1、7.1 流体流动的基本原理流体流动的基本原理7.1.1 流体的性质流体的性质n流体各质点之间的内聚力很小，它不能保持自己流体各质点之间的内聚力很小，它不能保持自己固定的形状；固定的形状；n当流体受到极小的剪切力时，会发生很大的变形，当流体受到极小的剪切力时，会发生很大的变形，这种特性叫做这种特性叫做流动性流动性；n根据流体的可压缩程度大小可以分为两类：不可根据流体的可压缩程度大小可以分为两类：不可压缩流体与可压缩流体。压缩流体与可压缩流体。(1) 流体的密度：流体单位体积所具有的质量流体的密度：流体单位体积所具有的质量。，mV，kgmm，kg：Vm33;/流体的体积流体的质量流体的密度式中注P
2、.24(2) 流体的黏滞性流体的黏滞性 流体抵抗切应力或剪力的性质称为流体的流体抵抗切应力或剪力的性质称为流体的黏滞性黏滞性。流体的黏滞性是流体流动时产生流体的黏滞性是流体流动时产生内摩擦力和阻力内摩擦力和阻力的的基本原因。基本原因。s，Pas，dyd，m，N；FT：dydFT动力黏性系数速度梯度与流层的接触面积内摩擦力式中;/1;2上式称为牛顿内摩擦定律上式称为牛顿内摩擦定律流体的黏滞性常用流体的黏滞性常用动力黏性系数动力黏性系数 或或运动黏运动黏性系数性系数来表示来表示 。在管道计算时，大多采用运动黏性系数在管道计算时，大多采用运动黏性系数 。 随着随着温度的升高温度的升高，液体液体的的黏
3、性系数黏性系数 下降下降；但；但气气体体的的黏性系数黏性系数 随之随之上升上升。(3) 理想流体与实际流体理想流体与实际流体n理想流体：理想流体：绝对不可压缩，又完全没有黏绝对不可压缩，又完全没有黏滞性的流体。滞性的流体。n实际流体实际流体都是可压缩的和有黏滞性的。都是可压缩的和有黏滞性的。n实际流体是可以压缩的实际流体是可以压缩的，对于液体来说，对于液体来说，其压缩性一般很小，是一个次要因素，考其压缩性一般很小，是一个次要因素，考虑问题时可以忽略不计；但对于气体来说，虑问题时可以忽略不计；但对于气体来说，它是可以压缩且压缩性较大，它是可以压缩且压缩性较大，由于它的流由于它的流动性很大动性很大
4、，只要施加很小的压力差，气体，只要施加很小的压力差，气体就可迅速流动起来，而这个小压力差所引就可迅速流动起来，而这个小压力差所引起各处起各处密度的变化密度的变化是很小的。因此对于流是很小的。因此对于流动着的气体，其压缩性也可以忽略。动着的气体，其压缩性也可以忽略。n关于不可压缩性关于不可压缩性n关于没有黏滞性关于没有黏滞性n实际液体流动时，其内部实际液体流动时，其内部相邻两层之间有相邻两层之间有摩擦力摩擦力，产生相互牵制，这种摩擦叫，产生相互牵制，这种摩擦叫内摩内摩擦擦。这种相互牵制的性质叫做流体的。这种相互牵制的性质叫做流体的黏滞黏滞性性。实际流体如水、酒精等粘滞性很小，。实际流体如水、酒精
5、等粘滞性很小，气体的粘滞性更小，因此往往把粘滞性也气体的粘滞性更小，因此往往把粘滞性也做次要因素而加以忽略。做次要因素而加以忽略。n忽略了忽略了压缩性压缩性和和粘滞性粘滞性之后，只有之后，只有流动性流动性才是才是决定流体运动的主要因素决定流体运动的主要因素，为了突出，为了突出液体的这一特征，故引入液体的这一特征，故引入理想流体理想流体这一模这一模型型绝对不可压缩，又完全没有黏滞性的流体。(4) 稳流稳流n稳流：稳流：流体流动时，如果流体所占空间每流体流动时，如果流体所占空间每一点的流速都不随时间而变，这种流动就一点的流速都不随时间而变，这种流动就叫叫稳定流动稳定流动，简称，简称稳流稳流。n流体
6、流动一般是很复杂的，这不仅是因为流体在同一时刻在空间各点流体质点的流动速度不一定相同，而且在不同时刻经同一点的流体质点流速也不一定相同，也就是说流体的流动情况随空间和时间而变。7.1.2 流体流动的基本方程式流体流动的基本方程式（1）连续性方程）连续性方程 根据质量守恒定律，流体在周界密闭的管道内根据质量守恒定律，流体在周界密闭的管道内作稳定流动时，从管道一端流入的质量等于另一端作稳定流动时，从管道一端流入的质量等于另一端流出的质量，即流出的质量，即单位时间内流过管道的每一截面的单位时间内流过管道的每一截面的流体质量是一常数流体质量是一常数。这就是连续原理。这就是连续原理。连续性方程：连续性方
7、程：。，m、FFs，m、m，kg、：FF2212132122211121;/21;/21处的横截面积与截面截面处的平均速度与截面截面处的流体密度与截面截面式中常数21如果流体是不可压缩的，则如果流体是不可压缩的，则 ，连续性方程，连续性方程可简化为可简化为常数2211FF可见：管子截面小处流速大，截面大处流速小。可见：管子截面小处流速大，截面大处流速小。（2）能量方程（伯努利方程）能量方程（伯努利方程）n理想流体作稳定流动时，流体中某点的理想流体作稳定流动时，流体中某点的压压力、流速力、流速和和该点高度该点高度之间的关系，称之间的关系，称伯努伯努利方程利方程。n是流体力学的一条基本定律。是流体
8、力学的一条基本定律。伯努利方程式：伯努利方程式：s。，m、，m、ZZs，mgm，kg，Pa、PP：gZPgZP/;/;/;222121232122221211流体的流速位置高度重力加速度流体的密度流体的静压式中因截取位置因截取位置1、2是任取的，所以对同一细流管中的是任取的，所以对同一细流管中的任一点都有：任一点都有：常数222222222111gZPgZPgZP它表明：在同一流管中任意处，单位体积流体的动能、重力势能及压力它表明：在同一流管中任意处，单位体积流体的动能、重力势能及压力能能之和之和是一常数（总能头），它实质上是包括压力能在内的机械能守恒定律。是一常数（总能头），它实质上是包括压
9、力能在内的机械能守恒定律。以上两式即为伯努利方程的数学表达式。以上两式即为伯努利方程的数学表达式。在实际流体流动时，由于在实际流体流动时，由于黏滞性黏滞性等原因产生的等原因产生的阻力阻力，将将损耗能量损耗能量而使总能头逐渐减少。而使总能头逐渐减少。n实际流体流动时的伯努利方程：实际流体流动时的伯努利方程：），Pa。（h：hgZPgZP或称阻力流动中的压力损失式中常数2222222111n水平流管水平流管里压力和流速的关系里压力和流速的关系 当流体在水平管内流动时，水平流管中当流体在水平管内流动时，水平流管中各点的高度各点的高度不变不变，伯努利方程可简化为：，伯努利方程可简化为：常数或常数222
10、2222211：PPP因此可得：理想流体在同一水平流管内稳定流动时，在截面大的地因此可得：理想流体在同一水平流管内稳定流动时，在截面大的地方，方，流速小，压力大；而截面小的地方，流速大，压力小。流速小，压力大；而截面小的地方，流速大，压力小。上式表明：在同一水平流管里，流速小的地方压力大，上式表明：在同一水平流管里，流速小的地方压力大，流速大的地方压力小。流速大的地方压力小。由连续性方程知道，管子截面小处流速大，截面大处流由连续性方程知道，管子截面小处流速大，截面大处流速小。速小。7.2 流体流动的状态和阻力流体流动的状态和阻力7.2.1 流体的流态流体的流态 由于流体有黏滞性，因而实际流体在
11、管道内流由于流体有黏滞性，因而实际流体在管道内流动时有阻力，其阻力变化的规律与流体的流动方式动时有阻力，其阻力变化的规律与流体的流动方式有关。有关。 层流状态层流状态 各层的流体质点互不干扰各层的流体质点互不干扰 湍流状态湍流状态流体质点间有横向流动，相互干扰流体质点间有横向流动，相互干扰 流体的流态判别，可用雷诺数（流体的流态判别，可用雷诺数（Re)运动黏性系数管道的几何尺寸管内平均流速Revdd实践与理论证明，不同流体在不同直径的管道中实践与理论证明，不同流体在不同直径的管道中流动，尽管流速不同，但只要雷诺数相同（反映流动，尽管流速不同，但只要雷诺数相同（反映在力学上相似），则流动方式相似
12、。在力学上相似），则流动方式相似。流动方式从层流转变到湍流时的雷诺数称为流动方式从层流转变到湍流时的雷诺数称为临界临界雷诺数雷诺数，此时的速度称为，此时的速度称为临界速度临界速度。由实验求得由实验求得临界雷诺数临界雷诺数为为2320n当当Re2320时，流动属时，流动属层流层流；n当当Re2320时，流动属时，流动属湍流湍流。Re变大，实质上扰动增大即惯性力增加，就会使内变大，实质上扰动增大即惯性力增加，就会使内部黏性力对运动的阻尼作用减弱，从而破坏了层流部黏性力对运动的阻尼作用减弱，从而破坏了层流状态而使流动变成了湍流。状态而使流动变成了湍流。在通风及采暖管道中的流体流动一般均属湍流流动。在
13、通风及采暖管道中的流体流动一般均属湍流流动。7.2.2 实际流体在管内流动时的阻力实际流体在管内流动时的阻力 阻力包括阻力包括摩擦阻力摩擦阻力和和局部阻力局部阻力两部分，两部分，其中其中局部阻力占比例较大，高达局部阻力占比例较大，高达80。因此。因此进行风管系统设计时，应尽量采取措施来减进行风管系统设计时，应尽量采取措施来减少局部阻力，以减少风机的能耗和设备少局部阻力，以减少风机的能耗和设备(风机风机)的初投资。的初投资。(1) 摩擦阻力摩擦阻力(又称为沿程阻力又称为沿程阻力)n由于由于黏滞性黏滞性和和管壁粗糙度管壁粗糙度所引起的流体质所引起的流体质点与管壁间的阻力。点与管壁间的阻力。，m。d
14、m，kg；m，Pa，RdRmm量直径圆管直径或矩形管的当流体的密度摩擦阻力系数比摩阻单位长度的摩擦阻力;/;/232n摩擦阻力是摩擦阻力是由于空气本身的粘滞性及在风由于空气本身的粘滞性及在风管中流动时与管壁摩擦产生的管中流动时与管壁摩擦产生的;n它与它与风速风速、管壁的、管壁的粗糙度粗糙度以及管道以及管道尺寸尺寸等等因素有关。因素有关。n当当风速风速和和管道尺寸管道尺寸一定时一定时(通常由设计人员通常由设计人员确定确定)，尽可能采用表面光滑的材料制作风，尽可能采用表面光滑的材料制作风管，就可降低摩擦阻力值。管，就可降低摩擦阻力值。(2) 局部阻力局部阻力在流体流动过程中遇到各种在流体流动过程中
15、遇到各种障碍物障碍物而产生的而产生的流动方流动方向和流速分布向和流速分布的的迅速改变迅速改变所造成的阻力。所造成的阻力。在通风、空调风管中，往往局部阻力要大于摩擦阻力在通风、空调风管中，往往局部阻力要大于摩擦阻力。m，kgs，m；，Pahhjj32/;/;2流体的密度流体的流速局部阻力系数局部阻力n局部阻力是局部阻力是空气流过风管中的配件空气流过风管中的配件(如弯头、如弯头、三通、变径管三通、变径管)和部件和部件(如风口、阀门如风口、阀门)等管等管件时，空气的流向、流量和流过断面等发件时，空气的流向、流量和流过断面等发生变化及某些管件的阻碍作用而产生的阻生变化及某些管件的阻碍作用而产生的阻力力
16、。n在设计时，通常采取以下一些措施来减小在设计时，通常采取以下一些措施来减小局部阻力：局部阻力：a)弯头的曲率半径弯头的曲率半径R不宜过小不宜过小，最常用的是，最常用的是Rb=1.02.0(b是矩形风管的宽度或圆形风管的直是矩形风管的宽度或圆形风管的直径径)，在，在Rb小于小于10时，要加装导流叶片，使时，要加装导流叶片，使空气流动阻力减小。空气流动阻力减小。b)三通的局部阻力大小三通的局部阻力大小，取决于三通，取决于三通断面的形状、断面的形状、分支管中心夹角、支管与主管的截面积比、支管分支管中心夹角、支管与主管的截面积比、支管与主管的流量比与主管的流量比(或流速比或流速比)以及三通的使用情况
17、以及三通的使用情况(用作分流还是合流用作分流还是合流)。c)尽量尽量避免风管断面的突然变化避免风管断面的突然变化，用，用渐缩管或渐扩渐缩管或渐扩管管代替突然缩小或突然扩大，渐缩管每边收缩角代替突然缩小或突然扩大，渐缩管每边收缩角度不宜大于度不宜大于30。，渐扩管每边扩展角度不宜大于。，渐扩管每边扩展角度不宜大于15。d)有条件时，风管上的有条件时，风管上的各个管件在布置时尽量相隔各个管件在布置时尽量相隔一定的距离，以避免管件之间的相互影响一定的距离，以避免管件之间的相互影响，在两，在两个管件距离很近或者直接连接时，由于互相干扰，个管件距离很近或者直接连接时，由于互相干扰，其局部阻力往往发生大幅
18、度变化，可能比两个单其局部阻力往往发生大幅度变化，可能比两个单独的局部阻力之和大，也可能小。独的局部阻力之和大，也可能小。7.3 风道的设计与分析风道的设计与分析n空调风管与空调风道的统称空调风管与空调风道的统称空调风管道。空调风管道。n按风管道的按风管道的制作材料制作材料分：有分：有金属金属风管道、风管道、非金属非金属风管道和风管道和复合材料复合材料风管道风管道n按风管道的按风管道的断面几何形状断面几何形状分：有分：有矩形、圆形矩形、圆形和和椭椭圆形圆形风管道风管道n按风管道的按风管道的连接对象连接对象分：有分：有主主(总总)风管道风管道和和支风支风管道管道n按风管按风管能否任意弯曲和伸展能
19、否任意弯曲和伸展分，有分，有柔性柔性风管风管(软管软管)和和刚性刚性风管风管n按风管道内的空气流速高低分，有按风管道内的空气流速高低分，有低速低速风管道和风管道和高速高速风管道风管道n风道设计的风道设计的任务任务 在确定了各在确定了各送排风点的位置送排风点的位置，所需，所需送排风送排风量，风管材料量，风管材料及及管道走向布置管道走向布置后需进行后需进行风风道设计道设计 。其核心任务是保证风道系统在实。其核心任务是保证风道系统在实际使用中，管路上的每个送排风口的际使用中，管路上的每个送排风口的风量风量符合设计的要求。符合设计的要求。n风道设计风道设计原则原则（1）子系统的划分子系统的划分要考虑到
20、室内空气控制参数、空调使用要考虑到室内空气控制参数、空调使用时间等因素，以及防火分区要求。时间等因素，以及防火分区要求。（2）管路系统管路系统要简洁，风管长度要尽可能短，分支管和管要简洁，风管长度要尽可能短，分支管和管件要尽可能少，避免使用复杂的管件，要便于安装、调节件要尽可能少，避免使用复杂的管件，要便于安装、调节与维修。与维修。（3）风管的断面形状风管的断面形状要因建筑空间制宜充分利用建筑空间要因建筑空间制宜充分利用建筑空间布置风管。风管的断面形状要与建筑结构和室内装饰相配布置风管。风管的断面形状要与建筑结构和室内装饰相配合，使其达到完美与统一。合，使其达到完美与统一。（4）风管断面尺寸要
21、）风管断面尺寸要国标化国标化（5）风管内风速风管内风速要选用正确。选用风速时，要综合考虑建要选用正确。选用风速时，要综合考虑建筑空间、风机能耗、噪声以及初投资和运行费用等因素。筑空间、风机能耗、噪声以及初投资和运行费用等因素。（6）风机的风压与风量要有适当的裕量风机的风压与风量要有适当的裕量风机的风压值宜在风机的风压值宜在风管系统总阻力的基础上再增加风管系统总阻力的基础上再增加1015；风机的风；风机的风量大小则宜在系统总风量的基础上再增加量大小则宜在系统总风量的基础上再增加10来分别确定。来分别确定。n风道设计风道设计步骤步骤（1） 根据各个房间或区域根据各个房间或区域空调负荷空调负荷计算出
22、的计算出的送回送回风量风量，结合气流组织的需要确定，结合气流组织的需要确定送回风口的形式送回风口的形式、设置位置及数量设置位置及数量。（2）根据工程实际确定空调机房或空调设备的）根据工程实际确定空调机房或空调设备的位位置置，选定热湿处理及净化，选定热湿处理及净化设备的形式设备的形式，划分其作，划分其作用用范围范围，明确子系统的，明确子系统的个数个数。（3）布置以每个空调机房或空调设备为核心的子）布置以每个空调机房或空调设备为核心的子系统送回风管的系统送回风管的走向和连接方式走向和连接方式。（4）确定每个子系统的风管）确定每个子系统的风管断面形状和制作材料断面形状和制作材料（5）对每个子系统进行
23、）对每个子系统进行阻力计算阻力计算(含选择风机含选择风机)。（6）进行绝热材料的选择与绝热层厚度的计算。）进行绝热材料的选择与绝热层厚度的计算。（7）绘制工程图绘制工程图。n空调风管系统的空调风管系统的阻力计算阻力计算（水力计算）（水力计算）（1）确定风管各管段的）确定风管各管段的断面尺寸和阻力断面尺寸和阻力（2）对各并联风管）对各并联风管支路支路进行进行阻力平衡设计阻力平衡设计(平衡各支风管的阻力以保证各支风管的风量达到设计的要求）（3）计算出）计算出选风机所需要的风压。选风机所需要的风压。空调风管系统的阻力计算方法空调风管系统的阻力计算方法(1)假定流速法假定流速法 假定流速法也称为流速控
24、制法，其特点是先假定流速法也称为流速控制法，其特点是先按技术经济要求选定管段的流速，再根据管段的风量确定按技术经济要求选定管段的流速，再根据管段的风量确定其断面尺寸和阻力。其断面尺寸和阻力。(2)压损平均法压损平均法 压损平均法也称为当量阻力法，是以单位长压损平均法也称为当量阻力法，是以单位长度风管具有相等的阻力为前提的，这种方法的特点是在已度风管具有相等的阻力为前提的，这种方法的特点是在已知总风压的情况下将总风压按风管长度平均分配给每一管知总风压的情况下将总风压按风管长度平均分配给每一管段，再根据每一管段的风量和分配到的风压计算风管断面段，再根据每一管段的风量和分配到的风压计算风管断面尺寸。在风管系统所用的风机风压已定时，采用该方法比尺寸。在风管系统所用的风机风压已定时，采用该方法比较方便。较方便。(3)静压复得法静压复得法 当流体的全压一定时，流速降低则静压增加。当流体的全压一定时，流速降低则静压增加。静压复得法就是利用这种管段内静压和动压的相互转换，静压复得法就是利用这种管段内静压和动压的相互转换，由风管每一分支处复得的静压来克服下游管段的阻力，并由风管每一分支处复得的静压来克服下游管段的阻力，并据此来确定风管的断面尺寸。据此来确定风管的断面尺寸。采用采用假定流速法假定流速法进行风道水力计算的步骤：进行风道水力计算的步骤：
