1、 矿山固定机械矿山固定机械 一、流体的物理性质一、流体的物理性质 二、流体的静力学方程式二、流体的静力学方程式 三、流体帕斯卡原理三、流体帕斯卡原理 四、压力的测量四、压力的测量 五、等压面与连通器五、等压面与连通器一、流体力学研究对象和任务一、流体力学研究对象和任务 流体是液体和气体的总称。它们的共同特点是流体是液体和气体的总称。它们的共同特点是不能像固体那样单独地保持一定的形状，而且具不能像固体那样单独地保持一定的形状，而且具有流动性。因此，流体力学是研究流体的平衡和有流动性。因此，流体力学是研究流体的平衡和运动规律的科学。它用理论分析与实验相结合的运动规律的科学。它用理论分析与实验相结合
2、的方法，建立起流体中的作用力、运动速度和压强方法，建立起流体中的作用力、运动速度和压强之间的关系，并用得到的规律解决工程中的实际之间的关系，并用得到的规律解决工程中的实际问题。问题。我们学习流体力学的目的，是为学习矿山排水、我们学习流体力学的目的，是为学习矿山排水、通风和压风设备等专业知识提供必要的理论基础。通风和压风设备等专业知识提供必要的理论基础。第一章第一章 流体力学基础流体力学基础 第一节第一节 概述概述二、液体的主要物理性质二、液体的主要物理性质 研究液体的平衡与运动规律，必须首先了研究液体的平衡与运动规律，必须首先了解液体的主要物理性质。在研究过程中我们认解液体的主要物理性质。在研
3、究过程中我们认定：液体质点完全占满所占空间，没有空隙存定：液体质点完全占满所占空间，没有空隙存在；物理性质和运动要素都是连续分布的；液在；物理性质和运动要素都是连续分布的；液体为均质，各部分和各方向的物理性质都是一体为均质，各部分和各方向的物理性质都是一样的。样的。液体能承受较大的压应力，却几乎不能承受拉液体能承受较大的压应力，却几乎不能承受拉应力因液体的各质点之间的内聚力极小，易于应力因液体的各质点之间的内聚力极小，易于流动，它不能自由地保持固定形状，只能随容流动，它不能自由地保持固定形状，只能随容器的形状而改变，这种特性叫做流动性。器的形状而改变，这种特性叫做流动性。液体和气体的主要区别是
4、：液体可以随液体和气体的主要区别是：液体可以随容器形状的不同而改变其形状，且在相当大容器形状的不同而改变其形状，且在相当大的外力作用下，亦几乎不改变其原有的体积，的外力作用下，亦几乎不改变其原有的体积，故通常称为不可压缩流体。液体与其它流体故通常称为不可压缩流体。液体与其它流体形成的分界面，称为自由面。气体则具有很形成的分界面，称为自由面。气体则具有很大的压缩性和膨胀性。大的压缩性和膨胀性。对气体施加外力，其体积很容易缩小；反之，外力对气体施加外力，其体积很容易缩小；反之，外力无限减小，气体则无限地膨胀，充满容纳它的空间，所以无限减小，气体则无限地膨胀，充满容纳它的空间，所以它没有自由表面，故
5、通常称为可压缩流体。但是流体的可它没有自由表面，故通常称为可压缩流体。但是流体的可压缩性与不可压缩性都是相对某一种情况而言的，不是所压缩性与不可压缩性都是相对某一种情况而言的，不是所有液体在任何情况下都作为不可压缩流体来看待，亦不是有液体在任何情况下都作为不可压缩流体来看待，亦不是所有气体都必须作为可压缩流体来处理。所有气体都必须作为可压缩流体来处理。1、密度和重度、密度和重度密度：对于均质液体，单位体积内所具有的质量叫做密度，密度：对于均质液体，单位体积内所具有的质量叫做密度，用符号用符号表示。表示。=m/v液体的密度，液体的密度，kg/m3，m液体质量，液体质量，kg;v液液体体积，体体积
6、，rn3 重度：液体单位体积内所具有的重量，叫做液重度：液体单位体积内所具有的重量，叫做液体的重度，用符号体的重度，用符号表示。表示。=G/vG 液体的重力，液体的重力，N。重力是地球对液体质量。重力是地球对液体质量的吸引力；的吸引力；液体的重度，液体的重度，N m3 液体重度和密度与压力和温度有关，但因其液体重度和密度与压力和温度有关，但因其变化很小，一般也可以看成是不变的，故视为常变化很小，一般也可以看成是不变的，故视为常数。数。根据重力和质量的关系，重度和密度具有下列关根据重力和质量的关系，重度和密度具有下列关系系:=g.式中式中：g 为重力加速度，计算为重力加速度，计算 时采用时采用
7、g=9.81m/s2。2、粘性及粘性系数（粘度）、粘性及粘性系数（粘度）当液流做相对运动时，由于液体与固体界壁的附着力当液流做相对运动时，由于液体与固体界壁的附着力及液体本身的内聚力，故液体各处的流速不同。以圆筒中及液体本身的内聚力，故液体各处的流速不同。以圆筒中的液流为例，接近筒心处速度大，靠近管壁处速度则小。的液流为例，接近筒心处速度大，靠近管壁处速度则小。如图如图 1 一一 1 所示，各层流之间，速度较小的薄层将阻止所示，各层流之间，速度较小的薄层将阻止相邻速度较大的薄层运动，这样在各液流层的接触面上产相邻速度较大的薄层运动，这样在各液流层的接触面上产生类似于固体的摩擦过程，也就是在液流
8、层之间产生内摩生类似于固体的摩擦过程，也就是在液流层之间产生内摩擦力或切应力。液体流动时，液体内部产生的内摩擦力或擦力或切应力。液体流动时，液体内部产生的内摩擦力或切应力的性质，叫做液体的粘性。静止液体不存在粘性，切应力的性质，叫做液体的粘性。静止液体不存在粘性，流动液体才具有粘性。流动液体才具有粘性。表示液体粘性大小的系数，叫粘度。同一流体的表示液体粘性大小的系数，叫粘度。同一流体的粘性与流体的温度有很大关系，而与压力关系不粘性与流体的温度有很大关系，而与压力关系不大。气体的粘度随温度升高而增大，而液体的粘大。气体的粘度随温度升高而增大，而液体的粘度随温度升高而减小。度随温度升高而减小。粘度
9、的表示方法有：粘度的表示方法有：动力粘度动力粘度；运动粘度；条件；运动粘度；条件粘度。粘度。1）、动力粘度）、动力粘度物理意义：单位速度梯度时，相邻液层间单位面物理意义：单位速度梯度时，相邻液层间单位面积上内磨擦力的大小。积上内磨擦力的大小。液体处于静止状态时，液体的内磨擦力为零，法液体处于静止状态时，液体的内磨擦力为零，法定计量单位：定计量单位：Pas（帕秒）。（帕秒）。2）、运动粘度）、运动粘度液体的动力粘度液体的动力粘度与密度与密度的比值，称为运动粘的比值，称为运动粘度，用符号度，用符号表示，运动粘度没有明确的物理意义。表示，运动粘度没有明确的物理意义。沿用的运动粘度单位是沿用的运动粘度
10、单位是St（斯）和（斯）和cSt（厘斯）。（厘斯）。液压油的牌号是以液压油的牌号是以40时运动运动粘度的时运动运动粘度的mm2/s数值命名的数值命名的。3）、相对粘度）、相对粘度相对粘度又称条件粘度，它们都是用一定量的相对粘度又称条件粘度，它们都是用一定量的液体，在一定条件下通过测量仪器的时间来间接液体，在一定条件下通过测量仪器的时间来间接表示液体的粘性。常用的是恩氏粘度。表示液体的粘性。常用的是恩氏粘度。3、可压缩性和膨胀性：、可压缩性和膨胀性：流体受压力作用而发生流体受压力作用而发生体积减小和温度升高而体积增大的性质。体积减小和温度升高而体积增大的性质。第二节第二节 流体静力学基础流体静力
11、学基础 流体静力学是研究流体在外力作用下的平衡规流体静力学是研究流体在外力作用下的平衡规律，即研究流体在外力作用下处于静止或相对静律，即研究流体在外力作用下处于静止或相对静止的规律。止的规律。一、流体静压力及其特性一、流体静压力及其特性（一）流体静压力（一）流体静压力由于外力作用，在静止流体内部产生的压力，叫由于外力作用，在静止流体内部产生的压力，叫做流体静压力。静压力的单位是做流体静压力。静压力的单位是 Pa，亦可用，亦可用 N m2。作用在面积作用在面积 S 上的表面力如果是很均匀时，则：上的表面力如果是很均匀时，则：p=P/S （Pa）（二）流体静压力的特性二）流体静压力的特性流体静压力
12、有两个重要特性：流体静压力有两个重要特性：（1）流体静压力的方向总是垂自于作用面，并指流体静压力的方向总是垂自于作用面，并指向作用面（即作用面的内法线方向一致）。向作用面（即作用面的内法线方向一致）。（2）静止的流体中任何一点所受到各个方向的静静止的流体中任何一点所受到各个方向的静压力均相等，与作用面的方位无关。压力均相等，与作用面的方位无关。二、流体静力学基本方程二、流体静力学基本方程现分析小圆柱体的受力情况：现分析小圆柱体的受力情况：(l）作用在上表面的力）作用在上表面的力 P0S，方向向下；，方向向下；(2）重力）重力 G=S（Z0Z）方向向下；）方向向下；下部液体对液柱的支撑力下部液体
13、对液柱的支撑力pS，方向向上。，方向向上。作用在液柱周围且垂直液柱表面的力，因为他们作用在液柱周围且垂直液柱表面的力，因为他们围绕液柱作对称分布而且大小相等，所以相互平围绕液柱作对称分布而且大小相等，所以相互平衡。因此沿液柱垂直轴线力的平衡力程式为：衡。因此沿液柱垂直轴线力的平衡力程式为：P0S+S（Z0Z）pS=0 消去上式各项中的消去上式各项中的S 并移项得：并移项得：P=P0+（Z0Z）P=P0+h三、等压面与连通器三、等压面与连通器 1 等压面等压面由流体静力学的基本方程可知，在重力作用下的由流体静力学的基本方程可知，在重力作用下的静止液体中，距任一从准而高度静止液体中，距任一从准而高
14、度 h 相等的各点，相等的各点，压力是相等的。这些压力相等的点所组成的面叫压力是相等的。这些压力相等的点所组成的面叫做等压面，如图做等压面，如图1一一 3 所示。显然，重力作用下的所示。显然，重力作用下的静止液体中，任意一个水平而都是等压面。但必静止液体中，任意一个水平而都是等压面。但必须注意，这个结沦只对互相连通而又是相同的液须注意，这个结沦只对互相连通而又是相同的液体才适用。如果中间被气体或另一种液体隔断，体才适用。如果中间被气体或另一种液体隔断，以及不相连通的液体，同一水平面并不是等压面。以及不相连通的液体，同一水平面并不是等压面。(2）在质量力不仅是重力还有惯性力（相对平衡液体）时，等
15、）在质量力不仅是重力还有惯性力（相对平衡液体）时，等压面不一定是水平面。如图压面不一定是水平面。如图 1 一一 4 所示，圆筒容器以等角速度围绕所示，圆筒容器以等角速度围绕中心轴转动时，其自由面（等压面）为一抛物面。中心轴转动时，其自由面（等压面）为一抛物面。2 连通器连通器所谓连通器，就是互相连通的两个或几个容器，所谓连通器，就是互相连通的两个或几个容器，如图如图 1 一一 5 所示。所示。总之，对于仅受重力作用的平衡液体的等压面可总结出总之，对于仅受重力作用的平衡液体的等压面可总结出以下两条：以下两条：(l）在连通器的同一种液体中，任何一个水平面皆为等）在连通器的同一种液体中，任何一个水平
16、面皆为等压面。压面。(2）在连通器的两种不相混的液体中，通过两种液体分）在连通器的两种不相混的液体中，通过两种液体分界面的水平面是等压面。界面的水平面是等压面。四、帕斯卡定理四、帕斯卡定理在密闭容器内的平衡液体中，任意一点的压力如在密闭容器内的平衡液体中，任意一点的压力如有变化，这个压力的变化值将传给液体中的所有有变化，这个压力的变化值将传给液体中的所有各点，而且其值不变，这就是帕斯卡定理。各点，而且其值不变，这就是帕斯卡定理。帕斯卡定理在机械工程中得到广泛应用，例如液帕斯卡定理在机械工程中得到广泛应用，例如液压机、液压起重机、液压制动器都是根据帕斯一压机、液压起重机、液压制动器都是根据帕斯一
17、卡定理进行工作的。卡定理进行工作的。五、静压力的测量五、静压力的测量1、液体静压力的表示方法、液体静压力的表示方法(l）绝对压力：以完全真空为基准算起的压力叫做绝对）绝对压力：以完全真空为基准算起的压力叫做绝对压力，即：压力，即：p 绝绝 pah 式中式中 pa 大气压力。大气压力。(2）相对压力（又称表压力或计示压力）：以大气压为）相对压力（又称表压力或计示压力）：以大气压为基准算起的压力叫做相对压力基准算起的压力叫做相对压力。P表表=P绝绝Pa=h(3）真空度（又称负压）：绝对压力低于大气压力时，）真空度（又称负压）：绝对压力低于大气压力时，把绝对压力小于大气压力的那一部分称为真空度。把绝
18、对压力小于大气压力的那一部分称为真空度。即：即：P真真=PaP绝绝绝对压力、相对压力、真空度之间的关系可用图绝对压力、相对压力、真空度之间的关系可用图 1 一一 8 表示表示。压力的单位用作用在单位面积上的力表示，其单。压力的单位用作用在单位面积上的力表示，其单位为位为 Pa 或或 N m2。2 压力的测量压力的测量测量压力的仪表称为测压计。测压计有两类：一类是可以测量压力的仪表称为测压计。测压计有两类：一类是可以测量较高压力的金属压力表（通称压力表）；另一类是测测量较高压力的金属压力表（通称压力表）；另一类是测量较低压力的液柱式测压计，做成直管形式的称为测压管，量较低压力的液柱式测压计，做成
19、直管形式的称为测压管，做成做成 U 形的称形的称 U 形测压计。形测压计。流体动力学基础流体动力学基础 一、流体动力学基本概念一、流体动力学基本概念 二、流体的连续性方程式二、流体的连续性方程式 三、流体的能量方程式三、流体的能量方程式 四、流体流动时的流动状态及四、流体流动时的流动状态及水头损失水头损失 第三节第三节 流体动力学基础流体动力学基础 流体动力学是研究流体运动的一般规流体动力学是研究流体运动的一般规律及其在工程上的实际应用。律及其在工程上的实际应用。一、流体动力学的基本概念一、流体动力学的基本概念1、稳定流动和非稳定流动、稳定流动和非稳定流动1）稳定流动：在所研究的充满着运动流体
20、的空间）稳定流动：在所研究的充满着运动流体的空间（简称流场）中任意取一点，如果在不同时间（简称流场）中任意取一点，如果在不同时间内流体各质点流经此空间点时，其压力和流速内流体各质点流经此空间点时，其压力和流速不变的流动称为稳定流动。不变的流动称为稳定流动。2）非稳定）非稳定流动：如果流体各质点流经某空间点时，其压流动：如果流体各质点流经某空间点时，其压力和速度随时间而变化的流动称为非稳定流动。力和速度随时间而变化的流动称为非稳定流动。2 流线、迹线和流束流线、迹线和流束 1）流线：流线是流场中某一瞬间的一条空间曲）流线：流线是流场中某一瞬间的一条空间曲线，在该线上各点的流体质点所具有的速度方线
21、，在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。向与曲线在该点的切线方向重合。2）迹线：迹线是流体的某一质点，在某一时间）迹线：迹线是流体的某一质点，在某一时间内的运动轨迹。内的运动轨迹。3）流束：在流动液体中取出一个微小的封闭曲）流束：在流动液体中取出一个微小的封闭曲线，经曲线上的每一点绘出流线，这些流线组线，经曲线上的每一点绘出流线，这些流线组成流管，流管中所包括的一小束流体就叫做流成流管，流管中所包括的一小束流体就叫做流束，如图束，如图 1一一 12 所示。所示。无数微小流束加起来就是液体运动的总流。无数微小流束加起来就是液体运动的总流。3 过流断面、流量、平均流速过
22、流断面、流量、平均流速 1）过流断面：和液流流动方向相垂直的液流横）过流断面：和液流流动方向相垂直的液流横断面积，叫做过流断面。流线彼此平行时过流断断面积，叫做过流断面。流线彼此平行时过流断面为平面；流线彼此不平行时，过流断面为曲面，面为平面；流线彼此不平行时，过流断面为曲面，如图如图 1一一 13 所示。所示。在过流断面上，液体与固体周界的接触线长称在过流断面上，液体与固体周界的接触线长称为湿周或润周，如图为湿周或润周，如图 1 一一 14 所示。所示。总流的过流断面面积与湿周之比称为水力半径，总流的过流断面面积与湿周之比称为水力半径，用符号用符号 R 表示，即：表示，即：R=A/X 2）流
23、量：单位时间内流过某通流截面的流体体积称为流）流量：单位时间内流过某通流截面的流体体积称为流量，用符号量，用符号 Q 表示。表示。3）平均流速：液体流动时，由于流体与固体壁之间、流）平均流速：液体流动时，由于流体与固体壁之间、流体本身质点间都有阻力产生，在过流断面上各点的流速是体本身质点间都有阻力产生，在过流断面上各点的流速是不同的，一般与固体壁接近的流速变慢接近于零，而中心不同的，一般与固体壁接近的流速变慢接近于零，而中心部最快，如图部最快，如图 1 一一15所示。所示。二、流体的连续性方程二、流体的连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具
24、体应用。应用。液流的连续性是指液体在稳定流动时，充满它所液流的连续性是指液体在稳定流动时，充满它所占据的空间，其内部密度无疏密变化，且液流占据的空间，其内部密度无疏密变化，且液流不发生间断和泄漏的液体流动。当液体在管道不发生间断和泄漏的液体流动。当液体在管道内做稳定流动时，根据质量守恒定律，质量既内做稳定流动时，根据质量守恒定律，质量既不增多，亦不减少，在单位时间内流过每一截不增多，亦不减少，在单位时间内流过每一截面的流体质量必然相等。这一结论用数学表达面的流体质量必然相等。这一结论用数学表达式表达，就是连续性方程。式表达，就是连续性方程。设管道任两个通流截面面积分别为设管道任两个通流截面面积
25、分别为 S1、S2，流速分别为：流速分别为：V1、V2，密度为，密度为，如图，如图 1-16 所示，则有：所示，则有：V1 S1 =V2 S2 =常数常数=Q （1-12）三、理想流体动力学基本方程三、理想流体动力学基本方程 理想流体动力学方程也就是伯努利方程，理想流体动力学方程也就是伯努利方程，它是研究流体运动时其位置、流速、压力相它是研究流体运动时其位置、流速、压力相互转化的方程。互转化的方程。理想液体没有粘性，它在管内做稳定流动时理想液体没有粘性，它在管内做稳定流动时没有能量损失。根据质量守恒定理，同一管没有能量损失。根据质量守恒定理，同一管道内每一截面上的总能量都是相等的。道内每一截面
26、上的总能量都是相等的。P1/+Z1+v12/2g=P2/+Z2+v22/2g P/+Z+v2/2g=常数常数伯努利方程的物理意义为：在管道内做稳定流动的理想液伯努利方程的物理意义为：在管道内做稳定流动的理想液体具有压力能、位能和动能。在任一截面上这三种能量都体具有压力能、位能和动能。在任一截面上这三种能量都可以相互转化，但其总和却保持不变。静压基本方程是伯可以相互转化，但其总和却保持不变。静压基本方程是伯努利方程在流速为零时的特例。努利方程在流速为零时的特例。四、实际流体的动力学方程及其应用四、实际流体的动力学方程及其应用 实际流体的伯努利方程实际流体是有粘性和可压缩的，实际流体的伯努利方程实
27、际流体是有粘性和可压缩的，在运动时由于摩擦要损耗一部分能量，能量损耗用损在运动时由于摩擦要损耗一部分能量，能量损耗用损失失水头失失水头 hw 表示；则实际流体的伯努利方程式为：表示；则实际流体的伯努利方程式为：P1/+Z1+1v12/2g=P2/+Z2+2v22/2g+hw 第四节第四节 液体的流动状态和损失水头液体的流动状态和损失水头一、液体的流动状态一、液体的流动状态 所有粘性液体在流动时都具有两种不同的状态，即层流所有粘性液体在流动时都具有两种不同的状态，即层流和紊流。和紊流。1、层流运动：流体运动时，各质点做分层运动，流体质、层流运动：流体运动时，各质点做分层运动，流体质点在流层之间不
28、发生混杂，规则的层状运动，如图点在流层之间不发生混杂，规则的层状运动，如图 1一一 21a 所示。所示。2、紊流运动：流体运动时，形成紊乱的形态，、紊流运动：流体运动时，形成紊乱的形态，流体质点不保持在某一固定层内运动有交混和碰流体质点不保持在某一固定层内运动有交混和碰撞，产生动能交换，形成无规则的混乱状态，如撞，产生动能交换，形成无规则的混乱状态，如图图 1 一一 2lb 所示。所示。层流和紊流是两种不同性质的流动状态。层流时层流和紊流是两种不同性质的流动状态。层流时粘性力起主导作用，液体质点受粘性的约束不能粘性力起主导作用，液体质点受粘性的约束不能随意流动；紊流时惯性力起主导作用，液体质点
29、随意流动；紊流时惯性力起主导作用，液体质点在高速流动时粘性不能约束它。液体流动时究竟在高速流动时粘性不能约束它。液体流动时究竟是层流还是紊流，须用雷诺数判别：是层流还是紊流，须用雷诺数判别：Re=vd/。Re临界临界 2320；Re Re临界时，液体流动状态为紊临界时，液体流动状态为紊流。流。二、液流在管路中的水头损失二、液流在管路中的水头损失液体在管路中流动时，必然要遇到各种阻力，为液体在管路中流动时，必然要遇到各种阻力，为了克服这些阻力，就要损失一定的能量（水头）。了克服这些阻力，就要损失一定的能量（水头）。这种能量损失有两种，即沿程水头损失和局部水这种能量损失有两种，即沿程水头损失和局部
30、水头损失。头损失。1 沿程水头损失沿程水头损失液流在管路的直线部分损失的水头，即由流体和液流在管路的直线部分损失的水头，即由流体和管壁之间的摩擦以及流体内部之间的内摩擦力而管壁之间的摩擦以及流体内部之间的内摩擦力而产生的，叫沿程水头损失，用产生的，叫沿程水头损失，用 hy表示，可按下式表示，可按下式来确定：来确定：hyL/dv2/2g。2 局部水头损夫局部水头损夫液流在管路的弯头、闸阀、逆止阀、异径接头、液流在管路的弯头、闸阀、逆止阀、异径接头、滤水器和底阀、三通、四通等非直线的局部所损滤水器和底阀、三通、四通等非直线的局部所损失的水头（即流体流动情况发生变化，流体微团失的水头（即流体流动情况发生变化，流体微团互相碰撞变形消耗能量而产生的），叫局部水头互相碰撞变形消耗能量而产生的），叫局部水头损失，用损失，用hj表示，可按下式确定：表示，可按下式确定：hj =v2/2g。
