第4章-流體基本知識(shí)

第四章流體力學(xué)基本知識(shí)第一節(jié)流體力學(xué)基本概念定義：能夠流動(dòng)的物質(zhì)。根據(jù)其力學(xué)特征(mechanicalcharacteristics)可以定義為：受到任何微小剪切力(shearforce)的作用都能夠?qū)е缕溥B續(xù)變形的物質(zhì)。流體是液體(liquid)和氣體(gas)的總稱。一、流體的主要特征

易流動(dòng)性（力學(xué)特征，易變形）(Fluidity)靜止?fàn)顟B(tài)的流體(staticfluid)不能承受剪切應(yīng)力；流體只能承受壓力(compressivestresspressure)，不能承受拉力(tensilestress,tension)；液體隨其所在容器的形狀而變，氣體總能充滿它所到達(dá)的全部空間。二、流體密度與重度：密度定義：單位體積的流體所具有的質(zhì)量物理意義：表示流體在空間分布的密集程度。對于均質(zhì)流體，各點(diǎn)密度相同，即：對于非均質(zhì)流體，各點(diǎn)密度不相同，在流體的空間中某點(diǎn)密度：重度：對于均質(zhì)流體對于非均質(zhì)流體1、壓縮性：定義：在一定的溫度下，流體的體積隨壓強(qiáng)升高而縮小的性質(zhì)表示方法：體積壓縮系數(shù)β(Thecoefficientofcompressibility)

（1/Pa）三、流體的壓縮性與膨脹性2、膨脹性：定義：在一定的壓強(qiáng)下，流體的體積隨溫度的升高而增大的性質(zhì)表示方法：溫度膨脹系數(shù)α(thecoefficientofexpansibility)（1/K）實(shí)驗(yàn)表明:液體不具有明顯的壓縮性與膨脹性--------

可以不考慮氣體的壓縮性與膨脹性不同于液體，具有明顯的壓縮性與膨脹性的壓縮性大得多，這是由于氣體的密度隨著溫度和壓強(qiáng)的改變將發(fā)生顯著的變化。對于理想氣體，其密度與溫度和壓強(qiáng)之間的關(guān)系用熱力學(xué)中的狀態(tài)方程式表示，即四、流體的黏性2、定義：流體在流動(dòng)過程中由于流體之間的內(nèi)摩擦力而引起的阻礙流體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)稱為流體的黏性。1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)摩擦力的表示：用剪切應(yīng)力τ（單位接觸面積上的力）。

實(shí)驗(yàn)表明：剪切應(yīng)力τ的大小同速度梯度du/dy成正比。即：式中μ——黏度或黏滯系數(shù)(viscosityorabsoluteviscosity)。ABydyduUN/m2（牛頓內(nèi)摩擦定律）黏度的單位是：N.s/m2或Pa.s黏度μ的物理意義：表征單位速度梯度作用下的切應(yīng)力，反映了流體黏性的動(dòng)力性質(zhì)，所以μ又被稱為動(dòng)力黏度。

與動(dòng)力黏度μ對應(yīng)的是運(yùn)動(dòng)黏度υ(kinematicviscosity)，二者的關(guān)系是運(yùn)動(dòng)黏度υ物理意義：單位速度梯度作用下的切應(yīng)力對單位體積的質(zhì)量作用產(chǎn)生的阻力加速度。（m2/s）原因：分子之間的內(nèi)聚力對液體黏性起主要作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子間距離變大，內(nèi)聚力相應(yīng)變小，因而黏度下降。液體黏度：隨溫度升高急劇下降。3、黏性與溫度的關(guān)系氣體黏度：隨溫度的上升而增大。原因：相鄰流層之間分子動(dòng)量的交換對氣體黏性起主要作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，動(dòng)量交換增多，各層之間的制動(dòng)作用加大，因而黏度增大。書上表4-1

第二節(jié)流體靜力學(xué)

流體靜力學(xué)-----研究流體在外力作用下的靜止平衡規(guī)律及其在工程上應(yīng)用的科學(xué)。流體相對于慣性參考坐標(biāo)系沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱為流體處于靜止（或平衡）狀態(tài)。流體相對于非慣性參考坐標(biāo)系沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)，稱為流體處于相對靜止（或相對平衡）狀態(tài)。流體處于靜止或相對靜止?fàn)顟B(tài)，流層間沒有相對滑動(dòng)，粘性作用表現(xiàn)不出來-------流體靜力學(xué)為無黏性流體的力學(xué)模型。注：不是流體沒有粘性一、流體的靜壓強(qiáng)定義：流體的壓強(qiáng)(pressure)

：在流體內(nèi)部或固體壁面所存在的單位面積上的法向作用力流體靜壓強(qiáng)（staticpressure)：流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的壓強(qiáng)。平均靜壓強(qiáng)：壓強(qiáng)單位(Units)

國際單位（SI）制：Pa；

工程單位制：Kgf/m2

其它，如大氣壓（atm），

1atm=101325Pa特性1.流體的靜壓強(qiáng)必須垂直于其所作用的面積，并指向作用面的內(nèi)法線方向特性2、某一點(diǎn)上的流體靜壓強(qiáng)的大小與作用面的方向無關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。即px=py=pz=pn注：研究流體靜力學(xué)得根本問題就是研究流體靜壓強(qiáng)問題。二、流體的靜壓強(qiáng)特性：PPnτΔA液體與氣體交界面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)p。是相等的，（這樣的等壓面稱為自由表面）令自由表面的坐標(biāo)為z0，或

是靜止流體中任意點(diǎn)在自由液面下的深度。

式中該式為自由表面以下任意深度h處的壓強(qiáng)式，它說明了平衡液體中壓強(qiáng)的分布規(guī)律。（2-2-3）二流體的靜力學(xué)基本方程式

由此得到三個(gè)重要結(jié)論：

(1)在重力作用下的靜止液體中，靜壓強(qiáng)隨深度按線性規(guī)律變化，即隨深度的增加，靜壓強(qiáng)值成正比增大。

(2)在靜止液體中，任意一點(diǎn)的靜壓強(qiáng)由兩部分組成：一部分是自由液面上的壓強(qiáng)p0

；另一部分是該點(diǎn)到自由液面的單位面積上的液柱重量γh。

(3)在靜止液體中，位于同一深度(h=常數(shù))的各點(diǎn)的靜壓強(qiáng)相等。流體中壓強(qiáng)相等的點(diǎn)所組成的面稱為等壓面。這表明任一水平面都是等壓面。特別注意：流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律只適用于靜止、同種、連續(xù)的流體。第五節(jié)測量壓強(qiáng)的儀器流體的壓強(qiáng)可用液柱高度表示，因此液柱式測壓計(jì)(manometer)是測量流體壓強(qiáng)常用的儀器，其工作液體一般為水、酒精、四氯化碳或水銀等。應(yīng)用液體平衡原理可以測量流體的壓強(qiáng)。所使用的這類儀器叫液壓計(jì)。

分類：機(jī)械式壓力傳感器：電氣式壓力傳感器：液柱式壓力計(jì)彈簧管式壓力計(jì)活塞凈重式壓力計(jì)壓電壓力計(jì)壓阻壓力計(jì)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)一、幾個(gè)基本概念理想流體流動(dòng)：流體流動(dòng)不考慮粘性力影響。粘性流體流動(dòng)：流體流動(dòng)考慮粘性力影響。1、理想流體和實(shí)際流體2、流量單位時(shí)間內(nèi)，經(jīng)橫截面積上流過的流體體積，稱為體積流量，簡稱流量Qv，單位是m3/s。質(zhì)量流量：3、流體運(yùn)動(dòng)要素和平均流速流體運(yùn)動(dòng)的基本要素：壓力和流速流速高——壓力小流速低——壓力大平均流速：由于液體都有黏性，液體在管中流動(dòng)時(shí)，在同一截面上各點(diǎn)的流速是不相同的。為方便計(jì)算，引入一個(gè)平均流速的概念，即假設(shè)過流斷面上各點(diǎn)的流速均勻分布。流速是指在單位時(shí)間內(nèi)流過單位過流斷面的液體體積：

4、穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流穩(wěn)定（定常）流動(dòng)非穩(wěn)定（非定常）流動(dòng)定常流動(dòng)(steadyflow):流動(dòng)物理參數(shù)不隨時(shí)間而變化非定常流動(dòng)(unsteadyflow):流動(dòng)物理參數(shù)隨時(shí)間而變化二.連續(xù)性方程對象：管道橫截面與流體流速依據(jù)：物質(zhì)不滅原理不可壓縮流體三.能量方程目的：給出穩(wěn)定流動(dòng)內(nèi)任一點(diǎn)流速、壓力和位置高度之間的關(guān)系速度能頭：單位重量流體具有的動(dòng)能壓力能頭：單位重量流體具有的壓力能位置能頭：單位重量流體具有的勢能1.方程P/γ-----單位重量流體所具有的壓力勢能Z----單位重量的流體對于基準(zhǔn)面所具有的位能。Z1P1/γP2/γ在管道截面1－1、2－2上插入測壓管。在流體壓強(qiáng)的作用之下，測壓管內(nèi)出現(xiàn)高度為p1/γ、p2／γ的流體柱，-----單位重量流體所具有的動(dòng)能，相當(dāng)于流體以初速度u1和u2向上垂直時(shí)所上升的高度

測速管的管嘴正迎向流過來的流體，故不但感受到流體靜壓強(qiáng)的作用，還能感受流體速度的作用。因而流體在測速管內(nèi)上升的高度比測壓管高。Z1P1/γP2/γ該式表示單位重量流體的機(jī)械能之和，在理想流體微細(xì)流的各個(gè)截面上，全部機(jī)械能保持不變。機(jī)械能之間是可以互相轉(zhuǎn)換的，某種形式的機(jī)械能的變化必然導(dǎo)致其它形式的機(jī)械能發(fā)生相應(yīng)的變化。Z1P1/γP2/γ2、幾何意義柏努利方程式中各項(xiàng)均表示流體柱的高度，故均稱之為壓頭。

Z=hz-------位置高度，稱為幾何壓頭或位壓頭。-----壓力勢能所產(chǎn)生的流體柱的高度，稱為靜壓頭。

上述三種壓頭之和也可以用一總的流體柱高度H表示，稱為總壓頭。因此，柏努利方程式可寫為：H=hz+hp+hd=常數(shù)

----是動(dòng)能所產(chǎn)生的流體柱的高度，稱為速度壓頭或動(dòng)壓頭。Z1P1/γP2/γ2.實(shí)際流體的能量方程于是對于粘性流體的整體，作恒定流動(dòng)時(shí)，在由截面1－1流向截面2－2之間流體的柏努利方程式是：取α=1，則：注：理想流體的總水頭線是一條水平線實(shí)際流體的總水頭線是一條斜線綜上所述，柏努利方程式的應(yīng)用條件：恒定流動(dòng)；質(zhì)量力僅有重力；流體為不可壓縮流體，對于氣體，所取過流斷面截面處為緩變流二、應(yīng)用舉例1、在生產(chǎn)過程中利用設(shè)備位置的高差來使流體以一定的流速或流量流動(dòng)，如水塔、高位槽及虹吸等。這時(shí)，需要根據(jù)高度差來求流量，或求出欲達(dá)到某一流量須保持若干高度差。

第四節(jié)管流損失和水擊其中hl1-2是因克服截面1－1與2－2之間的阻力即單位重量的流體所消耗的機(jī)械能（或壓頭），稱為壓頭損失單位：為焦／牛(或米)，。本章將著重討論該項(xiàng)。伯努利方程式Z1P1/γP2/γ微細(xì)流一、沿程阻力損失粘性阻力造成的粘性損失——沿程損失hf沿程損失：m或Pa1、流體沿程阻力影響因素（1）、流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)層流運(yùn)動(dòng)：有規(guī)則的紊流運(yùn)動(dòng)：不規(guī)則、雜亂無章的二、流態(tài)的判別準(zhǔn)則——雷諾數(shù)(ReynoldsNumber)3、進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明，除了流速v對流態(tài)有影響之外，管道直徑D、流體密度ρ和粘度μ對流態(tài)也有影響。D、ρ愈大，μ愈小，流態(tài)就愈容易從層流轉(zhuǎn)為湍流。判斷流態(tài)的準(zhǔn)則采用雷諾準(zhǔn)數(shù)(ReynoldsNumber)，用符號(hào)Re表示，即通常對于在平直的圓管中流動(dòng)的流體;當(dāng)Re＜2300時(shí)，流態(tài)屬層流；當(dāng)Re＞4000時(shí)，流態(tài)屬湍流；在2300＜Re＜4000這一范圍內(nèi)，屬過渡流。（無量綱）層流底層的厚度在紊流水流中通常只有十分之幾毫米層流底層的厚度與Re成反比當(dāng)層流底層厚度δ>K（管壁絕對粗糙度）時(shí)，則管壁的粗糙突出的高度完全被層流底層所掩蓋，這時(shí)管壁的粗糙度對流