第十三部分 管渠非恒定流.ppt

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1、水的主要物理性质1 1、水的容重和密度、水的容重和密度物体之间相互具有的吸引力称为物体之间相互具有的吸引力称为万有引力万有引力万有引力万有引力。地球对。地球对物体的引力称为物体的引力称为重力重力重力重力（或（或重量重量重量重量G G）G=mgG=mg均质流体，单位体积所具有的重量称为均质流体，单位体积所具有的重量称为容重或重度容重或重度容重或重度容重或重度，用用 表示。表示。=G/v=G/v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。表示。=m/v=m/v所以所以：=g g第十三部分管渠非恒定流第十三部分管渠非恒定流水的主要物理性质一般情况下水的

2、密度随压强和温度而发生的一般情况下水的密度随压强和温度而发生的变化很小，故水的密度可以视为常数，工程上通变化很小，故水的密度可以视为常数，工程上通常以一个标准大气压和温度为常以一个标准大气压和温度为4 4时的最大密度时的最大密度值作为计算值，其数值为值作为计算值，其数值为10001000kg/mkg/m3 3，容重则为容重则为9.89.8kN/mkN/m3 3。水的主要物理性质n n2 2、粘滞性和粘滞系数粘滞性和粘滞系数 在运动状态时，液体质点之间或流层之间就存在相对在运动状态时，液体质点之间或流层之间就存在相对运动，此时，液体质点之间或流层之间会抗拒相对运动运动，此时，液体质点之间或流层之

3、间会抗拒相对运动而产生质点之间的内摩擦力，内摩擦力做功而消耗有效而产生质点之间的内摩擦力，内摩擦力做功而消耗有效机械能。液体的这种特性称为粘滞性。机械能。液体的这种特性称为粘滞性。n n 表征液体粘滞性质的系数称为粘滞系数。表征液体粘滞性质的系数称为粘滞系数。n n 包括动力粘滞系数（包括动力粘滞系数（）和运动粘滞系数（和运动粘滞系数（）。）。n n的单位的单位是是m m2 2/s/s；的单位：的单位：N s/mN s/m2 2水的主要物理性质n n粘性系数大小与流体种类有关，并随压强和温度的变化而发生变化；对于常见的流体如水、油和空气等，粘性系数随压强的变化不大，一般可以忽略；温度是影响粘性

4、系数的主要因素，温度升高，水的粘性减小，而气体的粘性增大。水的主要物理性质n n3 3、压缩性、压缩性当压强增大时，水的体积减小，同时密度增当压强增大时，水的体积减小，同时密度增大，这一性质称为压缩性。水的压缩性很小，一大，这一性质称为压缩性。水的压缩性很小，一般不必考虑，即把水看成是不可压缩的。但在某般不必考虑，即把水看成是不可压缩的。但在某些特殊情况下，这种压缩性就不能忽略不计。例些特殊情况下，这种压缩性就不能忽略不计。例如，水在管道内流动，当阀门突然关闭造成水击如，水在管道内流动，当阀门突然关闭造成水击时，必须考虑水的压缩性。（水击：管道在运行时，必须考虑水的压缩性。（水击：管道在运行中

5、，突然停泵、关闭阀门和突然停电会使管道内中，突然停泵、关闭阀门和突然停电会使管道内水的流速急剧变化，使压力急剧升高或降低，有水的流速急剧变化，使压力急剧升高或降低，有时管道中还伴随出现锤击的声音和振动，称之为时管道中还伴随出现锤击的声音和振动，称之为水击。）水击。）水的主要物理性质n n4 4、表面张力、表面张力流体与气体不同，它具有自由表面，而且存流体与气体不同，它具有自由表面，而且存在着使自由表面收缩到最小表面形状的力，这种在着使自由表面收缩到最小表面形状的力，这种力称为表面张力。由于表面张力的作用，就会产力称为表面张力。由于表面张力的作用，就会产生一种毛细现象。例如水是浸润管壁的流体，它

6、生一种毛细现象。例如水是浸润管壁的流体，它会沿毛细管上升；而水银是不浸润管壁的液体，会沿毛细管上升；而水银是不浸润管壁的液体，它会沿毛细管下降。毛细管现象在日常生活和工它会沿毛细管下降。毛细管现象在日常生活和工程技术中有重要作用。程技术中有重要作用。表面张力示意图表面张力示意图毛细管现象毛细管现象流体静力学 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研究流体静止或平衡时的力学规律及其工程应用的科学。应用的科学。由于由于静止流体无相对速度静止流体无相对速度，不呈现粘滞性，不呈现粘滞性，不存在切力，也不能承受拉力，故其所受的力只不存在切力，也不能承受拉力，故其所受的力只能是压力和重力

7、。能是压力和重力。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 当当 w w无限小时，的极限值即为无限小时，的极限值即为A A点的静水压强点的静水压强式中，式中，p p以以N/mN/m2 2表示，称为帕（表示，称为帕（Pa)Pa)，即即1 1Pa=1 N/mPa=1 N/m2 2。流体静力学 三、静止流体压强的两个特性：三、静止流体压强的两个特性：(1)(1)静止压强的方向静止压强的方向必然沿着作用面的必然沿着作用面的内法线方向，即垂直，即垂直指向作用面。这是因为静止流体内的应力只能是指向作用面。这是因为静止流体内的应力只能是压应力；压应力；(2)(2)流体中任一点

8、静水压强的大小流体中任一点静水压强的大小与作用的方向无关。换言之，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。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。点受四面八方的压应力而达到平衡。流体静力学 四、流体静力学基本方程流体静力学n n静水压强基本方程意义：静水压强基本方程意义：静止液体中任意一点的压强等于液面压强和静止液体中任意一点的压强等于液面压强和该点深度与容重乘积之和。该点深度与容重乘积之和。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。在静止液体内深度相同，压强也相同。由深在静止液体内深度相同，压强也相同。由深度相

9、同即压强相等的各点所构成的面是一水平面，度相同即压强相等的各点所构成的面是一水平面，称等压面。称等压面。如液面压强增加如液面压强增加p p，则内部压强也相应增则内部压强也相应增加加p p，即液面压强的增量将等值地传到液内各即液面压强的增量将等值地传到液内各点。点。流体静力学n n静水压强的表示方法：静水压强的表示方法：n n绝对压强：以绝对真空状态为零点起算的压强为绝对绝对压强：以绝对真空状态为零点起算的压强为绝对压强压强,用用p pfdfd表示。表示。n n相对压强：以当地大气压强为零点起算的压强称为相相对压强：以当地大气压强为零点起算的压强称为相对压强，用对压强，用P Pd d表示表示。P

10、=pP=pfdfd-p-pd d。n n一般实际工程多采用相对压强来表示压强大小。如果一般实际工程多采用相对压强来表示压强大小。如果绝对压强大于大气压强，则相对压强是正值，称正压，绝对压强大于大气压强，则相对压强是正值，称正压，其值可用压力表测出，故一般均称表压；反之，绝对压其值可用压力表测出，故一般均称表压；反之，绝对压强小于大气压强，则相对压强是负值，称负压。这是一强小于大气压强，则相对压强是负值，称负压。这是一种真空状态，真空的大小用真空度种真空状态，真空的大小用真空度p pk k表示。表示。P Pk k=p=pd d-p-pfdfd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

11、动规律的科学。流体动力学是研究流体运动规律的科学。在流体在流体静力学中，压强只与水深有关静力学中，压强只与水深有关，或者，或者说与所处空间位置有关说与所处空间位置有关在流体动力学中，在流体动力学中，压强还与运动情况压强还与运动情况有关有关 流体动力学二、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。流体动力学n n二、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。n n 1 1根据流动要素根据流动要素(流速与压强流速与压强)与流

12、行时间分类与流行时间分类n n1 1）恒定流）恒定流流场内任一点的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。而仅与所处位置有关的流体流动称为恒定流。n n2 2）非恒定流）非恒定流运动流体各质点的运动流体各质点的流动要素随时间而改变的的运动则称为非恒定流，水位随水的放出而不断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。水流运动。n n非恒定流的情况较复杂，水力学上考虑的多为恒定非恒定流的情况较复杂，水力学上考虑的多为恒定流问题。流问题。流体动力学n n 2 2根据流体流速变化分类根据流体流速变化分类n n1 1）均匀流）均匀流流体流速的流体

13、流速的大小和方向沿流线不变大小和方向沿流线不变的水流称为均匀流。的水流称为均匀流。在输送流体的等管径管道内的液流即属于均匀流。在输送流体的等管径管道内的液流即属于均匀流。n n2 2）非均匀流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。匀流。在管道上扩大或缩小处的水流运动即为非均匀流。流体动力学n n 3 3、按液流运动接触的壁面情况分类、按液流运动接触的壁面情况分类n n1 1）有压流）有

14、压流流体过流断面的周界为壁面包围，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。一般供水、供热管道均为有压流或压力流。一般供水、供热管道均为压力流。为压力流。n n2 2）无压流）无压流流体过流断面的壁和底均为壁面包围，但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、明渠者称为无压流或重力流。如河流、明渠等。等。n n3 3）射流）射流不受壁面约束的液流，如喷泉、消火栓等的液流，如喷泉、消火栓等喷射的水柱。喷射的水柱。流体动力学n n 三、流体流动的因素 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。流体动力学2

15、 2平均流速平均流速单位时间内流体所移动的距离，称为流速。单位时间内流体所移动的距离，称为流速。在不能压缩及无粘滞性的理想均匀流中，流速是在不能压缩及无粘滞性的理想均匀流中，流速是不变的。不变的。但在实际工程中，流体与流道壁间存在着摩但在实际工程中，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。为计算方处阻力大、流速小，近中心处流速大。为计算方便，常取过流断面上的平均流速便，常取过流断面上的平均流速 。流体动力学n n3、流量四、流体运动的基本方程四、流体运动的基本方程n n1 1、连续性方程、连续性

16、方程n n2、能量方程流体流动阻力 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。n n 一、流体的流动形态 n n 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。n n1、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。流体流动阻力n n 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：液体流动阻力流体流动阻力n n3、沿程损失和局部损失n n1）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：流体流动阻力n n 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 流体流动阻力n n3）管道总阻力