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1、第1章建筑设备基础知识第1页，本讲稿共27页1-11-1流体的主要物理性质流体的主要物理性质 n一一.流体的定义流体的定义n二二.流体的密度与容重流体的密度与容重n三三.流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性n四四.流体的黏性流体的黏性第2页，本讲稿共27页一一.流体的定义流体的定义 物质在自然界中通常按存在状态的不同分为固体、液物质在自然界中通常按存在状态的不同分为固体、液体和气体。体和气体。液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体液体和气体因具有较大的流动性，被统称为流体。在建筑设备工程中，给水、排水、
2、采暖、燃气、通风在建筑设备工程中，给水、排水、采暖、燃气、通风与空调系统的介质都是流体。与空调系统的介质都是流体。第3页，本讲稿共27页 均质流体各点的密度相同，单位体积流体的质量均质流体各点的密度相同，单位体积流体的质量均质流体各点的密度相同，单位体积流体的质量均质流体各点的密度相同，单位体积流体的质量称为流体的密度称为流体的密度称为流体的密度称为流体的密度，用，用表示（表示（kg/mkg/m3 3）二二.流体的密度与容重流体的密度与容重 同样，同样，单位体积流体的重量称为流体的容重，单位体积流体的重量称为流体的容重，单位体积流体的重量称为流体的容重，单位体积流体的重量称为流体的容重，用用表
3、示（表示（N/mN/m3 3）。公式如上所示。）。公式如上所示。根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律G G=MgMg，因此，因此第4页，本讲稿共27页二二.流体的密度与容重流体的密度与容重在一个标准大气压（在一个标准大气压（101.3kPa101.3kPa）下水的密度和容重）下水的密度和容重温度温度密度密度容重容重温度温度密度密度容重容重温度温度密度密度容重容重0999.87980530995.67976470977.81958941000.0980740992.24973180971.83953010999.73980450998.07969090965.34946720998.23978960
4、983.249642100958.389399第5页，本讲稿共27页二二.流体的密度与容重流体的密度与容重n 【特别提示特别提示特别提示特别提示】n n 流体的密度和容重随其温度和所受压力的变化而流体的密度和容重随其温度和所受压力的变化而变化，即同一流体的密度和容重不是一个固定值，但变化，即同一流体的密度和容重不是一个固定值，但在实际工程中，在实际工程中，液体液体的密度和容重随温度和压力的变的密度和容重随温度和压力的变化而变化的数值不大，化而变化的数值不大，可视为一固定值；可视为一固定值；而而气体气体的密的密度和容重随着温度和压力的变化而变化的数值较大，计度和容重随着温度和压力的变化而变化的数
5、值较大，计算中算中不能视为固定值不能视为固定值。第6页，本讲稿共27页三三.流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性n 当流体所受的压力增大时，其体积缩小，密度增大，当流体所受的压力增大时，其体积缩小，密度增大，这种性质称为这种性质称为流体的压缩性流体的压缩性流体的压缩性流体的压缩性。流体因温度升高使原有的体。流体因温度升高使原有的体积增大，密度减小的性质称为积增大，密度减小的性质称为流体的热膨胀性流体的热膨胀性流体的热膨胀性流体的热膨胀性。n n 液体分子之间的间隙很小，在很大的外力作用下，液体分子之间的间隙很小，在很大的外力作用下，其体积只有极微小的变形，一般计算时可看成是不可其体积只有极
6、微小的变形，一般计算时可看成是不可压缩流体。气体分子之间的间隙大，分子之间的引力压缩流体。气体分子之间的间隙大，分子之间的引力很小，气体的体积随压强和温度的变化是非常明显的，很小，气体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。第7页，本讲稿共27页三三.流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性n 【特别提示特别提示特别提示特别提示】n 水的热膨胀性比较特殊，当水温在水的热膨胀性比较特殊，当水温在4 4以下时，水的体以下时，水的体积随温度的降低而增大，密度和容重相应减小，因此在北方冬积随温度的降低而增大，密度和容重相应减小，因此在北方冬季水暖管道试压后，就及时将水
7、放掉，以免因水冻结、体积膨季水暖管道试压后，就及时将水放掉，以免因水冻结、体积膨胀而使管道和散热器损坏。采暖系统因其温度变化较大，系统胀而使管道和散热器损坏。采暖系统因其温度变化较大，系统中水的体积也有一定的变化，必须充分考虑并解决。中水的体积也有一定的变化，必须充分考虑并解决。n 但是在气体速度较低时，流动过程中压强和温度变化较但是在气体速度较低时，流动过程中压强和温度变化较小时，实际工程中可看作是不可压缩流体，不考虑空气的压小时，实际工程中可看作是不可压缩流体，不考虑空气的压缩性和热膨胀性。缩性和热膨胀性。第8页，本讲稿共27页n n 流体运动时，由于内摩擦力的作用，使流体具有抵抗相流体运
8、动时，由于内摩擦力的作用，使流体具有抵抗相对变形（运动）的性质，称为流体的对变形（运动）的性质，称为流体的黏性黏性黏性黏性。n 流体沿管道直径方向分成很多流层，各层的流速不同，管流体沿管道直径方向分成很多流层，各层的流速不同，管轴心的流速最大，向着管壁的方向逐渐减小，直至管壁处的流轴心的流速最大，向着管壁的方向逐渐减小，直至管壁处的流速最小，几乎为零，流速按某种曲线规律连续变化。速最小，几乎为零，流速按某种曲线规律连续变化。n 流速之所以有此分布规律，流速之所以有此分布规律，正是由于相邻两流层的接触面正是由于相邻两流层的接触面上产生了阻碍流层相对运动的内摩擦力，或称黏性力，这是上产生了阻碍流层
9、相对运动的内摩擦力，或称黏性力，这是流体的黏性显示出来的结果流体的黏性显示出来的结果四四.流体的黏性流体的黏性第9页，本讲稿共27页n 流体黏性的大小，与流体种类有关，同时与流体流体黏性的大小，与流体种类有关，同时与流体的温度和所受压力有关，受温度影响大，受压力影响的温度和所受压力有关，受温度影响大，受压力影响小。实验证明，水的黏性随温度的增高而减小，而空小。实验证明，水的黏性随温度的增高而减小，而空气的黏性却随温度的增高而增大。气的黏性却随温度的增高而增大。n例如：花生油例如：花生油n 夏季扇扇子。夏季扇扇子。流体在管道中某一断面的流速分布如图所示。流体在管道中某一断面的流速分布如图所示。第
10、10页，本讲稿共27页1-21-2流体静力学基础流体静力学基础n一一.流体静压强平衡方程流体静压强平衡方程n二二.流体静压强的表示方法和度量单位流体静压强的表示方法和度量单位第11页，本讲稿共27页一一.流体静压强平衡方程流体静压强平衡方程n n 1.1.1.1.流体静压强的概念流体静压强的概念流体静压强的概念流体静压强的概念n 处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其它处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其它外力的作用，在流体内部及液体与容器壁面之间存在着垂外力的作用，在流体内部及液体与容器壁面之间存在着垂直于接触面的作用力，这种作用力称为静压力。直于接触面的作用力，这种作用力称为
11、静压力。单位面积单位面积单位面积单位面积上流体的静压力称为流体的静压强。以符号上流体的静压力称为流体的静压强。以符号上流体的静压力称为流体的静压强。以符号上流体的静压力称为流体的静压强。以符号p p p p表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为N/mN/mN/mN/m2 2 2 2。第12页，本讲稿共27页 2.2.2.2.流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律 假如一容器内装有密度为假如一容器内装有密度为的液体，液体可认为是不可压的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变化。缩流体，其密度不随压力变化。在静止的液体中取一垂直小圆柱在
12、静止的液体中取一垂直小圆柱作为隔离体，研究其底面点的静作为隔离体，研究其底面点的静压强，如图所示压强，如图所示一一.流体静压强平衡方程流体静压强平衡方程第13页，本讲稿共27页 对隔离体进行受力分析对隔离体进行受力分析:则其轴向的作用力则其轴向的作用力 P P1 1=p=p1 1A A，垂直向下，垂直向下 P P2 2=p=p2 2A A，垂直向上，垂直向上 G=ghA=hAG=ghA=hA，垂直向下，垂直向下 根据隔离体静止状态的平衡条件，根据隔离体静止状态的平衡条件，令方向向上为正，向下为负，则可得令方向向上为正，向下为负，则可得圆柱体的轴向力的平衡方程，即圆柱体的轴向力的平衡方程，即 P
13、 P2 2-P-P1 1-G=0-G=0 p p2 2A-pA-p1 1A-hA=0A-hA=0 p p p p2 2 2 2=p=p=p=p1 1 1 1+h+h+h+h一一.流体静压强平衡方程流体静压强平衡方程第14页，本讲稿共27页 当液柱上表面设在水平面时，当液柱上表面设在水平面时，上表面压强即为液体表上表面压强即为液体表面面p p0 0，下表面压强即为液体中任一点的压强下表面压强即为液体中任一点的压强p p，则平衡方程则平衡方程为为：p=pp=p0 0+h+h 式中：式中：pp静止流体中任一点的压强，静止流体中任一点的压强，N/mN/m2 2；P P0 0液体表面压强，液体表面压强，
14、N/mN/m2 2；h h所研究的点在液面下的深度，所研究的点在液面下的深度，m m。当液柱上表面压强为当液柱上表面压强为0 0时，时，平衡方程为：平衡方程为：p=hp=h一一.流体静压强平衡方程流体静压强平衡方程第15页，本讲稿共27页静止流体内部任一点的静压强为：p=p0+h第16页，本讲稿共27页n n 3.3.3.3.流体静压强的特性流体静压强的特性流体静压强的特性流体静压强的特性n 静压强的方向性静压强的方向性静压强的方向性静压强的方向性 流体具有各个方向上的静压强，流体具有各个方向上的静压强，流体的静压强处处垂直并指向固体壁面。流体的静压强处处垂直并指向固体壁面。n 静压强的大小静
15、压强的大小静压强的大小静压强的大小 静止流体中任意一点的静压强静止流体中任意一点的静压强大小与其作用方向无关，仅与其高度或深度有关。气大小与其作用方向无关，仅与其高度或深度有关。气体的静压强沿高度变化小，密闭容器可以认为静压强体的静压强沿高度变化小，密闭容器可以认为静压强处处相等。处处相等。一一.流体静压强平衡方程流体静压强平衡方程第17页，本讲稿共27页二二.流体静压强的表示方法和度量单位流体静压强的表示方法和度量单位n n 1.1.1.1.表示方法表示方法表示方法表示方法n 流体的静压强有两种表示方法：流体的静压强有两种表示方法：n 1 1 1 1）绝对压强绝对压强绝对压强绝对压强 以绝对
16、真空为零点计算的压强称为绝对压强，用以绝对真空为零点计算的压强称为绝对压强，用p pj j表示表示。绝对压强永远是正值。绝对压强永远是正值。n n 2 2 2 2）相对压强）相对压强）相对压强）相对压强 以当地大气压强以当地大气压强p pa a为零点计算的压强称为相对为零点计算的压强称为相对压强，用压强，用p px x表示。一般的压力表测量出的压强即为相对压强，所以相表示。一般的压力表测量出的压强即为相对压强，所以相对压强又称为表压强，用对压强又称为表压强，用p p表示。表示。n相对压强可以是正值，也可以是负值。相对压强可以是正值，也可以是负值。n若某点的绝对压强高于大气压强时，相对压强值为正
17、；若某点的绝对压强高于大气压强时，相对压强值为正；n某点的绝对压强低于大气压强时，相对压强值为负。某点的绝对压强低于大气压强时，相对压强值为负。第18页，本讲稿共27页n n 相对压强与绝对压强之间的关系为：相对压强与绝对压强之间的关系为：p=pp=pj j-p-pa an 相对压强为负值时，流体处于真空状态，通常用真空相对压强为负值时，流体处于真空状态，通常用真空度（或真空压强）来度量流体的真空程度。真空度的含义度（或真空压强）来度量流体的真空程度。真空度的含义是指某点的绝对压强不足于一个大气压强的部分，用是指某点的绝对压强不足于一个大气压强的部分，用p pk k表示，表示，即即p pk k
18、=p=pa a-p-pj jn 真空度真空度实际上等于负的相对压强的绝对值。实际上等于负的相对压强的绝对值。n n【特别提示特别提示特别提示特别提示】工程中不突出说明时，所涉及的压强值均指相对压工程中不突出说明时，所涉及的压强值均指相对压强值。强值。二二.流体静压强的表示方法和度量单位流体静压强的表示方法和度量单位第19页，本讲稿共27页n n 2.2.2.2.压强的度量单位压强的度量单位压强的度量单位压强的度量单位n （1 1）在国际单位制中，用单位面积的压力表示，其单位为）在国际单位制中，用单位面积的压力表示，其单位为PaPa（帕），（帕），1Pa=1N/m1Pa=1N/m2 2，也可用，
19、也可用kPakPa（千帕）（千帕）n （2 2）用大气压表示，其单位为）用大气压表示，其单位为atmatm，1atm=101.325kPa1atm=101.325kPa，在工程单，在工程单位制中用工程大气压位制中用工程大气压atat表示，表示，1at98kPa1at98kPa；n （3 3）用液柱高度来表示，单位是）用液柱高度来表示，单位是mHmH2 2O(O(米水柱米水柱)。n 三种压强单位的关系是：三种压强单位的关系是：n 1at10mH 1at10mH2 2O 98kPa 1atm=101.325kPaO 98kPa 1atm=101.325kPan 【特别提示特别提示特别提示特别提示】
20、在建筑给水、消防、热水系统中的流体为水，同时建筑在建筑给水、消防、热水系统中的流体为水，同时建筑物高度是以长度单位的物高度是以长度单位的“米米”为单位，所以在工程中，我们多以为单位，所以在工程中，我们多以mHmH2 2O O为水的压强单位。为水的压强单位。二二.流体静压强的表示方法和度量单位流体静压强的表示方法和度量单位第20页，本讲稿共27页1-31-3流体流动阻力与水头损失流体流动阻力与水头损失n n一一一一.流动阻力和水头损失的两种形式流动阻力和水头损失的两种形式流动阻力和水头损失的两种形式流动阻力和水头损失的两种形式n n二二二二.沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失沿
21、程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失第21页，本讲稿共27页n n 1.1.1.1.沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力和沿程水头损失沿程阻力和沿程水头损失n 流体在长直管道中流动，所受的摩擦阻力称为流体在长直管道中流动，所受的摩擦阻力称为沿程阻力。为了克服沿程阻力，单位重量流体所造成的沿程阻力。为了克服沿程阻力，单位重量流体所造成的能量损失称为沿程水头损失。能量损失称为沿程水头损失。n n 2.2.2.2.局部阻力和局部水头损失局部阻力和局部水头损失局部阻力和局部水头损失局部阻力和局部水头损失n 流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使流体的边界在局部地区发生急
22、剧变化时，迫使主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，主流脱离边壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈的碰撞，所形成的阻力称为局部阻力。为了克服局部阻力，单位所形成的阻力称为局部阻力。为了克服局部阻力，单位重量流体所造成的能量损失称为局部水头损失。重量流体所造成的能量损失称为局部水头损失。一一.流动阻力和水头损失的两种形式流动阻力和水头损失的两种形式第22页，本讲稿共27页n n 1.1.1.1.圆管沿程水头损失计算公式圆管沿程水头损失计算公式圆管沿程水头损失计算公式圆管沿程水头损失计算公式n 式中：式中：h hf f沿程水头损失，沿程水头损失，m m；n 沿程阻力系数（无因次量）；沿程阻
23、力系数（无因次量）；n L L管道长度，管道长度，m m；n d d管道直径，管道直径，m m；n v v管道断面平均流速，管道断面平均流速，m/sm/s；n g g重力加速度，重力加速度，9.8m/s9.8m/s2 2；n i i单位摩阻，单位摩阻，mm/mmm/m；二二.沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失第23页，本讲稿共27页n n2.2.2.2.局部水头损失局部水头损失局部水头损失局部水头损失n 式中：式中：h hj j局部水头损失，局部水头损失，m m；n 局部阻力系数（无因次量）；局部阻力系数（无因次量）；n n3.3.3.3.总水头损失：总水头损失：总水头损失：
24、总水头损失：n式中：式中：h hw w计算管段的总水头损失，计算管段的总水头损失，m m；n 各管段的沿程水头损失之和，各管段的沿程水头损失之和，m m；n 各管段的局部水头损失之和，各管段的局部水头损失之和，m m；二二.沿程水头损失和局部水头损失沿程水头损失和局部水头损失第24页，本讲稿共27页知识连接n1.关于流体的几个概念关于流体的几个概念n（1）过流断面）过流断面：流体在运动时，与流体的运动方向垂直的流体：流体在运动时，与流体的运动方向垂直的流体横断面，单位。横断面，单位。n（2）流量：）流量：在单位时间内通过过流断面的流体的体积称为在单位时间内通过过流断面的流体的体积称为体积流量，
25、单位体积流量，单位m3/s。n（3）流速：）流速：在单位时间内流体移动所通过的距离称为流速，单在单位时间内流体移动所通过的距离称为流速，单位位m/s。第25页，本讲稿共27页知识连接n2.流体在建筑给排水中的运动类型流体在建筑给排水中的运动类型n有压流：有压流：流体在压差作用流动，流体各个过流断面的整个周流体在压差作用流动，流体各个过流断面的整个周界都与固体壁面相接触，没有自由表面，这种流体运动称界都与固体壁面相接触，没有自由表面，这种流体运动称为有压流或压力流。如给水管道、热水管道等。为有压流或压力流。如给水管道、热水管道等。n无压流：无压流：液体在重力作用在流动，流体各个过流断面的部分周液
26、体在重力作用在流动，流体各个过流断面的部分周界与固体壁面相接触，具有自由表面，这种流体运动称为无压界与固体壁面相接触，具有自由表面，这种流体运动称为无压流或重力流。也称明渠流。如排水管道，天然河流等。流或重力流。也称明渠流。如排水管道，天然河流等。第26页，本讲稿共27页知识连接n恒定流：恒定流：流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素不随时间变化，这种流体运动称为恒定流。动要素不随时间变化，这种流体运动称为恒定流。n非恒定流：非恒定流：流体运动时，流体中任一位置的运动要素如压强、流体运动时，流体中任一位置的运动要素如压强、流速等随时间变化而变化，这种流体运动称为非恒定流。流速等随时间变化而变化，这种流体运动称为非恒定流。第27页，本讲稿共27页