1、第六章流体力学基础第一节流体及其基本性质一、流体的概念 液体和气体统称为流体。在物理性质方面，流体与固体之间存在很大差异。其差异主要表现在：固体具有一定的抗压、抗拉、抗切能力。而流体只具有较强的抗压能力，它的抗拉、抗切能力极小，只要流体受到微小的拉力和切力作用，就会发生连续不断地变形，使各质点间产生不断的相对运动。流体的这种性质称为流动性。这是它便于用管道输送，适宜在制冷和空调系统中作为工质的主要原因之一二、流体的主要物理性质(一)粘滞性 当流体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍流体的相对运动，这种性质称为流体的粘滞性或粘性，流体的内摩擦力称为粘滞力。表6-1水的粘度表6-
2、2一个大气压下空气的粘度(二)压缩性和膨胀性 1686年牛顿在大量实验的基础上，提出了牛顿内摩擦定律：当流体作层状流动时，内摩擦力的大小与两流层间的速度差du成正比，与距离dy成反比；与流层间的接触面积A成正比；与流体的种类有关；与流体的压力大小无关。内摩擦力的数学表达式为 在流体力学中，经常出现运动粘度，单位是m2/s或cm2/s(称为斯)，它是动力粘度与流体密度的比值，即二、流体的主要物理性质 流体的压缩性是指在一定温度下，流体体积随压强增大而减小的性质；而膨胀性是指在一定压强下，流体体积随温度升高而增大的性质。(三)表面张力 在液体的自由表面中，每个分子都受到垂直指向液面的不平衡力。在这
3、种力的作用下，液体表面中的分子有尽量挤入液体内部的趋势，从而使液面尽可能地收缩成最小面积。使液体表面有收缩倾向的力称为液体的表面张力。气体不能形成自由表面，所以不存在表面张力。三、作用在流体上的力作用在流体上的力分为表面力和质量力两种。表面力是指作用在流体表面上的力，与作用面积大小成正比。表面力包括与表面相垂直的压力和与表面相切的切向力(摩擦力)。对于静止流体，表面上不存在切向力，只受压力作用。质量力是作用在流体内部每一个质点上的力，与流体质量成正比。质量力包括重力和惯性力。静止流体所受的质量力只有重力。第二节流体静力学基础一、流体静压强及其特性图6-1流体静压强 流体质点之间、流体与容器壁之
4、间都有相互作用力。将静止流体单位面积上的作用力叫做流体静压强，单位是帕(Pa)。流体静压强有两个重要特性：其一，流体静压强的方向必然垂直于作用面，并指向作用面；其二，静止流体内任一点各方向的静压强均相等。二、流体静压强基本方程式(一)流体静压强基本方程式的推导如图6 1所示，设在静止液体中取一铅直放置的微小圆柱体，横截面积为dA，高度为h，上表面与自由表面重合，压强为p0，下底面静压强为p。图6-2静止水箱根据力的平衡条件Fy=0，则得1)在静止液体中，静压强的分布规律随深度按直线规律变化。2)在同种、静止、连续的液体中，位于同一深度各点的静压强值均相等。二、流体静压强基本方程式1)在静止液体
5、中，静压强的分布规律随深度按直线规律变化。2)在同种、静止、连续的液体中，位于同一深度各点的静压强值均相等。流体静压强基本方程式还有另外一种表示形式。图6 2所示为一静止水箱，水箱下任选基准面00，水面压强为p0，水中任选的1、2两点压强分别为p1和p2，距离基准面的高度分别为Z0、Z1和Z2，由式（6 4）可得二、流体静压强基本方程式(二)等压面 由压强相等的各点所组成的面叫等压面。特性是：等压面与质量力相互垂直；等压面不能相交；两种互不掺混的液体，其交界面必为等压面。等压面对解决许多流体平衡问题很有用处，正确地选择等压面可以简化计算。选择等压面必须满足三个条件，即液体必须是仅受重力作用的静
6、止、同种、连续流体。二、流体静压强基本方程式(三)静压强基本方程式的应用1.连通器 所谓连通器，就是指互相连通的两个或两个以上容器的组合体。按液体重度和液面压强的不同分三种情况来讨论连通器内液体的平衡。图6-3连通器二、流体静压强基本方程式2.液柱式测压计 工程上广泛采用液柱式测压计测量压缩机、泵、风机、某些管道断面的流体压强。图6-4测压管(1)测压管测压管是一根两端开口的玻璃直管或U型管，管内采用水或水银、酒精等作为测量介质。应用时一端连接在被测容器或管道上；另一端开口，直接与大气相通，液面相对压强为零。如图6-4所示.二、流体静压强基本方程式图6-5压差计(2)压差计压差计又称比压计，用
7、来测量流体两点间压强差。如图6-5所示，应用时接于被测流体A、B两处，按U型管中水银的高度差可计算出A、B两处的压强差。二、流体静压强基本方程式图6-6微压计(3)微压计在测定微小压强或压强差时，为了提高测量精度，可以将直管测压计的细管根据需要与水平方向成角放置，成为一台倾斜式微压计，如图6-6所示。第三节流体动力学基础一、流体动力学基本概念(一)流体运动规律的研究方法研究流体运动规律一般有两种方法，即拉格朗日法和欧拉法。(二)恒定流与非恒定流描述流体运动特征的物理量，如压强、流速等称为流体的运动要素。按流体的运动要素是否随时间变化，可以将流体的运动分为恒定流和非恒定流。(三)渐变流与急变流渐
8、变流又称缓变流，是指流速变化比较缓慢，流线近似于平行线的流动形式。由于渐变流流速变化比较小，所以在分析其运动规律时，可以不考虑惯性力和粘滞力的影响，只考虑重力与压力的作用，这与静止流体所考虑的一致。(四)流线与迹线一、流体动力学基本概念流线是指某一瞬时流体质点的切线方向与该点的速度方向相重合的空间曲线，它是流体质点的流动方向线，是欧拉法对流体运动的描述。流线是一条光滑的曲线或直线，不能折转，且两条流线不可能相交。流线的疏密程度可以反映流速的大小，流线密集处流速大，流线稀疏处流速小。(五)过流断面、流量与平均流速在流动流体中，与流线处处垂直的断面称为过流断面，其面积用符号A表示，单位为m2。当流
9、线相互平行，则过流断面为一平面；当流线互不平行时，则过流断面为一曲面。(六)湿周、水力半径与当量直径过流断面上的液体与固体壁面接触的周界长度称为湿周，用符号x表示。二、恒定流连续性方程 恒定流连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表现形式。在恒定流中任取两个过流断面，其面积和平均流速分别为A1、v1和A2、v2，则体积流量分别为qV1=v1A1,qV2=v2A2，对于不可压缩流体，其密度不变，而且管段固体边界没有流体的流入流出，因此，这两个过流断面的流量应该是相等的，即三、恒定流能量方程(一)能量方程式及意义 流体的各种流动过程实际上也就是流体能量的转换过程。流体具有动能与势能，其中流体的
10、势能又分为位置势能（简称位能）和压力势能（简称压能）。流体在各种流动过程中的能量不断转换，但转换过程符合能量守恒定律。从动能原理出发，推导恒定流能量方程式为三、恒定流能量方程(二)能量方程式的应用1.应用能量方程式的步骤 首先需确定流体的流动必须是恒定流且为不可压缩流体；然后在渐变流断面上选取两个断面为研究对象，并将通过两断面中较低断面中心点的水平面确定为基准面；列能量方程式，如果两端面之间流体有机械能输入（+H）或输出(-H)，则能量方程式可改写为：Z1+p1/+a1v2/（2g）H=Z2+p2/+a2v2/（2g）+hw；然后根据已知条件并结合恒定流连续性方程确定方程的各项；最后得出结论。
11、2.应用实例图6-7文丘里流量计三、恒定流能量方程图6-8皮托管 (1)文丘里(Venturi)流量计文丘里流量计是根据伯努利方程设计的一种测量管路流量的装置，属于差压式流量计。它由前段圆锥面(渐缩管)、中段圆柱面(喉管)、尾段圆锥面(渐扩管)三部分组成，如图6-7所示。(2)皮托(Pitot)管皮托管是测量流体某点流速的仪器，如图6-8所示，由一个测压管和一个测速管组成。使用皮托管时，将皮托管下部小孔正对来流方向放入流体中，测得测压管与测速管高度差，即可计算出该点流速。第四节能 量 损 失一、流态及其判别准则图6-9雷诺实验装置示意图 实际液体流动具有两种不同的流动形态(简称流态)，并且能量
12、损失的规律与流态密切相关。1883年，英国物理学家雷诺在如图6-9所示的实验装置上进行了大量实验：水箱A上进水管和溢流结构用于保证水位一、流态及其判别准则图6-10层流与紊流 当玻璃管B中流速很小时，可以观察到其内部呈现出一条细直而又鲜明的有色流束，如图6-10a所示。这种流体质点互不混杂，有规则流动，称为层流。显然层流只存在由粘性引起的层间滑动摩擦阻力。当阀门C继续开大，流速增加到一定值时，有色流束发生波动，但仍不与周围的清水掺混，如图6-10b所二、能量损失的定义及计算(一)能量损失定义及分类流体在流动过程中由于存在粘滞性和惯性，从而受到阻力，使一部分机械能不可逆地转化为热能而散失掉，这种
13、机械能损失称为能量损失。根据流体流动时的边界条件不同，把能量损失分为两类：在边界沿程不变的区域，如直管段，为克服摩擦阻力而损失的能量称沿程阻力损失，用符号hf表示；在管道的弯头、三通、阀门、突然扩大或突然缩小等局部位置，流体的流动状态发生急剧变化，流速重新分布，并有旋涡产生，为克服局部阻碍而造成的能量损失称局部阻力损失，用符号hj表示。(二)能量损失计算1.沿程阻力损失的计算(1)层流运动沿程损失圆管层流运动时，在管壁处切应力最大、流速最小；而在管轴处切应力最小、流速最大，通过理论推导可知过流断面上的切应力按直线规律分布，流速按抛物线规律分布，且断面的平均流速是最大流速的一半。流体层流运动时，
14、沿程损失与管长、管径、断面平均流速及雷诺数有关，计算公式为二、能量损失的定义及计算图6-11水力光滑与水力粗糙(2)紊流运动沿程损失紊流运动规律比较复杂，分析计算时主要采用实验法来加以归纳总结，以解决工程实际问题。1)紊流结构。2)水力光滑与水力粗糙。3)能量损失。二、能量损失的定义及计算表6-3常用管道的当量粗糙度值2.局部阻力损失的计算局部阻力损失的普遍计算公式为二、能量损失的定义及计算表6-4常见各种局部阻碍的值二、能量损失的定义及计算表6-4常见各种局部阻碍的值二、能量损失的定义及计算表6-4常见各种局部阻碍的值二、能量损失的定义及计算表6-4常见各种局部阻碍的值二、能量损失的定义及计
15、算表6-4常见各种局部阻碍的值三、减小能量损失的途径1)对于管子进口，如图6-12所示，采用流线型进口可将能量损失降为最低。图6-12几种不同管道进口三、减小能量损失的途径2)对于弯管，可以减小转角，如图6-13所示；或在弯道内安装导流叶片，如图6-14所示。图6-13弯管三、减小能量损失的途径图6-14安装导流叶片的弯管3)如图6-15所示，常用渐扩管代替突扩管，三、减小能量损失的途径一般可使值减小一半左右。图6-15突扩与渐扩4)对于三通，如图6-16所示，首先，可将支管与合流管连接处的折角改缓；其次，可以减小总管与支管之间的夹角；再次，可在总管中根据流量安装合流板或分流板，这样都可以起到减阻的目的。图6-16三通
