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1、第1章流体力学基本知识第1页，本讲稿共26页第1章流体力学基本知识1.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质1.2流体静力学基础流体静力学基础 1.3流体动力学基础流体动力学基础第2页，本讲稿共26页1.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质l物质在自然界中有三种存在状态：固体、液体和气体，其中液体和气体因有较大的流动性而被统称为流体。流体具有和固体截然不同的力学性质。l流体力学是研究大量分子的统计平均宏观属性。l液体分子间的内聚力远大于气体，所以液体的形状虽随容器的形状而改变，但其体积不变，而气体的形状和体积都不固定，它总是充满着容器。第3页，本讲稿共26页1.1.1流体的惯性流体的惯性l对
2、于均质流体，单位体积的质量，称为流体的质量密度。对于均质流体，单位体积的质量，称为流体的质量密度。l对于均质流体，单位体积的流体所受的重力称为流体的重力密度，简称重度。对于均质流体，单位体积的流体所受的重力称为流体的重力密度，简称重度。l 1.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质第4页，本讲稿共26页1.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质1.1.2流体的黏滞性流体的黏滞性第5页，本讲稿共26页1.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质1.1.3流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性l当流体的温度保持不变，随压强的增大，当流体的温度保持不变，随压强的增大，体积减小而密度增加的性质，称为流
3、体的体积减小而密度增加的性质，称为流体的压缩性，液体的压缩性很小，而气体则相压缩性，液体的压缩性很小，而气体则相反。反。l当流体的压强保持不变，随着温度的升高，当流体的压强保持不变，随着温度的升高，体积增大而密度减小的性质，称为流体的体积增大而密度减小的性质，称为流体的膨胀性。膨胀性。第6页，本讲稿共26页1.1流体的主要力学性质流体的主要力学性质l压强的表示方法有3种：从压强的基本定义出发Pa 用大气压的倍数来表示 非法定计量单位用液柱高度来表示（mH2O、mmHg）l1标准大气压（1atm，0，纬度45时海平面上的压强，相当于760mm水银柱对柱底部所产生的压强。l1工程大气压1at相当于
4、736mm水银柱对柱底部所产生的压强（海拨200m处的正常大气压）。l压强单位的换算：l1pa=1N/m2l1at=1kgf/cm2=98066.5pa（相应的水柱高度为10m）l1bar=1105pa=1.01972kgf/cm2l1atm=101325pa（相应的水柱高度为10.34m）l1mH2O=9.8067103pal1N=0.10197kgf第7页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础l1.2.1流体静压强及其特性流体静压强及其特性 第8页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础（1）静压强的方向指向受压面，并与受压面垂直。（2）流体内任一点的静压强在各个方向
5、面上的值均相等。第9页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础1.2.2流体静压强的分布规律流体静压强的分布规律同一液体内部的静压强只与深度及重度有关。同一液体内部的静压强只与深度及重度有关。静止液体内部任意一点的压强静止液体内部任意一点的压强p等于液面压强等于液面压强p0与液体重度与液体重度和深度和深度h乘积之和。乘积之和。在静止液体内，压强与深度的关系按直线规律变在静止液体内，压强与深度的关系按直线规律变化。化。在静止液体内，任一深度的所有点的压强相等，在静止液体内，任一深度的所有点的压强相等，构成一个水平的等压面。构成一个水平的等压面。液面处的压强可以等值地在静止液体内传递。液
6、面处的压强可以等值地在静止液体内传递。第10页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础第11页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础l流体静力学方程式的另外一种形式 第12页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础lZ任一点的位置相对于基准面的高度，称为流体的位置水头，也称为位能、势能、几何压头等；lp/在该点压强作用下，液体在测压管中所能上升的高度，称为压强水头，也称为流体的静压能、静压头等；lz+p/测压管水头。l该式说明在同一容器的静止液体中，任一点的测压水头总是一个常数。常数的值与基准面的位置及液面压强有关。第13页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流
7、体静力学基础1.2.3工程计算中压强的表示方法和度量单位1、压强的度量制2、表示方法（1）绝对压强以绝对真空为起点计算的压强称为绝对压强pj（2）相对压强 以周围环境大气压pa为起点计算的压强称为相对压强p，也称为表压强，一般由测压表上直接读得。第14页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础第15页，本讲稿共26页1.2流体静力学基础流体静力学基础第16页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础1.3.1基本概念基本概念1、元流、元流 流体运动时，为研究方便我们把流体中某一微小面积形成的一股流束称为元流。流体运动时，为研究方便我们把流体中某一微小面积形成的一股流束称为元流
8、。2、总流、总流 流体运动时，无数元流的总和称为总流。流体运动时，无数元流的总和称为总流。3、过流断面（、过流断面（）流体运动时，与流体的运动方向垂直的流体横断面称为过流断面。过面可能是流体运动时，与流体的运动方向垂直的流体横断面称为过流断面。过面可能是平面，也可能是曲面。平面，也可能是曲面。m24、流量（、流量（Q）在单位时间通过某一过断面的体积或质量。在单位时间通过某一过断面的体积或质量。L/S或或m3/h、kg/s。5、流速（、流速（）流体流动时，在单位时间内所流过的路程。流体流动时，在单位时间内所流过的路程。m/s。第17页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础1.3.2流
9、体运动的类型流体运动的类型1、压力流与重力流、压力流与重力流l流体在压差作用下流动时，流体充满管道，整个周界与固体壁流体在压差作用下流动时，流体充满管道，整个周界与固体壁接触，无自由表面，这种流动称为压力流，如建筑给水管道中接触，无自由表面，这种流动称为压力流，如建筑给水管道中水的流动。水的流动。l流体在重力作用下流动时，液体周界仅部分与固体壁接触，流体在重力作用下流动时，液体周界仅部分与固体壁接触，有自由表面，这种流动称为重力流，如天然河流、排水管道有自由表面，这种流动称为重力流，如天然河流、排水管道中水的流动等。中水的流动等。2、恒定流与非恒定流、恒定流与非恒定流l 流体在运动时，其各点的
10、压强和流速等运动要素不随时间流体在运动时，其各点的压强和流速等运动要素不随时间变化，仅与空间位置有关，称为恒定流。变化，仅与空间位置有关，称为恒定流。第18页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础1.3.3流体连续性方程流体连续性方程假设流体为不可压缩的介质，根据质量守恒假设流体为不可压缩的介质，根据质量守恒Q=A1v1=A2v2（流速与断面面积成反比）（流速与断面面积成反比）第19页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础1.3.4流体动力学方程流体动力学方程伯努利方程：伯努利方程：在恒定流中，各过流断面上单位重量流体的位能、在恒定流中，各过流断面上单位重量流体的位能、
11、压能和动能，加上断面间单位能量损失之总和保压能和动能，加上断面间单位能量损失之总和保持不变，也即总水头保持不变。持不变，也即总水头保持不变。第20页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础第21页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础 不可压缩流体在等温流动过程中，在管道任一截面上，流体的静压头、动压头、几何压头之和守恒，但三者之间可以相互转化。流体的机械能常用“压头”来表示。压头的意义是表示单位体积的流体所具有的能量。l注意：l（1）、流体的流动必须是稳定的l（2）、所取的截面1-1至2-2应是渐变流截面l（3）、伯努利方程是由不可压缩流体导出，但对工程中的大多数气体，
12、当压强温度变化不大时，也近似适用。第22页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础l例：如图所示水箱，引出管管径d=100mm，水头损失hw1-2=2mH2O。求：水箱引出管中水流的速度与流量。第23页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础1.3.5流态与判定流态与判定1.3.6沿程水头损失与局部水头损失沿程水头损失与局部水头损失 l了解管道阻力有以下作用：设计时，可以选择合理经济的管径和管道长度安装时，可以注意减少管道阻力，保证管道系统有较小的压头损失维修时，注意不擅自改变管径，不随意增加器具，以防上管网的水力失调。第24页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学
13、基础1、沿程阻力和沿程水头损失l流体在长直管或明渠中流动所受的摩擦阻力称为沿程阻力。为了克服沿程阻力而消耗的单位重量流体的能量称为沿程水头l(i水力坡度，沿流程单位长度上的水头损失)2、局部阻力和局部水头损失l当流体通过管道上的阀门、弯头、三通等附件时，由于固体边界的急剧变化而形成漩涡和流速分布的改变而造成的阻力称为局部阻力。相应的能量损失称为局部水头损失。l在给水管道水力计算中，有时取沿程水头损失的25%30%作为局部水头损失。这样流体运动中任意两过流断面间的水头损失可表示为：第25页，本讲稿共26页1.3流体动力学基础流体动力学基础1、工业管道中，为什么流体都要有一个合理的流速？2、有一台给水泵，向楼房高位水箱送水，水泵流量qv=50m3/h，水泵出水管选用多大内径的管子比较合适？（流速按=1m/s选用）。第26页，本讲稿共26页