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李峥嵘李峥嵘博士基础篇第一章流体力学基本知识2/4/20231李峥嵘李峥嵘博士一、流体的概念 液体和气体易于流动，统称为流体。二、流体力学的概念 研究流体平衡与运动的力学规律及其应用的科学2/4/20232李峥嵘李峥嵘博士三、流体的主要物理性质1、密度及比容：物体单位容积所具有的质量称为密度；而密度的倒数即单位质量的容积称为比容2/4/20233李峥嵘李峥嵘博士2、容重或重度物体单位容积的重量2/4/20234李峥嵘李峥嵘博士3、流体的压缩性及膨胀性1）压缩性：流体的容积与压强的变化成反比的性质2）膨胀性：容积与温度变化成比例的性质2/4/20235李峥嵘李峥嵘博士液体的压缩性及膨胀性很小、在很多工程技术常忽略不计，对工程计算误差影响甚小。但在热水工程中为了保证运行安全，还是应考虑其膨胀性，如在热水工程中设膨胀水箱、安全阀等。2/4/20236李峥嵘李峥嵘博士气体具有显著的压缩性和膨脓性，其容重、压强和热力学温度三者的关系如下式：对于流速较低的气体，在压强及温度变化不大时，其容重的变化也比较小，在一般工程应用中可视为常数。2/4/20237李峥嵘李峥嵘博士 4、易流性流体的形状随容器形状的不同而改变，这是由于流体不能承受剪力所形成的，这种性质称为易流性。液体在重力作用下由高处向低处流，易流性是改变液体运动状态的主要因素。2/4/20238李峥嵘李峥嵘博士5、粘滞性 流体在运动中，由于分子问的动量交换和分子间的作用力会引起内摩擦阻力，这种性质称为流体的粘滞性。粘滞性的大小随流体的种类及所处的外界条件而不同。例如流体中的水与重油，温度的高低都影响其粘滞性的变化。牛顿试验研究提出与粘滞性有关的内摩擦定律为2/4/20239李峥嵘李峥嵘博士2/4/202310李峥嵘李峥嵘博士2/4/202311李峥嵘李峥嵘博士四、计量单位1、国际单位1）基本单位：长度、质量、时间、热力学温度、物质的量、电流和发光强度7种物理量的单位。其中与流体力学及传热学有关的是前5种相应的单位名称和符号为米(m)、千克(kg)、秒(s)、开尔文（k）、摩尔(mol)，2/4/202312李峥嵘李峥嵘博士2）导出量和导出单位均以基本量和基本单位表示，如速度为ms、密度为kgm3、耗热量为w等。.2/4/202313李峥嵘李峥嵘博士2、工程单位 1）基本单位工程单位以力(kg)、长度(m)及时间(s)三个物理量为基本量其他的物理单位均以基本量表示如密度为kgm3、速度为ms、容重为kgm3、压强为kgcm2及热量(cal)等2/4/202314李峥嵘李峥嵘博士第二章流体静力学 一、流体静力学概念 研究流体静止或平衡时的力学规律及其工程应用的科学。由于静止流体无相对速度，不呈现粘滞性，不存在切力，也不能承受拉力，故其所受的力只能是压力。2/4/202315李峥嵘李峥嵘博士二、压强 在静水中，取一微小面积w,其上作用静水压力P，则面积上的平均压强 2/4/202316李峥嵘李峥嵘博士2/4/202317李峥嵘李峥嵘博士三、静止流体压强的两个特性：(1)静止压强的方向必然沿着作用面的内法线方向，即垂直指向作用面。这是因为静止流体内的应力只能是压应力；(2)流体中任一点静水压强的大小与作用的方向无关。换言之，一点上各个方向的压强均相等。这是因为静止流体中某一点受四面八方的压应力而达到平衡。2/4/202318李峥嵘李峥嵘博士四、流体静力学基本方程2/4/202319李峥嵘李峥嵘博士2/4/202320李峥嵘李峥嵘博士第三章 流体动力学一、动力学的基本原理 流体动力学是研究流体运动规律的科学。在流体静力学中压强只与水深有关，或者说与所处空间位置有关在流体动力学中，压强还与运动情况有关 2/4/202321李峥嵘李峥嵘博士二、流体运动的基本概念流体运动是由无数流体质点的运动所组成的，且各质点之间都有力相互作用，质点上的力和其本身的运动存在一定的规律性，找到其原因，就可以解决运动中的问题。下边介绍流体运动中的几个基本概念。2/4/202322李峥嵘李峥嵘博士1、流线液流中同一瞬间由许多质点组成的曲线，该曲线上任一点的切线方向就是该点的流速方向，它形象地描绘了该瞬时整个液流的流动情况(图31)2/4/202323李峥嵘李峥嵘博士2、流管在液流中取一封闭垂直于流向的平面，在其中划出权微小面积，则其周边上各点的流线构成流管3、流束流管内流线的总和4、股流充满流管内的流体2/4/202324李峥嵘李峥嵘博士5、过流断面在股流上垂直于所有流线的截面。其形状随流线形状而定可能是平面或曲面。6、元流与总流过流断面为无限小时的流束称为元流过流断面为有限大时的流束称为总流。2/4/202325李峥嵘李峥嵘博士三、流体运动的分类 流体运动受其物性和边界条件的影响呈现复杂的运动情况。常根据运动特点对其进行分类。2/4/202326李峥嵘李峥嵘博士 1根据流动要素(流速与压强)与流行时间分类1）恒定流流场内任一点的流速与压强不随时间变化，而仅与所处位置有关的流体流动称为恒定流。在这种流动中流线与质点运动的轨迹相重合。2）非恒定流运动流体各质点的流动要素随时间而改变的运动则称为非恒定流，水位随水的放出而不断改变的水流运动。非恒定流的情况较复杂，以后一般问题多为恒定流的。2/4/202327李峥嵘李峥嵘博士 2根据流体流速变化分类1）均匀流流体流速的大小和方向沿流线不变的水流称为均匀流。这种稳定流动的流线为相互平行的直线，在输送流体的等管径管道内的液流即属于均匀流。2）非均匀流流体过流断面沿程改变或流动方向变化，会使同一流线上的各点流速大小和方向发生变化这种流动称为非均匀流。在管道上扩大或缩小处的水流运动即为非均匀流。在非均匀流中，若流线几乎是平行的且接近直线对称为渐变流，过流断面可认为是平面；不能满足渐变流条件的非均匀流即为急变流。2/4/202328李峥嵘李峥嵘博士 3、按液流运动接触的壁面情况分类1）有压流流体过流断面的周界为壁面包围，没有自由面为有压流或压力流。般供水、供热管道均为压力流。2）无压流流体过流断面的壁和底均为壁面包围，但有自由面者称为无压流或重力流。如河流、明渠等。3）射流不受壁面约束的液流，如喷泉、消火桂等喷射的水柱。2/4/202329李峥嵘李峥嵘博士 四、流体流动的因索 1、过流断面 流体流过通道的断面积称为过流断面，单位为m2。在均匀流，过流断面为一平面。2/4/202330李峥嵘李峥嵘博士2平均流速 在不能压缩及无粘滞性的理想均匀流中，流速是不变的。但在实际工程中，流体与流道壁间存在着摩阻力，过流断面上各点的流速是不等的，靠近壁处阻力大、流速小，近中心处流速大(图32)。2/4/202331李峥嵘李峥嵘博士为计算方便，常取过流断面上的平均流速2/4/202332李峥嵘李峥嵘博士3、流量2/4/202333李峥嵘李峥嵘博士五、流体运动的基本方程1、连续性方程2/4/202334李峥嵘李峥嵘博士2、能量方程2/4/202335李峥嵘李峥嵘博士2/4/202336李峥嵘李峥嵘博士2/4/202337李峥嵘李峥嵘博士2/4/202338李峥嵘李峥嵘博士2/4/202339李峥嵘李峥嵘博士第四章 流体流动阻力 流体具有不同的粘滞性，在流动中为了克服阻力而消耗的能量称为阻力损失。阻力损失值视流体的流行形态而不同，因此计算流体的阻力损失应了解水流的形态。2/4/202340李峥嵘李峥嵘博士 一、流体的流动形态 流体在流动中，由于流速不同而呈现出两种不同的流动形态层流和紊流。1、层流与紊流在一端装有阀门的长玻璃管中充满水，稍开启阀门放水，并由小管注入有颜色水流，则可见管内颜色水成一稳定细梳，这种流型称为层流层流。当阀门开大，水流速增加时，管中有色线产生振荡被动再开大阀门到一定程度，流速增大，水流中色线掺混紊乱，此时称为紊流。2/4/202341李峥嵘李峥嵘博士 2、雷诺数 英国物理学家雷诺曾作过试验并得到判断流型的计算式，称为雷诺公式：2/4/202342李峥嵘李峥嵘博士2/4/202343李峥嵘李峥嵘博士3、沿程损失和局部损失1）沿程损失流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程损失。沿程阻力损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比，而与管径成反比，通常采用达西一维斯巴赫公式计算：2/4/202344李峥嵘李峥嵘博士 2）局部损失 流体运动过程中，通过断面变化处、转向处、分支或其他使流体流动情况改变时，均能引起能量损失，这种由局部变化引起的阻力损失称为局部损失。计算公式为2/4/202345李峥嵘李峥嵘博士3）管道总阻力2/4/202346李峥嵘李峥嵘博士第五章 传热学基础传热学是研究热量传递规律的科学。凡是有温差处，就有热量从高温物体传向低温物体，在自然界和生产技术中，传热是一种普遍现象。2/4/202347李峥嵘李峥嵘博士一、传热的分类根据物体温度与时间的变化关系1、稳定热传递物体中各点温度不随时间而改变各点温度不随时间而改变的热传递过程2、非稳定热传递物体中各点温度随时间而改变的。以后讨论的多为稳定热传递过程。2/4/202348李峥嵘李峥嵘博士二、基本概念1、压力 2、热 热是由物体外界温度不同，通过边界而传递的能量，是物体间（内）通过分子运动相传递的能量。给物体加热，实际就是增加使物体分子运动的能量，物体的温度就将升高，反之使物体散热减小分子运动的能量，物体温度降低。2/4/202349李峥嵘李峥嵘博士3、温度2/4/202350李峥嵘李峥嵘博士 4、热膨胀物体受热，温度升高，长度增长、体积增大。这种因为温度增加而胀大的现象称热膨胀。这是物质内能增加使分子间隔增大的结果线膨胀指温度增加后在长度方向的增长。线膨胀系数：。体积膨胀系数：将上述公式中的L改为V2/4/202351李峥嵘李峥嵘博士5、比容或比热2/4/202352李峥嵘李峥嵘博士三、传热方式物体的传热方式可分为三种导热对流辐射2/4/202353李峥嵘李峥嵘博士 1、导热 由于物体内分子运动而将热量由高温部传递到低温部，这种热传递过程称为导热过程2/4/202354李峥嵘李峥嵘博士2、对流 两种概念：1）流体各部分之间发生相对运动而引起的热量传递方式。对流发生在流体内部。2）工程上常遇到的情况是流动着的流体与其温度不同的固体壁面接触时的热交换运动，这种换热也称为对流换热。我们主要研究的对象。如果流体是在外力，如风机、水泵的作用下运动，这种对流换热称为强制对流换热强制对流换热；如果没有外力作用，仅由部分流体受热膨胀，密度减小产生浮力流动换热称为自然对流换热自然对流换热。2/4/202355李峥嵘李峥嵘博士对流换热的计算可采用牛顿换热式：2/4/202356李峥嵘李峥嵘博士3、热辐射 物体通过电磁波来传递热能量的方式称热辐射.它与导热和对流换热不同，热辐射不需中间媒介不需中间媒介物质物质，故可在真空中进行。黑体的辐射能在同温度物体中为最大。黑体单位时间内发出的辐射热量与其绝对温度2/4/202357李峥嵘李峥嵘博士四、热媒的性质 最常用的热媒是水、蒸汽及热空气1、水 水在传热学中的有关性质如下：（1）水的压缩性及膨胀性。水的压缩性很小，一般情况下可视为不可压缩体不可压缩体。但其膨胀却不可忽视。水的体膨胀系数约为00006，若不考虑加热后的体积膨胀，则将胀破加热设备。此外。0度的水结冰，体积将增大约11，会产生巨大胀力，对自然界物质及生活生产都有极大的影响。2/4/202358李峥嵘李峥嵘博士2/4/202359李峥嵘李峥嵘博士2/4/202360李峥嵘李峥嵘博士2、蒸汽2/4/202361李峥嵘李峥嵘博士可以用为加热其他物体、如热交换器的热媒体。(2)过热蒸汽。将饱和蒸汽再加热，温度即升高，压力也增大，这种蒸汽为过热蒸汽。低压蒸汽：一般压力小于70kPa高压蒸汽：压力大于70kPa的蒸汽。适用于作动力源，一般不作热源。2/4/202362李峥嵘李峥嵘博士 2蒸汽的性质(1)汽化热或潜热。饱和水再加热即转化为饱和蒸汽，需要吸取的汽化热2260kJkg凝结为饱和水时放出同样的热量是加热水或暖房时所需的主要热量来源2/4/202363李峥嵘李峥嵘博士(2)蒸汽的比热容。蒸汽的比热容较热水大得多，如在相对压力为0时，其比热容较饱和水大1700倍。因此，在计算供热管道系统中，蒸汽的流速也可高得多，而不会有过大的阻力损失。同时，由于比热容大，密度小，在高层建筑供热时也不会产生很大的静压力。2/4/202364李峥嵘李峥嵘博士(3)状态参数蒸汽的状态参数是表现其在热力特性方面的物理量。这些参数有温度、比热容或密度、压力、汽化热等。蒸汽在锅炉中产生后，由蒸汽压力沿输送管道系统克服阻力，减小压力散放热量，降低温度过热蒸汽渐成为饱和蒸汽、饱和凝结水。在这些变化中，蒸汽状态参数随之变化。2/4/202365李峥嵘李峥嵘博士2/4/202366李峥嵘李峥嵘博士(4)热隋性蒸汽供热系统的热隋性较小。蒸汽供汽时，热得很快，且散热设备的表面温度也较高；停止供汽时，冷得也快特别适合于间歇供热的处所。2/4/202367李峥嵘李峥嵘博士3、空气1）成分：氮气、氧气及少量的二氧化碳和其他气体，还含有或多或少的水蒸汽，其中氮和氧约占总量的98以上。2）分类：干空气：不含水蒸汽的空气湿空气含有少量水蒸汽的空气2/4/202368李峥嵘李峥嵘博士平常的空气都是湿空气。在日常生活及生产中，常有对物体的干燥、加热、加湿、冷却等问题如供暖、空调、水的循环冷却、材料制品的养护等，都与空气的性质密切相关。2/4/202369李峥嵘李峥嵘博士2）状态参数除以压力p、容积v及绝对湿度等参数表示外还需要有标志湿空气中水蒸汽含量的特性参数比如温度、湿度、相对湿度、含湿量、湿球温度及其烩值等。2/4/202370李峥嵘李峥嵘博士2/4/202371李峥嵘李峥嵘博士2/4/202372李峥嵘李峥嵘博士2/4/202373