1、流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回第第1章章 流体力学基础知识流体力学基础知识 1.1 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 1.2 流体静压强及其分布规律流体静压强及其分布规律 1.3 流体运动基本知识流体运动基本知识 1.4 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失 1.5 孔口、管嘴出流孔口、管嘴出流 流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1.流体静压强及其分布规律流体静压强及其分布规律 2.流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失 本章重点本章重点流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回第第1章章 流体力学基础知识流体力学基础知识 一、什么是流体？一、什么是流体？ 液体和气
2、体因具有较大的流动性而被统称为液体和气体因具有较大的流动性而被统称为流体流体， 它们具有和固体完全不同的力学性质。它们具有和固体完全不同的力学性质。二、建筑工程中流体力学的应用二、建筑工程中流体力学的应用 在建筑设备工程中，建筑给水、排水、供热、供在建筑设备工程中，建筑给水、排水、供热、供燃气、通风和空气调节等设计、计算和分析都是以燃气、通风和空气调节等设计、计算和分析都是以流体力学为基础理论的。主要的流体有流体力学为基础理论的。主要的流体有水（含热水水（含热水）、空气、燃气）、空气、燃气等。等。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1.1 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 一、流体
3、的密度和重度一、流体的密度和重度 均质流体单位体积所具有的质量称为均质流体单位体积所具有的质量称为密度密度，用，用表示，单位表示，单位kg/m3。 mV 单位体积流体所受的重力称为单位体积流体所受的重力称为重度重度。用。用 表示，表示，单位单位N/m3 。VG流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回表1-1-1 几种常见物质的密度和重度物质密度（ kg/m3）重度（ N/m3）备注水100098004及1个大气压水银（汞）136001332800及1个标准大气压干空气1.211.8020及1个大气压流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回二、流体的粘（黏）性二、流体的粘（黏）性 一切实
4、际流体都是有粘性的，这也是流体的典一切实际流体都是有粘性的，这也是流体的典型特征。流体由静止到开始流动，是一个流体内型特征。流体由静止到开始流动，是一个流体内部产生剪切力，形成剪切变形，以使静止状态受部产生剪切力，形成剪切变形，以使静止状态受到破坏的过程。到破坏的过程。这种表明流体流动时产生内摩擦这种表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或流层间相对运动的特性称为力阻碍流体质点或流层间相对运动的特性称为粘粘性性，内摩擦力称为，内摩擦力称为粘滞力粘滞力。dyduAF内 流体内摩擦力假说流体内摩擦力假说牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 。流体流体动力粘度动力粘度，单位为，单位为Pa.s或或N.s/m2
5、。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 单位面积上的内摩擦力称为切应力，以单位面积上的内摩擦力称为切应力，以表示，表示，单位为单位为Pa。dydu 流体粘度越大，反映流体质点相互牵制的作用流体粘度越大，反映流体质点相互牵制的作用越明显，流动性能越差！越明显，流动性能越差！ 牛顿内摩擦定律只适用于部分流体，对于某些牛顿内摩擦定律只适用于部分流体，对于某些特殊流体是不适用的。把符合牛顿内摩擦定律得流特殊流体是不适用的。把符合牛顿内摩擦定律得流体称为体称为牛顿流体牛顿流体；不符合的称为非牛顿流体，如泥不符合的称为非牛顿流体，如泥浆、血浆、油漆和颜料等。浆、血浆、油漆和颜料等。流动梯度，速度沿
6、垂直于流速方向的变化率，单流动梯度，速度沿垂直于流速方向的变化率，单位为位为s-1。dydu流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回三、流体的热膨胀性和压缩性三、流体的热膨胀性和压缩性 流体的膨胀性的大小用流体的膨胀性的大小用热膨胀系数热膨胀系数(1/K或或1/)来表示，来表示，热膨胀系数热膨胀系数表示单位温度所引起的体积相表示单位温度所引起的体积相对变化量对变化量 。 流体压缩性的大小，一般用流体压缩性的大小，一般用压缩系数压缩系数（Pa-1）来表示。来表示。压缩系数压缩系数是指单位压强所引起的体积相对是指单位压强所引起的体积相对变化量变化量。dTdVV10dpdVV10流体力学基础知识
7、流体力学基础知识下页上页返回一般结论：一般结论： 水水的压缩性和热膨胀性是很小的，在建筑设备的压缩性和热膨胀性是很小的，在建筑设备工程中，一般计算均不考虑流体的压缩性和热膨胀工程中，一般计算均不考虑流体的压缩性和热膨胀性。性。 气体气体的体积随压强和温度的变化是非常明显的的体积随压强和温度的变化是非常明显的，故称为可压缩流体。，故称为可压缩流体。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回四、流体的惯性四、流体的惯性 流体和其他物体一样，具有惯性。流体具有的流体和其他物体一样，具有惯性。流体具有的反抗改变其原有运动状态的物理特性称为反抗改变其原有运动状态的物理特性称为惯性惯性。 将细玻璃管竖立
8、在液体中，由于表面张力的作将细玻璃管竖立在液体中，由于表面张力的作用，液体就会在细管中上升或下降，称此为用，液体就会在细管中上升或下降，称此为毛细管毛细管现象现象。见图。见图1-3。 五、表面张力五、表面张力 流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回六、作用于流体上的力六、作用于流体上的力 1、质量力、质量力 质量力质量力是指通过所研究流体的每一部分质量而作是指通过所研究流体的每一部分质量而作用于流体的力，其大小与流体的用于流体的力，其大小与流体的质量质量成正比。常见成正比。常见的质量力有重力和各种惯性力。的质量力有重力和各种惯性力。 设设总质量力总质量力F在空间坐标上的投影分别为在空间坐
9、标上的投影分别为 和和 ，若均质流体质量为，若均质流体质量为m，则，则单位质量力单位质量力f（作用（作用在单位质量流体上的质量力）在相应坐标轴上的投在单位质量流体上的质量力）在相应坐标轴上的投影为：影为：mFfmFfmFfZZYYXX、YXFF 、ZF流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 当流体所受质量力只有重力时，由当流体所受质量力只有重力时，由G=mg可得可得单位质量力为：单位质量力为：2、表面力、表面力 表面力表面力是指作用在流体表面上的力，其大小与是指作用在流体表面上的力，其大小与受力表面的面积成正比。受力表面的面积成正比。 流体处于静止状态时，不存在黏性力引起的内流体处于静止
10、状态时，不存在黏性力引起的内摩擦力摩擦力(切向力为零切向力为零)，表面力只有法向压力表面力只有法向压力。对于。对于理想流体，无论是静止或处于运动状态，都不存在理想流体，无论是静止或处于运动状态，都不存在内摩擦力，表面力只有法向压力。内摩擦力，表面力只有法向压力。g-f0f0fZYX、流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1.2流体静压强及其分布规律流体静压强及其分布规律一、流体静压强一、流体静压强 在静止或相对静止的流体中，在静止或相对静止的流体中，单位面积上的内单位面积上的内法向表面力称为法向表面力称为静压强静压强。 在静水中取一表面积为在静水中取一表面积为A的水体，设周围水体对的水体
11、，设周围水体对A表面上某一微小面积表面上某一微小面积S产生的作用力为产生的作用力为P，则该，则该微小面积上的平均压强为：微小面积上的平均压强为：Spp_流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回二、流体静压强的特性二、流体静压强的特性 流体静压强有两个重要特性：流体静压强有两个重要特性：特性一：特性一：流体静压强永远垂直于作用面，并指向该流体静压强永远垂直于作用面，并指向该作用面的内法线方向即垂直性。作用面的内法线方向即垂直性。特性二：特性二：静止流体中任一点的静压强只有一个值，静止流体中任一点的静压强只有一个值，与作用面的方向无关，即任意点处各方向的静压强与作用面的方向无关，即任意点处各方
12、向的静压强均相等即各向等值性。均相等即各向等值性。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回三、流体静压强的分布三、流体静压强的分布 1.1.等压面等压面具有两个重要性质：具有两个重要性质：（1 1）在平衡液体中等压面即等势面；）在平衡液体中等压面即等势面；（2 2）等压面与质量力正交。只有重力作用下的静）等压面与质量力正交。只有重力作用下的静止液体，其等压面必然是水平面。止液体，其等压面必然是水平面。水汞油11p24352543水p流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回2.只有重力作用时只有重力作用时静止液体静压强的分布规律：静止液体静压强的分布规律：（1）静止液体内任意一点的压强等
13、于）静止液体内任意一点的压强等于液面压强加上液面压强加上液体重度与深度乘积之和液体重度与深度乘积之和。（2）静止液体内压强随深度按直线规律变化。）静止液体内压强随深度按直线规律变化。（3）同一深度的点压强相等，即等压面为水平面。）同一深度的点压强相等，即等压面为水平面。（4）液面压强可等值在液体内传递。）液面压强可等值在液体内传递。hpghpp00流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回3、流体静力学方程式的其它形式（见图、流体静力学方程式的其它形式（见图1-6）：）：常数CPZPZPZ002211 Z任一点的位置相对于基准面的高度，称为流任一点的位置相对于基准面的高度，称为流体的体的位置
14、水头位置水头，也称位能、势能、几何压头等；，也称位能、势能、几何压头等； 在该点压强作用下，液体在测压管中所能上在该点压强作用下，液体在测压管中所能上升的高度，称为升的高度，称为压强水头压强水头，也称为流体的静压能、，也称为流体的静压能、静压头等；静压头等； p流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 测压管水头测压管水头; 同一容器内的静止液体中，所有各点同一容器内的静止液体中，所有各点的测压管水头均相等。的测压管水头均相等。PZCPZ流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回4.流体压强的表示方法：流体压强的表示方法：（1）用应力单位表示用应力单位表示。从压强定义出发，用单位面。从压
15、强定义出发，用单位面积上的力表示，即牛顿积上的力表示，即牛顿/米米2（N/m2），国际单位制为），国际单位制为帕斯卡（帕斯卡（Pa）。）。（2）用液柱高度表示用液柱高度表示。常用水柱高度和汞柱高度表。常用水柱高度和汞柱高度表示。其单位是：示。其单位是：mH2O、mmH2O或或mmHg。（3）用大气压的倍数表示用大气压的倍数表示。国际上规定一个标准大。国际上规定一个标准大气压为气压为101.325KPa，用，用atm表示。表示。换算关系如下：换算关系如下：1atm=760mmHg=10.33mH2O=101325Pa=101.325kPa=101.325kN/m2流体力学基础知识流体力学基础知识
16、下页上页返回5.流体压强的度量流体压强的度量（1）绝对压强）绝对压强 绝对压强绝对压强是以设想没有大气存在的绝对真空状是以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计算的压强，称为绝对压强，常用符号态作为零点计算的压强，称为绝对压强，常用符号 表示。若液面的绝对压强为表示。若液面的绝对压强为 , 则液体内某点绝则液体内某点绝对压强可写为：对压强可写为：若液面的压强等于当地大气压强若液面的压强等于当地大气压强 ，则，则p0pghpp0ghppaap流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回（2）相对压强）相对压强 相对压强是以大气压强（相对压强是以大气压强（p0）为零点计算的压强。）为零点计算的压
17、强。用符号用符号p表示。表示。 在实际工程中，因为被研究对象的表面均受大气压在实际工程中，因为被研究对象的表面均受大气压强作用，因此不需考虑大气压强的作用，即常用相对强作用，因此不需考虑大气压强的作用，即常用相对压强。压强。 如果液体是自由表面，则自由表面压强：如果液体是自由表面，则自由表面压强：ghpghp流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回（3）绝对压强和相对压强的关系）绝对压强和相对压强的关系ghp流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回四、静水总压力计算四、静水总压力计算1静水压强分布图静水压强分布图 由静水压强方程知，压强由静水压强方程知，压强p与水深与水深h呈线性函数呈
18、线性函数关系（关系（p=gh），把受压面上压强与水深的这种函），把受压面上压强与水深的这种函数关系表示成图形，称为静水压强分布图。数关系表示成图形，称为静水压强分布图。 绘制原则是：绘制原则是：(1)选定比例尺，用线段长度代表该点静水压强的大选定比例尺，用线段长度代表该点静水压强的大小。小。(2)在线段的一端用箭头标出静水压强的方向，并与在线段的一端用箭头标出静水压强的方向，并与受压面垂直。受压面垂直。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回2 2图解法图解法 图解法是利用静压强分布图计算液体总压力的方法图解法是利用静压强分布图计算液体总压力的方法。工程上常遇到的是矩形平面的问题，该方法用
19、于计。工程上常遇到的是矩形平面的问题，该方法用于计算作用在矩形平面上所受的液体总压力最为方便。算作用在矩形平面上所受的液体总压力最为方便。图图1-9所示为一任意倾斜放置的矩形平面所示为一任意倾斜放置的矩形平面ABGH，平面长，平面长为为l宽为宽为b，并令其，并令其压强分布图的面积为压强分布图的面积为。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回pah2gh2gh1h1PeOObABGHD图图1-9 倾斜放置矩形平面静水总压力倾斜放置矩形平面静水总压力流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 压强分布图为梯形，则作用于矩形平面上的静水压强分布图为梯形，则作用于矩形平面上的静水总压力为：总压力
20、为：b)ghgh(21bP21? 矩形平面有纵向对称轴，矩形平面有纵向对称轴，P的作用点的作用点D必位于纵必位于纵向对称轴向对称轴0-0上，同时总压力上，同时总压力P的作用点还应通过压的作用点还应通过压强分布图的形心点强分布图的形心点Q。 当压强分布为三角形时，压力中心当压强分布为三角形时，压力中心D距底部距离距底部距离为为e=l/3；当压强分布图为梯形分布时，压力中心；当压强分布图为梯形分布时，压力中心D距底部距离距底部距离e=l(2h1+h2)/3(h1+h2)。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回3 3解析法解析法 当受压面为任意形状，即无对称轴的不规则当受压面为任意形状，即无对
21、称轴的不规则平面时，液体总压力的计算不能利用图解法求得平面时，液体总压力的计算不能利用图解法求得。因此常用解析法求解液体总压力的大小和作用。因此常用解析法求解液体总压力的大小和作用点的位置。点的位置。 有一任意形状平面有一任意形状平面EFEF，倾斜置于水中，与水，倾斜置于水中，与水平面的夹角为平面的夹角为，平面面积为，平面面积为A A，平面形心点为，平面形心点为C C。设平面。设平面EFEF的延展面与水面的交线为的延展面与水面的交线为obob，以及与，以及与obob相垂直的相垂直的olol为一组参考坐标系。如图为一组参考坐标系。如图1-101-10所示所示。流体力学基础知识流体力学基础知识下页
22、上页返回图图1-10 任意形状平面上静水总压力任意形状平面上静水总压力pahChPObMCDEFDdPdAAbbDC流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 结论：作用在任意平面上的静水总压力，等于结论：作用在任意平面上的静水总压力，等于平面形心点的压强与平面面积的乘积。平面形心点的压强与平面面积的乘积。ApPcAICccD形心的位置：形心的位置： AIbcbDAghAlgAghApCAAAdsinddP 整个整个EF平面上的静水总压力为：平面上的静水总压力为：流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1.3 流体运动基本知识流体运动基本知识 一、流体动力学的基本概念一、流体动力学的基本
23、概念 1.过流断面过流断面w、流量、流量Q和断面平均流速和断面平均流速v AA （a） （b） 图图 1-11 过流断面过流断面（a）均匀流的过流断面；（）均匀流的过流断面；（b）非均匀流的过流断面）非均匀流的过流断面过流断面过流断面w是是流体运动时，流体运动时，与全部流线正与全部流线正交的横断面。交的横断面。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 流体流动时，断面各点流速一般不同，在工程中流体流动时，断面各点流速一般不同，在工程中经常使用经常使用断面平均流速断面平均流速v，即断面上各点流速的平均，即断面上各点流速的平均值。如图值。如图1-12所示，断面平均流速为断面上各点流所示，断面平
24、均流速为断面上各点流速的平均值。速的平均值。uv图图1-12 断面流速断面流速流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 流量流量Q是流体运动时单位时间内通过过流断是流体运动时单位时间内通过过流断面的流体的量。流量通常用体积流量和质量流量面的流体的量。流量通常用体积流量和质量流量（或重量流量）来表示。（或重量流量）来表示。 流量、过流断面面积和流速三者之间的关系流量、过流断面面积和流速三者之间的关系为：为： wvQ 流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回2.恒定流和非恒定流恒定流和非恒定流 流体运动形式分为恒定流动和非恒定流动两类。流体运动形式分为恒定流动和非恒定流动两类。 恒定流动恒
25、定流动是指流体中任一点的压强和流速等运动是指流体中任一点的压强和流速等运动参数不随时间而变化的流动。参数不随时间而变化的流动。 非恒定流动非恒定流动是指流体中任一点压强和流速等参数是指流体中任一点压强和流速等参数随时间而变化的流动。随时间而变化的流动。 自然界的流体流动都是非恒定流动，在一定条件自然界的流体流动都是非恒定流动，在一定条件下工程上近似认为是恒定流。下工程上近似认为是恒定流。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回3.压力流和无压流压力流和无压流 压力流压力流是流体在压差作用下流动时，流体各个是流体在压差作用下流动时，流体各个过流断面的整个周界都与固体壁相接触，没有自由过流断面
26、的整个周界都与固体壁相接触，没有自由表面。表面。 无压流无压流是流体在重力作用下流动时，流体的部是流体在重力作用下流动时，流体的部分周界与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，分周界与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表面。这种流体的运动称为无压流或重力形成自由表面。这种流体的运动称为无压流或重力流，或称为明渠流。流，或称为明渠流。 流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回4.均匀流和非均匀流均匀流和非均匀流 均匀流均匀流是流体运动时流线是平行直线的流动。是流体运动时流线是平行直线的流动。如等截面长直管中的流动。如等截面长直管中的流动。 非均匀流非均匀流是流体运动时流线不是平行直线
27、的流是流体运动时流线不是平行直线的流动。如流体在收缩管、扩大管或弯管中流动等。动。如流体在收缩管、扩大管或弯管中流动等。 非均匀流又可分为渐变流和急变流。渐变流是非均匀流又可分为渐变流和急变流。渐变流是流体运动中流线接近于平行线的流动；急变流是流流体运动中流线接近于平行线的流动；急变流是流体运动中流线不能视为平行直线的流动体运动中流线不能视为平行直线的流动 。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回5.湿周与水力半径湿周与水力半径 湿周湿周是指流体的过流断面与边界接触的固体周是指流体的过流断面与边界接触的固体周界长度，以界长度，以x表示，单位是米。表示，单位是米。 水力半径水力半径是过流面
28、面积是过流面面积w与湿周与湿周x的比值，用的比值，用R表示。表示。 满流圆管：满流圆管： 满流矩形管：满流矩形管：xwR 44/2dddxwRbaabxwR2流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回二、恒定流的连续性方程式二、恒定流的连续性方程式1.过流断面、流量和断面平均流速过流断面、流量和断面平均流速 式中：式中： 流体密度；流体密度； 总流过流断面面积；总流过流断面面积； 总流的断面平均流速；总流的断面平均流速； Q 总流的流量。总流的流量。以上两式为总流的质量流量的连续性方程式。以上两式为总流的质量流量的连续性方程式。2211QQ222111vv或或 v流体力学基础知识流体力学基础
29、知识下页上页返回 当流体不可压缩时，流体的重度当流体不可压缩时，流体的重度不变，不变， 则有：则有：或或 2211QQ222111vv或或 21GG 以上三式为不可压缩流体的总流重量流量的连以上三式为不可压缩流体的总流重量流量的连续性方程式续性方程式 。21QQ 或或 2211vv 以上两式为不可压缩流体的总流体积流量的连以上两式为不可压缩流体的总流体积流量的连续性方程式。可推广至任意截面。续性方程式。可推广至任意截面。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1.4 流动阻力和水头损失流动阻力和水头损失 一、流动阻力和水头损失的两种形式一、流动阻力和水头损失的两种形式 1.沿程阻力和沿程水
30、头损失沿程阻力和沿程水头损失 流体在长直管流体在长直管(或明渠或明渠)中流动，所受的摩擦阻力中流动，所受的摩擦阻力称为称为沿程阻力沿程阻力。 为了克服沿程阻力而消耗的单位重量流体的机为了克服沿程阻力而消耗的单位重量流体的机械能量，称为械能量，称为沿程水头损失沿程水头损失hf。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回2.局部阻力和局部水头损失局部阻力和局部水头损失 流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈地碰撞，所形成的阻力称烈地碰撞，所形成的阻力称局部阻力局部阻力。 为
31、了克服局部阻力而消耗的单位重量流体的机为了克服局部阻力而消耗的单位重量流体的机械能量称为械能量称为局部水头损失局部水头损失hj。 流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 管路系统主要有由两部分组成，一部分是直管管路系统主要有由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。故在直径不变的直管，另一部分是管件、阀门等。故在直径不变的直管段上，只有沿程水头损失段上，只有沿程水头损失hf，在管道入口处和管道，在管道入口处和管道管径处有弯头、阀门等水流边界急剧改变处产生局管径处有弯头、阀门等水流边界急剧改变处产生局部水头损失部水头损失hj。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回图图1-2
32、1 给水管道沿程和局部水头损失给水管道沿程和局部水头损失弯 头弯头突然扩大突然缩小测压管水头线总水头线2ghh闸门v2jhf流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 对于流速等于临界流速的雷诺数，称为临界雷对于流速等于临界流速的雷诺数，称为临界雷诺数。管流的临界雷诺数约为诺数。管流的临界雷诺数约为20002300。若实。若实际雷诺数大于临界雷诺数为际雷诺数大于临界雷诺数为紊流紊流（又称（又称湍流湍流），小于临界雷诺数为小于临界雷诺数为层流层流。vdvdRe 对于圆管，采用管径对于圆管，采用管径d、流体密度、流体密度、动力黏、动力黏滞系数滞系数和流速和流速v组合的无因次数即组合的无因次数即雷
33、诺数雷诺数Re来判来判别判断流动状态。别判断流动状态。二、流态与判定二、流态与判定流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 对于明渠、天然河道及非圆管管道，其特征长对于明渠、天然河道及非圆管管道，其特征长度量为水力半径。度量为水力半径。 明渠、天然河道及非圆管管道的临界雷诺数约明渠、天然河道及非圆管管道的临界雷诺数约为为500575。若实际雷诺数大于临界雷诺数为紊。若实际雷诺数大于临界雷诺数为紊流，小于临界雷诺数为层流。流，小于临界雷诺数为层流。 在建筑设备工程中，绝大多数的流体运动都处在建筑设备工程中，绝大多数的流体运动都处于湍流型态。只有在流速很小、管径很小或粘滞于湍流型态。只有在流速
34、很小、管径很小或粘滞性很大的流体运动时（如地下水渗流、油管等）性很大的流体运动时（如地下水渗流、油管等）才可能发生层流运动。才可能发生层流运动。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回式中式中 hf沿程水头损失，沿程水头损失，m； 沿程阻力系数；沿程阻力系数； d 管径，管径，m； l管长，管长，m； 管中平均流速，管中平均流速，m/s。三、沿程水头损失三、沿程水头损失 2gvdh2fl流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 该式也称为该式也称为达西公式达西公式 。 由上式可得均匀流速由上式可得均匀流速v公式（或称公式（或称谢才公式谢才公式） 对于圆断面管渠，对于圆断面管渠，d=4R
35、 ，则上述公式为：，则上述公式为：2gv4Rh2flRiCRigv8式中式中 C流速系数。流速系数。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线 为了确定沿程阻力系数为了确定沿程阻力系数的变化规律，尼古拉的变化规律，尼古拉兹在圆管内壁采用人工加糙的方法，将多种粒径兹在圆管内壁采用人工加糙的方法，将多种粒径的砂粒，分别粘贴在不同管径的管道内壁上，得的砂粒，分别粘贴在不同管径的管道内壁上，得到了六种不同的相对粗糙度的实验管道。最后得到了六种不同的相对粗糙度的实验管道。最后得出如图出如图1-22所示的结果。所示的结果。 四、沿程阻力系数四、沿程阻力系数和流速系数和流
36、速系数C C的确定的确定 流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回图图1-22 尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.12.63.03.43.84.24.65.05.45.8lg（100）lg Red=30d=61.2d=120d=252d=512d=1014111111流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 分析曲线，根据的变化特征，图中曲线可分分析曲线，根据的变化特征，图中曲线可分为五个区：为五个区：（1）第）第区为层流区。当区为层流区。当Re2300时，所有的实时，所有的实验点，不论其相对粗糙度如何，都聚积在直线验点，不论其相
37、对粗糙度如何，都聚积在直线上，上，与相对粗糙度与相对粗糙度 （ ）无关，）无关，只与只与Re有关有关，其关系为，其关系为 。（2）第）第区为层流转变为紊流的过渡区。当区为层流转变为紊流的过渡区。当2300Re4000时，时，随随Re的增大而增大，而与相对的增大而增大，而与相对粗糙度（粗糙度（ ）无关。此区域雷诺数范围很窄，实用）无关。此区域雷诺数范围很窄，实用意义不大。意义不大。d64Red流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回（3）第）第区为水力光滑区。在水力光滑区，区为水力光滑区。在水力光滑区，只只与与Re有关，与相对粗糙度（有关，与相对粗糙度（ ）无关。）无关。（4）第）第区为过渡
38、粗糙区。在直线区为过渡粗糙区。在直线与虚线之间与虚线之间的范围内，不同相对粗糙度的实验点各自分散成的范围内，不同相对粗糙度的实验点各自分散成一条波状的曲线。一条波状的曲线。既与既与Re有关，又与相对粗糙有关，又与相对粗糙度（度（ ）有关。）有关。（5）第）第区为粗糙区或者阻力平方区。其区域为区为粗糙区或者阻力平方区。其区域为虚线以右的范围，不同相对粗糙度的实验点，分虚线以右的范围，不同相对粗糙度的实验点，分别落在与横轴平行的直线上，别落在与横轴平行的直线上，只与相对粗糙度有只与相对粗糙度有关，与关，与Re无关，此区的流动阻力与流速平方成正无关，此区的流动阻力与流速平方成正比。故称阻力平方区。比
39、。故称阻力平方区。dd流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回2沿程阻力系数沿程阻力系数的几个半经验公式的几个半经验公式（1）水力光滑区）水力光滑区尼古拉兹光滑管公式：尼古拉兹光滑管公式： 适用范围适用范围 ：布劳修斯公式：布劳修斯公式： 适用范围适用范围 ：5e104000R64e103105R41eR316. 08 . 0R2lg1e）（流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回（2）粗糙区）粗糙区尼古拉兹粗糙管公式：尼古拉兹粗糙管公式： 适用范围适用范围 ：2074. 1)r(2lg1)r(383R0e（3）过渡粗糙区）过渡粗糙区:）（eR51. 27d. 32lg16e10300
40、0R适用范围适用范围 ：流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回3流速系数流速系数C（或称谢才系数）的经验公式（或称谢才系数）的经验公式 曼宁公式曼宁公式： 式中式中 n粗糙系数，由表粗糙系数，由表1-6选取；选取； v 管中平均流速，管中平均流速，m/s； C 流速系数，可由表流速系数，可由表1-7选取；选取； R 水力半径，水力半径，m； i 水力坡度，水力坡度，Pa/m。61n1CR54. 00.6385. 0viCR适用于常温下的管径大于适用于常温下的管径大于50mm，流速小于，流速小于3m/s的的管中水流，管中水流，海澄海澄威廉公式威廉公式 ： 流体力学基础知识流体力学基础知识下
41、页上页返回表表1-7 C值值 管渠材料C管渠材料C非常光滑的直管、石棉水泥140铆接钢管（用旧）95很光滑的管、混凝土、粉平、铸铁130用旧水管、积垢情况很差6080刨光木板、焊接钢管120鞍钢焊接黑铁管Dg1593缸瓦管（带釉）、铆接钢管110Dg20100127铸铁（用旧）、细砌砖工100流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 在实际水力计算中，局部水头损失可以采用流在实际水力计算中，局部水头损失可以采用流速水头乘以局部阻力系数后得到，即：速水头乘以局部阻力系数后得到，即：五、局部水头损失五、局部水头损失2gvh2j式中式中 hj局部水头损失（局部水头损失（m）；）； 局部阻力系数。
42、局部阻力系数。值多是根据管配件、值多是根据管配件、附件不同，由实验测出。各种局部阻力系数值可附件不同，由实验测出。各种局部阻力系数值可查阅有关手册得到；查阅有关手册得到； v 过流断面的平均流速，它应与过流断面的平均流速，它应与值相对值相对应。除注明外，一般用阻力后的流速；应。除注明外，一般用阻力后的流速； g 重力加速度。重力加速度。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回以上分别讨论了沿程和局部水头损失的计算，从以上分别讨论了沿程和局部水头损失的计算，从而解决了流体运动中任意两过流断面间的水头损而解决了流体运动中任意两过流断面间的水头损失计算问题，即：失计算问题，即：2gv2gvdhh
43、h22jf流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回1.5 孔口、管嘴出流孔口、管嘴出流 孔口出流时，壁厚对出流无影响的孔口称为薄壁孔口出流时，壁厚对出流无影响的孔口称为薄壁孔口。孔口。 孔口上下缘在水面下的深度不同，其作用水头孔口上下缘在水面下的深度不同，其作用水头不同。孔口出流可分为小孔口出流和大孔口出流。不同。孔口出流可分为小孔口出流和大孔口出流。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回一、薄壁小孔口恒定出流一、薄壁小孔口恒定出流1.自由出流自由出流 如图如图1-24中的中的c-c断面。设孔口断面面积为断面。设孔口断面面积为A，收，收缩断面面积为缩断面面积为AC则收缩系数则收缩系数
44、 。AAC流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 图图1-24 孔口自由出流孔口自由出流paH011H0022gv0dcc流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回收缩断面流速收缩断面流速:000Cc2gH2gH1v 孔口的流量：孔口的流量： 00Cc2gHA2gHAAvQ流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回2.淹没出流淹没出流 水由孔口直接进入另一部分水中称为孔口淹水由孔口直接进入另一部分水中称为孔口淹没出流。如图没出流。如图1-25所示。所示。paH111v11122gH2H22v22222gH0cc图图1-25 孔口淹没出流孔口淹没出流流体力学基础知识流体力学基础知识下页
45、上页返回收缩断面流速收缩断面流速: 孔口的流量：孔口的流量： 00se0c2gH2gH1v00Cc2gHA2gHAAvQ流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回二、圆柱形外管嘴恒定出流二、圆柱形外管嘴恒定出流图图1-26 管嘴出流管嘴出流paH011H0022gv0dbbcc流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回管嘴出口流速管嘴出口流速 为为:管嘴流量管嘴流量 ： 0n0n2gH2gH1v0n0n2gHA2gHAvAQ流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回 与孔口出流流量公式相比，管嘴的流量公式与孔口出流流量公式相比，管嘴的流量公式与之完全相同。所不同的是管嘴的流量系数，可与之
46、完全相同。所不同的是管嘴的流量系数，可见，在相同的作用水头下，同样断面积管嘴的过见，在相同的作用水头下，同样断面积管嘴的过流能力是孔口过流能力的流能力是孔口过流能力的1.32倍。倍。 接管嘴后局部阻力增加了，而流量却增大呢接管嘴后局部阻力增加了，而流量却增大呢？这是因为在收缩断面处存在真空，与孔口出流？这是因为在收缩断面处存在真空，与孔口出流比较，对比较，对c-c断面而言，管嘴出流实际上提高了作断面而言，管嘴出流实际上提高了作用水头的缘故。用水头的缘故。流体力学基础知识流体力学基础知识下页上页返回思考与练习思考与练习 1.什么是流体的黏滞性，它对流体流动有何作用什么是流体的黏滞性，它对流体流动有何作用?动动力黏性系数和运动黏性系数有何联系和区别？力黏性系数和运动黏性系数有何联系和区别？2.什么是绝对压强、相对压强、真空度，它们之间什么是绝对压强、相对压强、真空度，它们之间的关系怎样的关系怎样?3.什么是雷诺数和水力半径，怎样用雷诺数判别流什么是雷诺数和水力半径，怎样用雷诺数判别流态？态？
