(nèi)徑D＝0.3m，氣體密度ρ＝1.2kg/m3，U型管壓力計測得總靜壓差P0-P=0.2m水柱。試：計算此管道的平均流速和空氣的體積流量Qv。（1m水柱=9806.375Pa)第60頁/共91頁解：第61頁/共91頁三.不可壓粘性流體的能量方程

(1)方程：

（工程上使用的近似方程）其中：hω1-2為流體流過

1截面和2截面后的水

頭損失，是因克服摩擦

阻力而損失的機械能。α為速度分布修正系數(shù),取

決于v在A上的分布。一

般大于1，工程實際中的

湍流運動常取α≈1。第62頁/共91頁Pw叫壓力損失。壓力損失主要由兩部分組成，一部分是沿程阻力損失pf,另一部分是局部阻力損失pj，pw=pf+pj。同理水頭損失：hw=hf+hj第63頁/共91頁*例題：一噴嘴,管道內(nèi)直徑d1=10mm，噴嘴出口的內(nèi)直徑d2=5mm，要求出口水流速度V2=18m/s,出口壓力P2=15Kpa。流動損失約為100kPa，垂直高差H=3.6m。求：(a)v1(b)1-1處的(相對)壓力p1。(水溫為5C)第64頁/共91頁解：查水的密度表得ρ=1000kg/m3第65頁/共91頁以上例中,如果在1-1處設(shè)置一個水泵，則計算出來壓力損失就是管道在滿足流量和出口壓力的情況下，水泵所需要增加的能量。從上例可看出來，管道阻力的大小是輸送流體耗用動力大小的依據(jù)，在采暖系統(tǒng)中的循環(huán)水泵參數(shù)就是根據(jù)水系統(tǒng)的總阻力來進行的確定的。通風和空調(diào)系統(tǒng)風機的壓頭也是根據(jù)系統(tǒng)的阻力來選定。滿足流量和出口壓力的情況下，阻力小耗能就少，阻力大耗能就多。第66頁/共91頁四.流動的兩種形態(tài)(1)流動的兩種形態(tài)：當管道流速比較低時，玻璃管內(nèi)有股紅色水流的細流，像一條細線。表明液體質(zhì)點作有條不紊的運動，彼此不相混摻。這種流動形態(tài)稱為層流。層流通過分子間相互作用來傳遞動量、熱量和質(zhì)量。第67頁/共91頁當流速增加到一定程度時，紅色水流的細流開始動蕩，呈波浪型，繼續(xù)加大流速，紅色水流的細流就向四周擴散，液體質(zhì)點作不規(guī)則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂。流速越高，混摻程度越大。這種的形態(tài)叫做湍（紊）流。湍流主要通過質(zhì)點間的混摻來傳遞動量、熱量和質(zhì)量的，傳遞速率遠大于層流。水利工程所涉及的流動，一般為湍流。

第68頁/共91頁(2)雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)：

實驗證明，確定圓管內(nèi)流動是層流還是湍流，流動速度不是惟一因素，還與管道直徑和流體的性質(zhì)有關(guān)。判斷依據(jù)是一個叫雷諾數(shù)的無量綱參數(shù)。式中ρ、μ分別為液體的密度、動力粘滯系數(shù)，ν運動粘滯系數(shù)；v為流動的特征速度；L為特征長度，管道取直徑d。第69頁/共91頁故，對管道流動：由于所以，雷諾數(shù)表征液體慣性力與粘滯力之比，雷諾數(shù)小時,粘性效應(yīng)在整個流場中起主要作用,流動為層流。雷諾數(shù)大時，慣性效應(yīng)在整個流場起決定作用，流動變成為湍流。

我們把流動從層流轉(zhuǎn)捩（lie）為湍流所對應(yīng)的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。實驗同時表明，上臨界雷諾數(shù)通常是變化的，有的實驗可作到50000，而下臨界雷諾數(shù)比較穩(wěn)定，Re<2000時，直管內(nèi)的流動不再是湍流。

第70頁/共91頁所以在流體力學中以下臨界雷諾數(shù)，作為判定管中流動狀態(tài)的標準。即，對直管流動：Re臨界=2000。

Re<Re臨界

圓管流動呈層流。

Re>Re臨界圓管流動呈湍流。例:一直徑d=25mm的圓管,水溫為15℃,管道中水流速度V=0.09m/s，求：（1）流動雷諾數(shù)（2）流動是湍流還是層流？解：查補表1-1,得ρ=999.1(kg/m3)

查表1-1得μ=1.140×10-3(m2/s)

答：流動為層流。第71頁/共91頁五．沿程阻力（1）沿程阻力與沿程水頭損

失的定義：流體沿著等截面

直管流動所產(chǎn)生的阻力叫沿

程阻力，產(chǎn)生的損失叫沿程阻力損失。沿程阻力的產(chǎn)生是由于流體存在粘性。

流體沿程阻力損失的大小，與管道長

度、管壁粗糙程度、流體流動狀態(tài)及流體

的粘度等因素有關(guān)。工程上常用改善管壁對流動的影響（例減小管壁的粗糙度）或在流體內(nèi)部加入極少量的添加劑，來實現(xiàn)減阻。第72頁/共91頁（2）圓管沿程阻力計算公式：水頭損失：壓力損失:

λ：沿程阻力系數(shù)（摩擦系數(shù)），與雷諾數(shù)Re和管壁粗糙度△有關(guān)，可由實驗測定，也可由經(jīng)驗公式計算得出，工程上常查莫迪圖。。第73頁/共91頁Ε=Δ第74頁/共91頁常用管道材料的Δ值塑料管的△=0.001mm第75頁/共91頁例:一輸水管道，直徑為750mm,管長200m,，管內(nèi)水的流量為4.38m3/s,水溫為20°C,管道材料為鑄鐵(新)。求:水流經(jīng)該管道的沿程水頭損失?解：

第76頁/共91頁(４)非圓形管道的沿程阻力計算應(yīng)該指出，上面討論是圓管中的流動狀態(tài)，因而管徑d是管道的特征尺寸。對于研究在非圓形斷面中流體的運動時，式中的d應(yīng)以其相應(yīng)的特征尺寸代替。能夠綜合反映斷面水力特性的量是水力半徑R；它被定義為：

第77頁/共91頁按定義，對于圓形管道，其水力半徑R為：可見，圓管水力半徑的4倍剛好等于圓管直徑。因此，根據(jù)這一概念，對任意形狀斷面的流道，均可將其水力半徑的4倍作為斷面特征尺寸，稱為該斷面的水力學直徑或當量直徑，并以de表示，即:de=