大学精品课件：第一章流体力学.ppt

1、第第1章章 流体力学基本知识流体力学基本知识 教学目标：教学目标： 了解流体的主要力学性质；了解流体的主要力学性质； 理解流体静力学和流体动力学的基本概念；理解流体静力学和流体动力学的基本概念； 掌握流动阻力与能量损失的基本概念。掌握流动阻力与能量损失的基本概念。 流体力学是力学的一个分支，它是研究流流体力学是力学的一个分支，它是研究流 体静止和运动的力学规律，及其在工程技体静止和运动的力学规律，及其在工程技 术中的应用。术中的应用。 本章介绍流体静力学、流体动力学、流体本章介绍流体静力学、流体动力学、流体 运动的基本知识，以及流体阻力和能量损运动的基本知识，以及流体阻力和能量损 失的基本概念

2、。失的基本概念。 11 流体的主要力学性质流体的主要力学性质 一、惯性一、惯性 定义：惯性是物体维持原有运动状态的性质。定义：惯性是物体维持原有运动状态的性质。 质量：表征惯性的物理量。质量：表征惯性的物理量。 流体的质量：常以密度来反映。流体的质量：常以密度来反映。 密度：对于均质流体，单位体积的质量称为密度密度：对于均质流体，单位体积的质量称为密度 ，即：，即： 重度：对于均质流体，单位体积的流体所受的重重度：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，简称重度。力称为流体的重力密度，简称重度。 即：即： 液体的密度和重度可视为固定值，气体却不能。液体的密度和重度可视为固定

3、值，气体却不能。 /m V /G Vmg Vg 二、粘滞性二、粘滞性 定义：流体内部质点间或层流间因相对运动而产定义：流体内部质点间或层流间因相对运动而产 生生内摩擦力内摩擦力（切力）以反抗相对运动的性质叫做（切力）以反抗相对运动的性质叫做 粘滞性粘滞性 。此内摩擦力称为。此内摩擦力称为粘滞力粘滞力。 对于静止流体，由于各层间没有相对运动，粘滞对于静止流体，由于各层间没有相对运动，粘滞 性性不显示不显示。 管道中断面流速分布管道中断面流速分布 流体的粘滞性大小，通常用动力粘滞性系数流体的粘滞性大小，通常用动力粘滞性系数和和 运动粘滞性质系数运动粘滞性质系数来反映。其值大，说明流体来反映。其值大

4、，说明流体 的粘滞性也大。的粘滞性也大。 动力粘滞系数动力粘滞系数与与运动粘滞系数相互关系运动粘滞系数相互关系： 水与空气流动性哪个大？水与空气流动性哪个大？ P3P3表中有水和空气的粘滞性系数。可以看出，水的动力粘滞表中有水和空气的粘滞性系数。可以看出，水的动力粘滞 性系数比空气大得多，可是运动粘滞性系数只是同温度空气性系数比空气大得多，可是运动粘滞性系数只是同温度空气 的十分之一。因此，水比空气流动性大。因为流体是运动学的十分之一。因此，水比空气流动性大。因为流体是运动学 概念，衡量流体流动性应用运动粘滞性系数。概念，衡量流体流动性应用运动粘滞性系数。 /v 三、压缩性和热胀性三、压缩性和

5、热胀性 定义：定义： 流体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质，流体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质， 称为流体的压缩性。称为流体的压缩性。 流体温度升高，体积增大，密度减小的性质，称流体温度升高，体积增大，密度减小的性质，称 为流体的热胀性。为流体的热胀性。 结论：结论： 1 1）液体压缩性和热胀性很小，在工程技术领域液体压缩性和热胀性很小，在工程技术领域 中可中可忽略不计忽略不计。 2 2）气体有气体有显著显著的压缩性和热胀性。的压缩性和热胀性。 3 3）但在处理问题时，也要具体问题但在处理问题时，也要具体问题具体分析具体分析。 12 流体静力学的基本概念流体静力学的基本概念 流体静止

6、是运动中的一种特殊状态。流体静止是运动中的一种特殊状态。 流体处于静止状态，流体处于静止状态，不显示不显示粘滞性（各质点之间粘滞性（各质点之间 均不产生相对运动）。均不产生相对运动）。 流体静力学的中心问题是研究流体流体静力学的中心问题是研究流体静压强的分布静压强的分布 规律规律。 一、流体静压强及其特性一、流体静压强及其特性 1、流体静压强的两个基本特性：流体静压强的两个基本特性： （1）静压强的方向指向受压面，并与受压面垂直。静压强的方向指向受压面，并与受压面垂直。 （2）流体内流体内任意一点的静压强在各个方向面上的任意一点的静压强在各个方向面上的 值均相等。值均相等。 讨论：讨论： 在静

7、止或相对静止流体中，任一点的液体压强的在静止或相对静止流体中，任一点的液体压强的大小大小与作与作 用面方向无关，只与该点位置有关用面方向无关，只与该点位置有关。各点位置不同，压强各点位置不同，压强大大 小小可能可能不同，位置一定，不论取哪个方向，压强大小完全相不同，位置一定，不论取哪个方向，压强大小完全相 等。因此，流体静压强等。因此，流体静压强大小大小只是空间位置的函数。只是空间位置的函数。 二、流体静压强的分布规律二、流体静压强的分布规律 1 1、静水压强基本方程式：、静水压强基本方程式： 0 PPrh 静压强分布图静压强分布图 1)1)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静

8、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。深度乘积之和。 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。 3)3)在静止液体内同一深度的点压强相等，构成一个水平的等在静止液体内同一深度的点压强相等，构成一个水平的等 压面。压面。 4)4)液面压强可等值地在静止液体内传递。液面压强可等值地在静止液体内传递。 分布规律：分布规律： 2 2、静水压强基本方程的另一种形式、静水压强基本方程的另一种形式 在容器中，任取两点：在容器中，任取两点： 1001 ()ppr zz 2002 ()ppr zz p zC 经整理得：经整理得： （常数）

9、（常数） 这个常数这个常数C与与z（基准面位置）、（基准面位置）、p（液面压强）、（液面压强）、 （液体重度有关）。（液体重度有关）。 概念引入：概念引入： 位置水头位置水头 ：z 压强水头压强水头 ：p/ 测压管水头测压管水头 ：z+p/=C 同一容器内静止液体中，同一容器内静止液体中， 测压管水头均相等。测压管水头均相等。 三三、压强的表示方法和度量单位压强的表示方法和度量单位 1 1、表示方法表示方法 （1 1）绝对压强绝对压强P Pj j：以绝对真空为零点：以绝对真空为零点。 （2 2）相对压强相对压强P P： 以大气压以大气压P Pa a为零点为零点。 工程中工程中，通常采用相对压强

10、通常采用相对压强，P P可正可负可正可负。 绝对压强与相对压强的关系：绝对压强与相对压强的关系：P=PP=Pj jP Pa a P P为正值时：为正值时：P Pj j P Pa a，称为正压（表压，即压力表，称为正压（表压，即压力表 读数）。读数）。 P P为负值时：为负值时：P Pj j P Pa a，称为负压（，称为负压（负压的绝对值称负压的绝对值称 真空度，即真空表读数）。真空度，即真空表读数）。 真空度真空度（只能是正值）（只能是正值）：P Pk k=P=Pa a- -P Pj j= =- -P P 2 2、压强的度量单位、压强的度量单位 （1 1）用单位面积的压力表示来，单位为用单位

11、面积的压力表示来，单位为N/N/（PaPa） （2 2）用大气压的倍数用大气压的倍数 国际上规定标准大气压（温度为国际上规定标准大气压（温度为00时海平面上的压强，时海平面上的压强， 即即760760HgHg）为）为101.325KPa101.325KPa。即。即1 1标准大气压标准大气压=101.325KPa=101.325KPa。 工程单位中规定工程大气压工程单位中规定工程大气压( (相当于海拔相当于海拔200200米处的正常米处的正常 大气压大气压) )为为1kgf/cm1kgf/cm2 2，即，即1at=1kgf/cm1at=1kgf/cm2 2 = = 98.07KPa98.07KP

12、a。 例如：例如：某点的绝对压强为某点的绝对压强为303.975KPa303.975KPa，则称绝对压强为三，则称绝对压强为三 个标准大气压，或称相对压强为两个标准大气压。个标准大气压，或称相对压强为两个标准大气压。 （3 3）用液柱高度来表示用液柱高度来表示, ,单位是单位是mHmH2 2O O、H H2 2O O、HgHg 将压强转换为某种液柱高度的计算公式为：将压强转换为某种液柱高度的计算公式为： 一标准大气压：一标准大气压： 2 3 101325/ 10.33 9807/ N m hm N m 三种三种压强换算关系压强换算关系： 1 1工程大气压工程大气压 10mH10mH2 2O O

13、 735.6735.6HgHg 98kN/98kN/ 98KPa98KPa 1 1标准大气压标准大气压 101.325KPa101.325KPa 760760HgHg p h 13 流体动力学的基本概念流体动力学的基本概念 一、流体动力学的基本名词一、流体动力学的基本名词 1 1、元流元流 2 2、总流总流 3 3、过流断面过流断面，可能是平面可能是平面，也可能是曲面也可能是曲面 4 4、流量流量Q Q 5 5、流速流速Q=WVQ=WV 由于粘滞性由于粘滞性，过流断面上流速不是定值过流断面上流速不是定值。在实际工程中在实际工程中 通常采用过流断面上各质点流速的平均值即通常采用过流断面上各质点流

14、速的平均值即平均流速平均流速。 平均流速通过过流断面的流量应等于实际流速通过断面的平均流速通过过流断面的流量应等于实际流速通过断面的 流量流量。 二、流体运动的类型二、流体运动的类型 1 1、有压流（管流）、有压流（管流） 流体在压差作用下流动流体在压差作用下流动, ,流体整个周围都和固体流体整个周围都和固体 壁相接触，没有自由表面。如壁相接触，没有自由表面。如给水管道中给水管道中的水流。的水流。 2 2、无压流（重力流）、无压流（重力流） 流体在重力作用下流动，流体的部分周界与固体流体在重力作用下流动，流体的部分周界与固体 壁相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表壁相接触，部分周界与气体相

15、接触，形成自由表 面。如排面。如排水管道中水管道中的水流的水流（有充满度，不是（有充满度，不是100%100% 充满）充满）。 3 3、恒定流、恒定流 流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运 动要素都不随时间而变化的流动。动要素都不随时间而变化的流动。 4 4、非恒定流、非恒定流 流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运 动要素随时间的变化而变动的流动。动要素随时间的变化而变动的流动。 自然界中都是非恒定流，建筑设备工程中为便于计自然界中都是非恒定流，建筑设备工程中为便于计 算和讨论，近似取为恒定流算和讨

16、论，近似取为恒定流。 14 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 流体在运动中，克服各种流动阻力所作的功，将流体在运动中，克服各种流动阻力所作的功，将 使它的一部分机械能不可逆转地转化为热能，从使它的一部分机械能不可逆转地转化为热能，从 而形成了能量损失。而形成了能量损失。 能量损失（水头损失）能量损失（水头损失）：单位质量的流体单位质量的流体流动中流动中 所消耗的机械能。所消耗的机械能。 一、流动阻力和能量损失的两种形式一、流动阻力和能量损失的两种形式 1 1、沿程阻力和沿程水头损失、沿程阻力和沿程水头损失 沿程阻力：流体在管道中流动，所受的摩擦力。沿程阻力：流体在管道中

17、流动，所受的摩擦力。 沿程水头损失：为克服摩擦力，单位质量流体所沿程水头损失：为克服摩擦力，单位质量流体所 消耗的机械能，常用消耗的机械能，常用h hf f表示。表示。 2 2 f lv h dg 沿程阻力系数，可查有关手册或实验得出。沿程阻力系数，可查有关手册或实验得出。 2 2、局部阻力和局部水头损失、局部阻力和局部水头损失 局部阻力：局部阻力：在边壁出现急剧变化的区域，由于出在边壁出现急剧变化的区域，由于出 现了旋涡区和速度分布改组，流动阻力大大增加现了旋涡区和速度分布改组，流动阻力大大增加。 局部水头损失：为了克服局部阻力，单位质量的局部水头损失：为了克服局部阻力，单位质量的 流体所消

18、耗的机械能，通流体所消耗的机械能，通常用常用h hj j表示。表示。 2 /2 j hvg 局部局部阻力系数，不同阻力系数，不同管件管件对应对应不同不同值值，可，可 查查有关手册有关手册 。 上述两个公式不是严格的理论公式，而是根据工上述两个公式不是严格的理论公式，而是根据工 程上长期实践的经验得出。程上长期实践的经验得出。目前，还不可能用纯目前，还不可能用纯 理论的方法解决能量损失计算的全部问题理论的方法解决能量损失计算的全部问题。 整个管道的总水头损失等于各管段的沿程水头损整个管道的总水头损失等于各管段的沿程水头损 失与各局部水头损失分别叠加之和。即：失与各局部水头损失分别叠加之和。即： wfj hhh 3 3、流态的判定流态的判定 两种流态：层流和紊流两种流态：层流和紊流 随着流速增大，层流随着流速增大，层流紊流紊流 判断流体的流动形态：判断流体的流动形态： 工程中，绝大多数流体运动处于紊流形态。工程中，绝大多数流体运动处于紊流形态。 Re/vd 作作 业业 1、两个工程大气压（绝对压强）的相对压强是多两个工程大气压（绝对压强）的相对压强是多 少？分别用少？分别用PaPa、mHmH2 2O O、HgHg、kgf/cmkgf/cm2 2表示。表示。 2 2、水与空气的流动性哪个大？为什么？、水与空气的流动性哪个大？为什么？