1-流体力学基本知识课件.ppt
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- 流体力学 基本知识 课件
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1、第第1 1篇篇 建筑设备基础知识建筑设备基础知识1 1 流体力学基本知识流体力学基本知识2 2 传热学基本知识传热学基本知识1 1 流体力学基本知识流体力学基本知识n1.1 1.1 流体的主要力学性质流体的主要力学性质n1.2 1.2 流体静力学的基本概念流体静力学的基本概念n1.3 1.3 流体动力学的基本概念流体动力学的基本概念n1.4 1.4 流动阻力与能量损失的基本概念流动阻力与能量损失的基本概念1.1 流体的主要力学性质流体的主要力学性质n流体:物质在自然界中通常按其存在状态的不同分为流体:物质在自然界中通常按其存在状态的不同分为固体固体(固相固相)、液体、液体(液相液相)和气体和气
2、体(气相气相)。液体和气体。液体和气体因具有较大的流动性,被统称为流体,它们具有和固因具有较大的流动性,被统称为流体,它们具有和固体截然不同的力学性质。体截然不同的力学性质。n流体力学:研究流体处于静止状态与运动状态的力学流体力学:研究流体处于静止状态与运动状态的力学规律及其实际应用的科学称为流体力学,它是力学的规律及其实际应用的科学称为流体力学,它是力学的一个分支。一个分支。n流体的特性:流体的特性:流体中由于各质点之间的内聚力极小,不能承受拉力,流体中由于各质点之间的内聚力极小,不能承受拉力,静止流体也不能承受剪切力。静止流体也不能承受剪切力。流体具有较大的流动性,且不能形成固定的形状。流
3、体具有较大的流动性,且不能形成固定的形状。流体在密闭状态下能承受较大的压力。流体在密闭状态下能承受较大的压力。n 1.1.1 流体的惯性流体的惯性n流体和其他固体物质一样都具有惯性,即物体维持其流体和其他固体物质一样都具有惯性,即物体维持其原有运动状态的特性。物质惯性的大小是用质量来度原有运动状态的特性。物质惯性的大小是用质量来度量的,质量大的物体,其惯性也大。量的,质量大的物体,其惯性也大。n对于均质流体,单位体积的质量称为流体的密度,即对于均质流体,单位体积的质量称为流体的密度,即n对于均质流体,单位体积的流体所受的重力称为流体对于均质流体,单位体积的流体所受的重力称为流体的重力密度,即的
4、重力密度,即n流体的密度和重度随温度和所受压力的变化而变化流体的密度和重度随温度和所受压力的变化而变化。VmVGn常用流体的密度和重度:常用流体的密度和重度:n水在标准大气压,温度为水在标准大气压,温度为4时密度和重时密度和重度分别为:度分别为:n,水银在标准大气压,温度为,水银在标准大气压,温度为0时密度时密度和重度是水的和重度是水的13.6倍。倍。n干空气在标准大气压,温度为干空气在标准大气压,温度为20时密时密度和重度分别为:度和重度分别为:3/1000mkg3/807.9mkN3/2.1mkg3/82.11mN1.1.2 流体的粘滞性流体的粘滞性n流体的粘滞性流体的粘滞性:流体在运动时
5、,由于内摩擦力的作用,使流:流体在运动时,由于内摩擦力的作用,使流体具有抵抗相对变形(运动)的性质。体具有抵抗相对变形(运动)的性质。n用流速仪可测得流体管道中某一断面的流速分布,如图用流速仪可测得流体管道中某一断面的流速分布,如图1.11.1所示。流体沿管道直径方向分成很多流层,各层的流速不同,所示。流体沿管道直径方向分成很多流层,各层的流速不同,管轴心的流速最大,向着管壁的方向逐渐减小,直至管壁处管轴心的流速最大,向着管壁的方向逐渐减小,直至管壁处的流速最小,几乎为零,流速按某种曲线规律连续变化。的流速最小,几乎为零,流速按某种曲线规律连续变化。n注意:注意:对于静止流体,由于各流层间没有
6、相对运动,对于静止流体,由于各流层间没有相对运动,粘滞性不显示。粘滞性不显示。n流体粘滞性的大小通常用动力粘滞性系数流体粘滞性的大小通常用动力粘滞性系数 和运动粘和运动粘滞性系数滞性系数 来反映,它们是与流体种类有关的系数,来反映,它们是与流体种类有关的系数,粘滞性大的流体,粘滞性大的流体,和和 的值也大,它们之间存在一的值也大,它们之间存在一定的比例关系。定的比例关系。n流体的粘滞性还与流体的温度和所受压力有关,受温流体的粘滞性还与流体的温度和所受压力有关,受温度影响大,受压力影响小。实验证明,水的粘滞性随度影响大,受压力影响小。实验证明,水的粘滞性随温度的增高而减小,而空气的粘滞性却随温度
7、的增高温度的增高而减小,而空气的粘滞性却随温度的增高而增大而增大。n牛顿内摩擦定律:牛顿内摩擦定律:dyduATdudyA切应力 dydun例题例题:n已知:平板面积已知:平板面积1m1m2 2,与台面之与台面之间距离为间距离为1mm1mm,充满粘滞系数,充满粘滞系数为为0.1Pas0.1Pas的液体,现平板的液体,现平板以以2m/s2m/s的速度平移,求拖动的速度平移,求拖动平板所需的力?平板所需的力?n解:解:NdyduAT200001.0211.0 1.1.3 1.1.3 流体的压缩性和热胀性流体的压缩性和热胀性n流体的压缩性:流体的压强增大,体积缩小,密度增流体的压缩性:流体的压强增大
8、,体积缩小,密度增大的性质。大的性质。n流体的热胀性:流体温度升高,体积增大,密度减小流体的热胀性:流体温度升高,体积增大,密度减小的性质。的性质。n液体的压缩性和热胀性都很小。气体与液体具有显著液体的压缩性和热胀性都很小。气体与液体具有显著不同的压缩性和热胀性。不同的压缩性和热胀性。n在温度不过低,压强不过高时,气体密度、压强和温在温度不过低,压强不过高时,气体密度、压强和温度三者之间的关系,有下列气体状态方程式:度三者之间的关系,有下列气体状态方程式:n对于空气:对于空气:RTp2872983148314nR1.1.4 流体的表面张力流体的表面张力n表面张力:由于流体分子之间的吸引力,在流
9、体的表表面张力:由于流体分子之间的吸引力,在流体的表面上能够承受极其微小的张力,这种张力称表面张力。面上能够承受极其微小的张力,这种张力称表面张力。n作用点:在液体表面上;在液体与固体的接触界面。作用点:在液体表面上;在液体与固体的接触界面。n毛细现象:由于表面张力的作用,如果把两端开口的毛细现象:由于表面张力的作用,如果把两端开口的玻璃管竖在液体中,液体会在细管中上升(水)或下玻璃管竖在液体中,液体会在细管中上升(水)或下降(汞)一定高度,这种现象称作毛细现象。降(汞)一定高度,这种现象称作毛细现象。n补充:液体表面曲率越大,表面张力就越大。补充:液体表面曲率越大,表面张力就越大。1.2 流
10、体静力学的基本概念流体静力学的基本概念n流体静力学研究的中心问题是流体静压强的分布规律。流体静力学研究的中心问题是流体静压强的分布规律。n1.2.1 1.2.1 流体静压强及其特性流体静压强及其特性n推导实验:在一容器的静止水中,取出小水体推导实验:在一容器的静止水中,取出小水体J J作为隔离作为隔离体来进行研究,如图体来进行研究,如图1.21.2所示。为保持其静止(平衡)状所示。为保持其静止(平衡)状态,周围水体对隔离体有压力作用。设作用于隔离体表面态,周围水体对隔离体有压力作用。设作用于隔离体表面某一微小面积某一微小面积上的总压力是上的总压力是P P,则,则面积上的平面积上的平均压强为均压
11、强为 n当所取的面积无限缩小为一点当所取的面积无限缩小为一点a a时,即时,即00,则平均压,则平均压强的极限值为强的极限值为PpPp0limn流体静压强具有两个基本特性:流体静压强具有两个基本特性:n静压强的方向指向受压面,并与静压强的方向指向受压面,并与受压面垂直;受压面垂直;n流体内任一点的静压强在各个方流体内任一点的静压强在各个方向面上的值均相等。向面上的值均相等。1.2.2 流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律n推导:在静止液体中任取一垂直小圆柱作为隔离体,推导:在静止液体中任取一垂直小圆柱作为隔离体,研究其底面点的静压强,如图研究其底面点的静压强,如图1.31.3所示。已知圆柱
12、体高所示。已知圆柱体高度为度为h h,端面面积为,端面面积为,圆柱体顶面与自由面重合,圆柱体顶面与自由面重合,所受压强为。在圆柱体侧面上的静水压力方向与轴向所受压强为。在圆柱体侧面上的静水压力方向与轴向垂直垂直(水平方向,图中未绘出水平方向,图中未绘出),而且是对称的,故相,而且是对称的,故相互平衡。则圆柱体轴向的作用力有:互平衡。则圆柱体轴向的作用力有:n (1)(1)上表面压力,方向垂直向下;上表面压力,方向垂直向下;n (2)(2)下底面静压力,方向垂直向上;下底面静压力,方向垂直向上;n (3)(3)圆柱体的重力,方向垂直向下。圆柱体的重力,方向垂直向下。n根据圆柱体静止状态的平衡条件
13、,令方向向上为正,根据圆柱体静止状态的平衡条件,令方向向上为正,向下为负,则可得到圆柱体轴向力的平衡方程,即向下为负,则可得到圆柱体轴向力的平衡方程,即n上式是静水压强基本方程式,又称为静水力学基本方上式是静水压强基本方程式,又称为静水力学基本方程式。程式。n流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律:n(1)(1)静止液体内任意一点的压强等于液面压强加上液体静止液体内任意一点的压强等于液面压强加上液体重度与深度乘积之和。重度与深度乘积之和。n(2)(2)在静止液体内,压强随深度按直线规律变化。在静止液体内,压强随深度按直线规律变化。n(3)(3)在静止液体内同一深度的点压强相等,构成一个水在静
14、止液体内同一深度的点压强相等,构成一个水平的等压面。平的等压面。n(4)(4)液面压强可等值地在静止液体内传递。水压机等一液面压强可等值地在静止液体内传递。水压机等一些液压传动装置就是根据这一原理制成的。些液压传动装置就是根据这一原理制成的。00phphpp0n静水压强的基本方程式还可表示成另一种形式,见图静水压强的基本方程式还可表示成另一种形式,见图1.51.5,设水箱水面的压强为,设水箱水面的压强为 ,在箱内的液体中任取两,在箱内的液体中任取两点,在箱底以下任取一基准面点,在箱底以下任取一基准面0-00-0。箱内液面到基准面。箱内液面到基准面的高度为的高度为 ,1 1点和点和2 2点到基准
15、面的高度分别为点到基准面的高度分别为 和和 ,根据静水压强基本公式,可列出根据静水压强基本公式,可列出l l点和点和2 2点的压强表达点的压强表达式。式。1001zzpp2002zzpp0011pzpz0022pzpz002211pzpzpz0p0z1z2zn由于点由于点1 1和点和点2 2是在箱内液体中任取的,故可推广到整个液是在箱内液体中任取的,故可推广到整个液体中得到具体普遍意义的规律,即体中得到具体普遍意义的规律,即n这就是静水压强基本方程式的另一种表达形式。该方程式这就是静水压强基本方程式的另一种表达形式。该方程式表明在同一种静止液体中,任一点表明在同一种静止液体中,任一点 的总是一
16、个的总是一个n常数,常数的值与基准面的位置选择及液面压强值有关。常数,常数的值与基准面的位置选择及液面压强值有关。nz z为任一点的位置相对于基准面的高度,称为为任一点的位置相对于基准面的高度,称为位置水位置水头头;是在该点压强作用下液体沿测压管所能上升的高是在该点压强作用下液体沿测压管所能上升的高度,称为度,称为压强水头压强水头;两水头相加;两水头相加 称为称为测压管水测压管水头头。而。而 表示在同一容器内的静止液体中,所以各表示在同一容器内的静止液体中,所以各点的测压管水头均相等。点的测压管水头均相等。Cpzppz Cpzpz n对于静止气体的压强计算,由于气体的对于静止气体的压强计算,由
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