熱工與流體力學(xué)基礎(chǔ)-第1章

第一篇

流體力學(xué)6/5/2024

流體力學(xué)是以理論分析與實(shí)踐相結(jié)合的方法，研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解決實(shí)際工程問(wèn)題的學(xué)科。

流體力學(xué)包括流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)兩部分。流體靜力學(xué)是研究流體在靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律在工程上的應(yīng)用；流體動(dòng)力學(xué)則是研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及應(yīng)用

。

本篇主要講述：流體的性質(zhì)和流體靜力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，一元流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，流動(dòng)阻力和能量損失以及管路計(jì)算。

6/5/2024第八章

流體性質(zhì)和流體靜力學(xué)基礎(chǔ)6/5/2024學(xué)習(xí)導(dǎo)引

本章主要內(nèi)容分為兩大部分：第一部分闡述了流體的力學(xué)定義及流體的基本特性，引入了流體連續(xù)性假定，分析了流體的主要力學(xué)性質(zhì)，最后簡(jiǎn)單介紹了作用于流體上的力；第二部分主要分析了流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其內(nèi)部壓力的分布規(guī)律及特性，進(jìn)而推導(dǎo)出了流體靜力學(xué)基本方程，并舉例分析了流體靜力學(xué)基本方程的工程應(yīng)用。

6/5/2024學(xué)習(xí)要求

本章的重點(diǎn)是流體的主要力學(xué)性質(zhì)和流體靜力學(xué)基本方程，通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到以下要求：理解流體的概念和基本特性，了解流體連續(xù)性假定。

掌握流體的主要力學(xué)性質(zhì)，了解表面力和質(zhì)量力的概念。

理解流體靜壓力的基本概念和基本特性。

掌握流體靜力學(xué)基本方程，理解連通器與等壓面的概念和特性，能熟練運(yùn)用流體靜力學(xué)基本方程對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行分析和計(jì)算。

6/5/2024本章難點(diǎn)流體的黏滯性概念比較抽象，較難理解。黏滯性表現(xiàn)出阻礙流體流動(dòng)的趨勢(shì)，學(xué)習(xí)中結(jié)合流層間的速度分布圖會(huì)有較為直觀的理解。

流體的表面張力特性較難理解。學(xué)習(xí)中結(jié)合日常生活及工程實(shí)際中的實(shí)例聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行思考就會(huì)容易理解一些。熟練運(yùn)用流體靜力學(xué)基本方程對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行分析和計(jì)算需要一定的技巧，會(huì)有一定的難度，應(yīng)結(jié)合例題與習(xí)題加強(qiáng)練習(xí)。6/5/2024

第一節(jié)流體的主要力學(xué)性質(zhì)一、流體及其基本特性

1.什么是流體?

——在任何微小剪切力的持續(xù)作用下，能夠產(chǎn)生連續(xù)變形的物質(zhì)稱(chēng)為流體

。流體特性:流動(dòng)性——具有極易變形的這種基本特性。

流體包括氣體和液體2.流體與固體3.液體與氣體6/5/2024二、流體連續(xù)性假定認(rèn)為流體是由彼此之間沒(méi)有間隙的無(wú)數(shù)流體微團(tuán)（又稱(chēng)為流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，是一個(gè)內(nèi)部沒(méi)有間隙的連續(xù)體。

它使得流體一切的力學(xué)性質(zhì)都可以被看為變量的連續(xù)函數(shù)，因而在解決流體力學(xué)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，就能用連續(xù)函數(shù)這一有力的數(shù)學(xué)工具去分析和研究。

6/5/2024三、流體的主要力學(xué)性質(zhì)1.

壓縮性和膨脹性

壓縮性:當(dāng)流體溫度不變，壓力變化時(shí)，流體體積發(fā)生變化，這種性質(zhì)稱(chēng)為流體的壓縮性。膨脹性:當(dāng)流體壓力不變時(shí)，流體體積隨溫度變化的性質(zhì)稱(chēng)為流體的膨脹性。

6/5/2024（1）液體的壓縮性和膨脹性

體積壓縮系數(shù)：增加單位壓力時(shí)，流體體積或密度的相對(duì)變化率，即：

或

體積膨脹系數(shù)：指在壓力不變的條件下，溫度每變化一個(gè)單位時(shí)，液體體積或密度的相對(duì)變化量，即：

或?qū)嶒?yàn)表明，液體的體積壓縮系數(shù)和體積膨脹系數(shù)都很小，除特殊情況（如有壓管路的水擊、熱水管路系統(tǒng)等）外，在大多數(shù)實(shí)際工程計(jì)算中都不予考慮。

6/5/2024（2）氣體的壓縮性和膨脹性

與液體不同，氣體由于其分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在溫度、壓力變化時(shí)，體積變化較大,具有較大的壓縮性和膨脹性

。但是在許多工程實(shí)際問(wèn)題中，只要?dú)怏w速度遠(yuǎn)小于聲速，密度變化不大，即≤20

時(shí)，也可將氣體作為不可壓縮流體處理。

如在空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道中流動(dòng)的空氣

6/5/20242.黏滯性（1）黏滯性的概念

黏滯性是指流體各流層間或質(zhì)點(diǎn)間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，簡(jiǎn)稱(chēng)黏性。

拖力和阻力是同時(shí)出現(xiàn)的大小相等、方向相反的一對(duì)力，且分別作用在相鄰流體層的接觸面上,稱(chēng)內(nèi)摩擦力，也稱(chēng)為黏滯力。

6/5/2024（2）牛頓內(nèi)摩擦定律

流體的內(nèi)摩擦力的大小與流體的物理性質(zhì)有關(guān)，與流體層的接觸面積和接觸面法線(xiàn)方向的速度梯度成正比。

或牛頓型流體:如空氣和水等低分子流體

非牛頓型流體:如油脂、牙膏、水泥漿、高分子化合物溶液等

6/5/2024（3）流體的黏度及其影響因素

動(dòng)力黏度在數(shù)值上可看作是當(dāng)速度梯度為1時(shí)，由于黏性引起的流體層間單位面積上的內(nèi)摩擦力。

流體的黏度越大，在相同的流動(dòng)條件下，所產(chǎn)生的流動(dòng)阻力也就越大。

動(dòng)力黏度的單位:lPa·s=10P=1000cPPa·s(SI制)；P（泊）或cP（厘泊）(

cgs制)6/5/2024

液體的黏度隨溫度升高而減小，而壓力的影響則可忽略；氣體的黏度隨溫度升高而增大，當(dāng)壓力變化范圍較大時(shí)，一般隨壓力增大而增大。當(dāng)氣體的壓力變化不大時(shí)，一般情況下也可忽略其影響。

運(yùn)動(dòng)黏度的單位:1st=100cst

m2/s

(SI制)；cm2/s，簡(jiǎn)寫(xiě)為st（stoket）

(

cgs制)動(dòng)力黏度

與密度

的比值稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)黏度，通常用符號(hào)

來(lái)表示。

(4)運(yùn)動(dòng)黏度

6/5/2024例8-1所謂理想流體是指一種假想的無(wú)黏性流體，是一種流動(dòng)時(shí)沒(méi)有阻力的流體。

(5)理想流體

黏性是產(chǎn)生流動(dòng)阻力的內(nèi)在原因，它對(duì)流體運(yùn)動(dòng)有著重要的影響。

黏性只有在流體運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯示出來(lái)。6/5/20243.表面張力特性表面張力:使液體表面有收縮趨勢(shì)的力。

表面張力特性:液體在自由表面上能承受微小張力的特性。表面張力特性是液體特有的性質(zhì)。

圖8-3液體潤(rùn)濕固體現(xiàn)象

6/5/2024毛細(xì)管現(xiàn)象

:在附加壓力下，液體便會(huì)在細(xì)管內(nèi)上升或下降一定的高度的現(xiàn)象。

圖8-4毛細(xì)管現(xiàn)象

6/5/2024四、作用于流體上的力1.

表面力

指作用在流體表面并與作用面積大小成正比的力。在工程實(shí)際中是指作用在液體表面上的壓力。

2.

質(zhì)量力

作用在流體上的質(zhì)量力有兩種:

指作用在流體內(nèi)部每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力，與流體質(zhì)量成正比。

流體自身的重力慣性力,即流體由于加速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的力。

6/5/2024

第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)一、流體靜壓力及其特性

1.

流體靜壓力

——是指流體單位面積上承受的垂直于該表面的力。

流體即便在靜止的時(shí)候也承受著流體其它部分施加的壓力。

2.流體靜壓力的基本特性（1）流體靜壓力的方向總是與作用面相垂直，并指向作用面。

（2）在靜止流體中，任意一點(diǎn)壓力值的大小與作用面的方向無(wú)關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。

6/5/2024二、流體靜力學(xué)基本方程1.流體靜力學(xué)基本方程式推導(dǎo)用于描述重力作用下流體內(nèi)部壓力變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式

如圖,取液體中一垂直小液體柱，有A，h，p0，p。經(jīng)推導(dǎo)得:從靜止液體中任選1、2兩點(diǎn)，推導(dǎo)得:

6/5/2024流體靜力學(xué)基本方程2.討論（1）在靜止液體內(nèi)部，壓力隨深度直線(xiàn)變化，且越深的地方壓力值越大。（2）靜止液體中任意一點(diǎn)的壓力等于液面壓力p0和該點(diǎn)深度h、液體密度

、重力加速度g乘積之和。靜壓力的大小與容器形狀無(wú)關(guān)。

（3）當(dāng)液面上的壓力p0有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也發(fā)生同樣大小的改變，即帕斯卡原理。

（4）壓力差的大小也可用液柱高度來(lái)表示，此時(shí)須注明是何種液體。即:6/5/2024流體靜力學(xué)基本方程（5）在各不相同位置處單位重量液體所具有的機(jī)械能總和是相等的。即:

（6）對(duì)氣體,

gh一項(xiàng)通?？梢院雎?，認(rèn)為p

p0。上述的方程式只適用于靜止連通著的同一種連續(xù)的流體。z:表示單位重量液體的勢(shì)能，:表示單位重量液體的壓力能

如蒸汽鍋爐或氧氣瓶?jī)?nèi)壓力，均可看作是各點(diǎn)相等6/5/2024三、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1.連通器與等壓面（1）連通器

兩個(gè)或多個(gè)相互連通的液體容器。

特點(diǎn):

①連通器中同一種連續(xù)液體相同高度的兩個(gè)液面壓力相等。②連通器的兩段液柱間有氣體時(shí)，應(yīng)注意到氣體空間各點(diǎn)壓力相等。6/5/2024連通器③連通器中若裝有相同的液體，但兩邊液面上的壓力不等，則承受壓力較高的一側(cè)液面位置較低，承受壓力較低的一側(cè)液面位置較高。h2＞h1

6/5/2024連通器④連通器中裝有密度不同而又互不相混的兩種液體，且兩側(cè)液面上壓力相等時(shí)，裝有密度較小液體的一側(cè)液面較高，裝有密度較大液體的一側(cè)液面較低。h2＞h1

1＞2

表明:

當(dāng)連通器內(nèi)裝有兩種互不相混的液體時(shí)，液體的密度與自分界面算起的液體高度成反比。

可以用來(lái)測(cè)定液體密度或進(jìn)行液柱高度換算

6/5/2024（2）等壓面

在靜止液體中，由壓力相等的各點(diǎn)組成的面稱(chēng)為等壓面。

容器中液體的自由表面是等壓面。

在靜止、同種、連續(xù)的液體中，水平面是等壓面。

液面下任一水平面都是等壓面。

分析解決液體平衡問(wèn)題很有用

找找等壓面?6/5/2024例8-2

判斷圖8-9中，A—A（a、b、c、d），B—B，E—E是否為等壓面，并說(shuō)明理由。6/5/2024

例8-3

如圖8-10，液體1和液體3的密度相等，

1g

3g

8.14kN/m3，液體2的

2g

133.3kN/m3。已知：h1

16cm，h2

8cm，h3

12cm。（1）當(dāng)pB

68950Pa時(shí)，pA等于多少?（2）當(dāng)pA

137900Pa時(shí)，且大氣壓力計(jì)的讀數(shù)為95976Pa時(shí)，求B點(diǎn)的表壓力為多少?6/5/2024解題步驟：

①選擇正確的等壓面。選擇等壓面是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，根據(jù)等壓面的條件，選擇包含已知條件和未知量的符合條件的水平面為等壓面，一般選在兩種液體的分界面或氣液分界面上。②根據(jù)具體情況，列出每個(gè)等壓面的壓力表達(dá)式，從而把等壓面壓力與已知點(diǎn)壓力、未知點(diǎn)壓力聯(lián)系起來(lái)。③令等壓面壓力相等，得到求解未知點(diǎn)壓力的方程式。④解此方程計(jì)算未知壓力。注意單位的換算。等壓面6/5/20242.液柱式測(cè)壓計(jì)根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理不同，大致可分為四類(lèi)：

液柱式測(cè)壓計(jì)

彈簧式測(cè)壓計(jì)

電氣式測(cè)壓計(jì)

——用于測(cè)量壓力的裝置

。

活塞式測(cè)壓計(jì)

精度較高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但量程較小，所以常用于測(cè)量低壓、真空度和壓力差

6/5/2024（1）測(cè)壓管

為一根直徑不小于5mm兩端開(kāi)口的玻璃直管或U形管。應(yīng)用時(shí)一端和流體所要測(cè)量壓力之處相連接，另一端開(kāi)口與大氣相通根據(jù)管中液面上升的高度可以得到被測(cè)點(diǎn)的流體靜壓力值。

該指示液的密度要大于被測(cè)流體的密度，且兩者不能互溶

（b）和（c）中U形玻璃管內(nèi)裝有密度為

i的工作液體（又稱(chēng)指示液）.測(cè)氣體時(shí)可忽略氣柱高度產(chǎn)生的壓力表6/5/2024（2）U形管壓差計(jì)

壓差計(jì)是用來(lái)測(cè)量流體兩點(diǎn)間壓力差的儀器，常用U形玻璃管制成，只是兩端均需接到被測(cè)流體A、B兩處，按U形管中指示液的高度差可計(jì)算出A、B兩處的壓力差。

6/5/2024U形管壓差計(jì)當(dāng)A、B兩處壓差較小，可用倒U形管壓差計(jì)來(lái)測(cè)量。倒U形管壓差計(jì)的指示液密度比被測(cè)流體密度要小。

例8-5

6/5/2024（3）傾斜式微壓計(jì)

在測(cè)定較小壓力（或壓差）時(shí)，為了提高測(cè)量精度，可以采用斜式微壓計(jì)，如圖8-14所示。微壓計(jì)一般用于測(cè)量氣體壓力，測(cè)量時(shí)容器A要與被測(cè)點(diǎn)處相連，測(cè)壓管B與水平方向夾角為

。

改變傾角

或