环境工程基础

1、环境工程基础环境工程基础 授课人：陆建兰授课人：陆建兰 实例：实例： 1、高位取水的电力大于低位取水的电力？、高位取水的电力大于低位取水的电力？ 实际发电电能相同实际发电电能相同 2、在、在98长江特大洪水时，有人提出了一个紧急提案：调用长江特大洪水时，有人提出了一个紧急提案：调用 休渔期的数百只船至长江中游，抛锚后，齐开足马力用螺休渔期的数百只船至长江中游，抛锚后，齐开足马力用螺 旋桨推动水流加大流速，降低长江上下游的洪水位旋桨推动水流加大流速，降低长江上下游的洪水位? 劳民伤财劳民伤财 3、钱塘江治理方案（一位电机系毕业的老高工提出）：在、钱塘江治理方案（一位电机系毕业的老高工提出）：在

2、出海口附近分成二条收窄了的河道，以加速水流，冲深流出海口附近分成二条收窄了的河道，以加速水流，冲深流 道，造成可行万吨轮船的航道，改变目前钱塘江口航道不道，造成可行万吨轮船的航道，改变目前钱塘江口航道不 能行大船的状况？能行大船的状况？ 异想天开异想天开 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 流体：流体：以水为代表的一切液体和以空气为代表的所有气体。以水为代表的一切液体和以空气为代表的所有气体。 1.1流体及流体力学流体及流体力学 1.1.1流体基本特征流体基本特征 1.物质的三态物质的三态 在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。在地球上，物质存在的主要形式有：固体、液体和气体。

3、2.流体和固体的区别流体和固体的区别: 从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。从力学分析的意义上看，在于它们对外力抵抗的能力不同。 固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。固体：既能承受压力，也能承受拉力与抵抗拉伸变形。 流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。流体：只能承受压力，一般不能承受拉力与抵抗拉伸变形。 3.液体和气体的区别：液体和气体的区别： (1)气体易于压缩；而液体难于压缩；气体易于压缩；而液体难于压缩； (2)液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意液体有一定的体积，存在一个自由液面；气体能充满任意 形状的容器，无一定的体积，不存在

4、自由液面。形状的容器，无一定的体积，不存在自由液面。 4.液体和气体的共同点：液体和气体的共同点： 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下都会发生 变形或流动，故二者统称为流体。变形或流动，故二者统称为流体。 5.物质的宏观性质与分子结构及分子间的作用力有关。物质的宏观性质与分子结构及分子间的作用力有关。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 1.1.2流体力学基本任务及应用（补充流体力学基本任务及应用（补充24个希腊字母）个希腊字母） 牛顿力学三定律、质量守恒定律、能量守恒定律。牛顿力学三定律、质量守恒定律、能量守恒定律。 高等数学连

5、续函数、物理知识高等数学连续函数、物理知识 质量守恒定律：化学反应前后各物质的总质量相等。这是化质量守恒定律：化学反应前后各物质的总质量相等。这是化 学反应遵循的规律。学反应遵循的规律。 能量守恒定律指一个系统能量的改变总是等于该系统输入和能量守恒定律指一个系统能量的改变总是等于该系统输入和 输出能量的差值，是物理学中最基本的定律之一。输出能量的差值，是物理学中最基本的定律之一。 牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状 态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。 牛顿第二定律：物体的加速度跟作用

6、力成正比牛顿第二定律：物体的加速度跟作用力成正比 牛顿第三律：两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相牛顿第三律：两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相 等，方向相反，作用在同一直线上等，方向相反，作用在同一直线上 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 1.2流体的主要物理力学性质流体的主要物理力学性质 1.2.1惯性（以乘车为例）惯性（以乘车为例） 1.惯性惯性 一切物质都具有质量，流体也不例外。质量是物质的基本属一切物质都具有质量，流体也不例外。质量是物质的基本属 性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大。性之一，是物体惯性大小的量度，质量越大，惯性也越大。 2.密度密度(单位

7、：单位：kg/m3) 均质流体的密度：单位体积流体的质量称为密度。均质流体的密度：单位体积流体的质量称为密度。 比容：单位质量流体所具有的体积。比容：单位质量流体所具有的体积。 1/m3/kg 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 maF V m 1.2.2万有引力特性万有引力特性 .万有引力：万有引力： .容重：容重： （阐述容重和密度间的关系）（阐述容重和密度间的关系） 1.2.3压缩性与膨胀性压缩性与膨胀性 作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化。作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化。 流体的体积随压力增加而减小的属性称为流体的压缩性。通流体的体积随压力增加

8、而减小的属性称为流体的压缩性。通 常液体的压缩性不大，而气体的压缩性大。当流体的压缩性常液体的压缩性不大，而气体的压缩性大。当流体的压缩性 对所研究的流动影响不大，可忽略不计时，这种流体称为不对所研究的流动影响不大，可忽略不计时，这种流体称为不 可压缩流体，反之称为可压缩流体。流体的体积随压力减小可压缩流体，反之称为可压缩流体。流体的体积随压力减小 而增大的属性称为流体的膨胀性。而增大的属性称为流体的膨胀性。通常液体的通常液体的膨胀性很小，膨胀性很小， 气体的膨胀性很大。气体的膨胀性很大。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 mgG VGVmgg/ 对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时

9、，由于对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，由于 流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现成对的切力，流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现成对的切力， 称为内摩擦力。称为内摩擦力。1717世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的 粘性。下图即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，粘性。下图即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动， 且平板面积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。其中且平板面积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。其中h h 为两平板间的距离，为两平板间的距离，A A为平板面积。为平板面积。 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 1.2.4黏性黏

10、性 . 黏性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形黏性：即在运动的状态下，流体所产生的抵抗剪切变形 的性质。的性质。 2黏度黏度 定义：流体的黏度是由流动流体的内聚力和分子的动量交定义：流体的黏度是由流动流体的内聚力和分子的动量交 换所引起的。换所引起的。 分类分类 动力黏度：又称绝对黏度、动力黏性系数、黏度，是反映流动力黏度：又称绝对黏度、动力黏性系数、黏度，是反映流 体黏滞性大小的系数，单位：体黏滞性大小的系数，单位：Ns/m2。 运动黏度运动黏度：又称相对黏度、运动黏性系数。：又称相对黏度、运动黏性系数。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 黏度的影响因素黏度的影响因素 流体黏度

11、的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变流体黏度的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变 化而变化。化而变化。 流体种类。一般地，相同条件下，液体的黏度大于气体的流体种类。一般地，相同条件下，液体的黏度大于气体的 黏度。黏度。 压强。对常见的流体，如水、气体等，压强。对常见的流体，如水、气体等， 值随压强的变化不值随压强的变化不 大，一般可忽略不计。大，一般可忽略不计。 温度。是影响黏度的主要因素。当温度升高时，液体的黏温度。是影响黏度的主要因素。当温度升高时，液体的黏 度减小，气体的黏度增加。度减小，气体的黏度增加。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 v 问题：下面关于流体粘性的

12、说法中，不正确的是问题：下面关于流体粘性的说法中，不正确的是: A、粘性是流体的固有属性；、粘性是流体的固有属性； B、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度；、粘性是运动状态下，流体有抵抗剪切变形速率能力的量度； C、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性；、流体的粘性具有传递运动和阻滞运动的双重性； D、流体的粘度随温度的升高而增大。、流体的粘度随温度的升高而增大。 1.2.5表面张力特性表面张力特性 1.2.5.1液体的表面张力液体的表面张力 表面张力的定义及方向：表面张力的定义及方向： 1.2.5.2毛细现象毛细现象 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 1.3 作用在流

13、体上的力作用在流体上的力 分类分类 1.按物理性质不同分类：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、按物理性质不同分类：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、 表面张力等。表面张力等。2.按作用方式分：质量力和面积力。按作用方式分：质量力和面积力。 1.3.1表面力表面力 是毗邻流体或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接是毗邻流体或其它物体作用在隔离体表面上的直接施加的接 触力。触力。 它的大小与作用面面积成正比。它的大小与作用面面积成正比。 表面力按作用方向可分为：压力（垂直于作用面）；切力表面力按作用方向可分为：压力（垂直于作用面）；切力 （平行于作用面）。（平行于作用面）。 第第1章章 流体基础知识流

14、体基础知识 1.3.2质量力质量力 1.质量力：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的质量力：是指作用于隔离体内每一流体质点上的力，它的 大小与质量成正比。对于均质流体（各点密度相同的流大小与质量成正比。对于均质流体（各点密度相同的流 体），质量力与流体体积成正比，其质量力又称为体积力。体），质量力与流体体积成正比，其质量力又称为体积力。 单位牛顿（单位牛顿（N）。）。 最常见的质量力有：重力、惯性力。最常见的质量力有：重力、惯性力。 2.单位质量力（单位质量力（m/s2）：单位质量流体所受到的质量力。）：单位质量流体所受到的质量力。 问题：比较重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的问

15、题：比较重力场（质量力只有重力）中，水和水银所受的 单位质量力单位质量力 f水 水和 和f水银 水银的大小？ 的大小？ f水 水f水银水银； ；D、不一定。、不一定。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 B 1.4流体的力学模型流体的力学模型 1.4.1连续介质模型连续介质模型 1.连续介质：质点连续地充满所占空间的流体或固体。连续介质：质点连续地充满所占空间的流体或固体。 2.连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整连续介质模型：把流体视为没有间隙地充满它所占据的整 个空间的一续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时个空间的一续介质，且其所有的物理量都是空间坐标和时 间的连续函数

16、的一种假设种连模型：间的连续函数的一种假设种连模型：u =u(t,x,y,z)。 v 问题：按连续介质的概念，流体质点是指问题：按连续介质的概念，流体质点是指: A、流体的分子；、流体的分子； B、流体内的固体颗粒；、流体内的固体颗粒； C、几何的点；、几何的点； D、几何尺寸同流动空间相比是极小量、几何尺寸同流动空间相比是极小量,又含有大量分子的微又含有大量分子的微 元体。元体。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 D 1.4.2理想流体（根据流体是否具有粘性）理想流体（根据流体是否具有粘性） 1.实际流体：指考虑黏性的流体。（存在摩擦力）实际流体：指考虑黏性的流体。（存在摩擦力） 2.理

17、想流体：指不考虑黏性的流体。（不存在摩擦力）理想流体：指不考虑黏性的流体。（不存在摩擦力） v 问题：理想流体的特征是问题：理想流体的特征是: A、粘度是常数；、粘度是常数；B、不可压缩；、不可压缩；C、无粘性；、无粘性；D、符合、符合pV=RT。 1.4.3不可压缩流体（根据流体受压体积缩小的性质）不可压缩流体（根据流体受压体积缩小的性质） 可压缩流体：流体密度随压强变化不能忽略的流体。可压缩流体：流体密度随压强变化不能忽略的流体。 不可压缩流体：流体密度随压强变化很小，流体的密度视为常不可压缩流体：流体密度随压强变化很小，流体的密度视为常 数的流体。数的流体。 （补充）牛顿流体与非牛顿流体

18、：凡遵守牛顿内摩擦定律的流（补充）牛顿流体与非牛顿流体：凡遵守牛顿内摩擦定律的流 体称为牛顿流体，反之称为非牛顿流体。常见的牛顿流体有水、体称为牛顿流体，反之称为非牛顿流体。常见的牛顿流体有水、 空气等，非牛顿流体有泥浆、油漆、油墨等。空气等，非牛顿流体有泥浆、油漆、油墨等。 第第1章章 流体基础知识流体基础知识 C 第第2章章 流体静力学流体静力学 2.1流体静压强及其特性流体静压强及其特性 2.1.1流体静压强概念流体静压强概念 垂直作用于流体单位面积上的压力称为流体的压强，以垂直作用于流体单位面积上的压力称为流体的压强，以p表表 示，单位为示，单位为Pa。俗称压力，表示静压力强度。俗称压

19、力，表示静压力强度。 2.1.2流体静压强特性流体静压强特性 1.垂向性垂向性 流体静压强总是沿着作用面的内法线方向，也就是说垂直指流体静压强总是沿着作用面的内法线方向，也就是说垂直指 向受压面。向受压面。 2.各向等值性各向等值性 作用于静止流体同一点压强的大小各向相等，与作用面的方作用于静止流体同一点压强的大小各向相等，与作用面的方 位无关。位无关。 2.2重力作用下的流体静压强分布重力作用下的流体静压强分布 2.2.1流体静力学基本方程流体静力学基本方程 一、基本方程：一、基本方程： 结论：结论： 仅在重力作用下静止流体中某一点的静水压强随深度按线仅在重力作用下静止流体中某一点的静水压强

20、随深度按线 性规律增加性规律增加 仅在重力作用下，静止流体中某一点的静水压强等于表面仅在重力作用下，静止流体中某一点的静水压强等于表面 压强加上流体的容重与该点淹没深度的乘积。压强加上流体的容重与该点淹没深度的乘积。 自由表面下深度自由表面下深度h相等的各点压强均相等相等的各点压强均相等只有重力作只有重力作 用下的同一连续连通的静止流体的等压面是水平面。用下的同一连续连通的静止流体的等压面是水平面。 推广：已知某点的压强和两点间的深度差，即可求另外一推广：已知某点的压强和两点间的深度差，即可求另外一 点的压强值。点的压强值。 zz pp g 0 0 ghpp 0 第第2章章 流体静力学流体静力

21、学 2.2.2压强表示压强表示 2.2.2.1绝对压强、相对压强与真空压强绝对压强、相对压强与真空压强 a.绝对压强：是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准绝对压强：是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准 计量的压强。计量的压强。 b. 相对压强：又称相对压强：又称“表压强表压强”，是以当地大气压为基准计量的压，是以当地大气压为基准计量的压 强。强。 c.真空：是指绝对压强小于一个大气压的受压状态，是负的相对真空：是指绝对压强小于一个大气压的受压状态，是负的相对 压强。压强。 2.2.2.2压强计量单位压强计量单位 不同单位之间的换算关系为：不同单位之间的换算关系为：h=pa/g

22、1atm=10.33mH2O=760mmHg=1.0133kgf/cm2=1.0133105Pa 1at=1kgf/m2=9.807104N/m2=735.6mmHg=10mH2O 第第2章章 流体静力学流体静力学 A O B A点相对压强 B点真空压强 B点相对压强（负值） A点绝对压强 B点绝对压强 当地大气压 相对压强基准 （相对压强零点）O 绝对压强基准 （绝对压强零点）O 压强 二、等压面二、等压面 1、概念：是指流体中压强相等（、概念：是指流体中压强相等（p=const）的各点所组成的）的各点所组成的 面。面。 常见的等压面有：自由液面和平衡流体中互不混合的两种流常见的等压面有：自

23、由液面和平衡流体中互不混合的两种流 体的界面。体的界面。 2、只有重力作用下的等压面应满足的条件：、只有重力作用下的等压面应满足的条件： 1.静止；静止；2.连通；连通；3.连通的介质为同一均质流体；连通的介质为同一均质流体；4.质量力仅质量力仅 有重力；有重力；5.同一水平面。同一水平面。 第第2章章 流体静力学流体静力学 2.2.3 流体静力学基本方程意义流体静力学基本方程意义 2.2.3.1能量意义能量意义 1、位置水头、位置水头z ：任一点在基准面：任一点在基准面0-0以上的位置高度，表示以上的位置高度，表示 单位重量流体从某一基准面算起所具有的位置势能，简称单位重量流体从某一基准面算

24、起所具有的位置势能，简称 位能。位能。 2、测压管高度、测压管高度 p/g：表示单位重量流体从压强为大气压算：表示单位重量流体从压强为大气压算 起所具有的压强势能，简称压能（压强水头）。起所具有的压强势能，简称压能（压强水头）。 3、测压管水头（、测压管水头（ z+p/g）：单位重量流体的总势能。）：单位重量流体的总势能。 第第2章章 流体静力学流体静力学 2.2.3.2几何意义几何意义 1. 仅受重力作用处于静止状态的流体中，任意点对同一基准仅受重力作用处于静止状态的流体中，任意点对同一基准 面的单位势能为一常数，即各点测压管水头相等，位头增面的单位势能为一常数，即各点测压管水头相等，位头增

25、 高，压头减小。高，压头减小。 2. 在均质（在均质（g=常数）、连通的液体中，水平面（常数）、连通的液体中，水平面（zA = zB=常常 数）必然是等压面（数）必然是等压面（pA = pB =常数）。常数）。 第第2章章 流体静力学流体静力学 2.2.4 流体静压强分布图流体静压强分布图 具体画法：具体画法： 静水压强分布图绘制规则：静水压强分布图绘制规则： 1. 按照一定的比例尺，用一定长度的线段代表静水压强的大按照一定的比例尺，用一定长度的线段代表静水压强的大 小；小； 2. 用箭头标出静水压强的方向，并与该处作用面垂直。用箭头标出静水压强的方向，并与该处作用面垂直。 受压面为平面的情况

26、下，压强分布图的外包线为直线；当受受压面为平面的情况下，压强分布图的外包线为直线；当受 压面为曲线时，曲面的长度与水深不成直线函数关系，故压压面为曲线时，曲面的长度与水深不成直线函数关系，故压 强分布图外包线亦为曲线。强分布图外包线亦为曲线。 第第2章章 流体静力学流体静力学 第第3章章 流体动力学流体动力学 3.1流体运动的描述方法流体运动的描述方法 3.1.1拉格朗日法拉格朗日法 是以流场中每一流体质点作为描述对象的方法，它以流体个是以流场中每一流体质点作为描述对象的方法，它以流体个 别质点随时间的运动为基础，通过综合足够多的质点（即别质点随时间的运动为基础，通过综合足够多的质点（即 质点

27、系）运动求得整个流动。质点系）运动求得整个流动。质点系法质点系法 3.1.2欧拉法欧拉法 是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述是以流体质点流经流场中各空间点的运动即以流场作为描述 对象研究流动的方法。对象研究流动的方法。流场法流场法 3.2流场基本概念流场基本概念 1、流线与迹线、流线与迹线 流线的定义流线的定义 流线是表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线，曲线上任一流线是表示某一瞬时流体各点流动趋势的曲线，曲线上任一 点的切线方向与该点的流速方向重合。点的切线方向与该点的流速方向重合。 流线的性质流线的性质 a.同一时刻的不同流线，不能相交。同一时刻的不同流线，不能相交。 b.

28、流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。流线不能是折线，而是一条光滑的曲线。 c.流线簇的疏密反映了速度的大小（密集地方流速大，稀疏流线簇的疏密反映了速度的大小（密集地方流速大，稀疏 地方流速小）。地方流速小）。 第第3章章 流体动力学流体动力学 迹线的定义迹线的定义 迹线：某一质点在某一时段内的运动轨迹线。烟火的轨迹为迹线。迹线：某一质点在某一时段内的运动轨迹线。烟火的轨迹为迹线。 流线与迹线的比较流线与迹线的比较 2、过流断面、流量与平均流速、过流断面、流量与平均流速 过流断面：过流断面： 流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量 体积流量：单位时间内流

29、经管道任意截面的流体体积；体积流量：单位时间内流经管道任意截面的流体体积； 质量流量：质量流量：单位时间内流经管道任意截面的流体质量 流速（流速（u：m/s）：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。）：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离。 在工程上为方便起见，流体的流速通常是指整个管道截面上的平均在工程上为方便起见，流体的流速通常是指整个管道截面上的平均 流速。流速。 A u q v 第第3章章 流体动力学流体动力学 3.2.2流动类型流动类型 凡表征流体运动的各种物理量，如质量力、表面力、速度、凡表征流体运动的各种物理量，如质量力、表面力、速度、 密度、动量、能量等，都是运动要素。研究

30、流体运动就是研密度、动量、能量等，都是运动要素。研究流体运动就是研 究其运动要素随时间和空间的变化以及建立它们之间的关系究其运动要素随时间和空间的变化以及建立它们之间的关系 式。式。 （一）、基本概念（一）、基本概念 恒定流与非恒定流恒定流与非恒定流 （1）恒定流恒定流：流体流动时，流体中任一位置的压强、流速：流体流动时，流体中任一位置的压强、流速 等运动要素不随时间变化的流动称为恒定流。等运动要素不随时间变化的流动称为恒定流。 （2）非恒定流非恒定流：流体流动时，流体中任一位置的压强流速：流体流动时，流体中任一位置的压强流速 等运动要素随时间变化而变动的流动称为非恒定流。等运动要素随时间变化

31、而变动的流动称为非恒定流。 第第3章章 流体动力学流体动力学 自然界中都是非恒定流，工程中取为恒定流自然界中都是非恒定流，工程中取为恒定流 H 2.2.压力流与无压流压力流与无压流 （1 1）压力流：流体在压差作用下流动时，流体整个周围都）压力流：流体在压差作用下流动时，流体整个周围都 和固体壁相接触，没有自由表面，如供热工程中管道输送汽、和固体壁相接触，没有自由表面，如供热工程中管道输送汽、 水带热体，风道中气体，给水中流体输送等是压力流。水带热体，风道中气体，给水中流体输送等是压力流。 （2 2）无压流：流体在重力作用下流动时，流体的部分周界）无压流：流体在重力作用下流动时，流体的部分周界

32、 与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表面。与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表面。 如天然河流、明渠流等一般都是无压流。如天然河流、明渠流等一般都是无压流。 3.3.均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流 （1 1）均匀流：流体运动时，流线是平行直线的流动称为均）均匀流：流体运动时，流线是平行直线的流动称为均 匀流。如等截面长直管中的流动。匀流。如等截面长直管中的流动。 （2 2）非均匀流：流体流动时，流线不是平行直线的流动称）非均匀流：流体流动时，流线不是平行直线的流动称 为非均匀流。如流体字收缩管、扩大管或弯管中流动等。为非均匀流。如流体字收缩管、扩大管或弯管中流动等。

33、它又可分为：它又可分为： .渐变流：流体运动中流线接近于平行线的流动称为渐变渐变流：流体运动中流线接近于平行线的流动称为渐变 流。如图流。如图1-7A1-7A区。区。 .急变流：流体运动中流线不能视为平行直线的流动称为急变流：流体运动中流线不能视为平行直线的流动称为 急变流。如图急变流。如图1-7B1-7B、C C、D D区。区。 均 匀 流渐 变 流急 变 流急 变 流急 变 流 B A C D 3.3 流体运动质量守恒方程流体运动质量守恒方程恒定流连续性方程恒定流连续性方程 3.3.1恒定总流连续性方程一般表达式恒定总流连续性方程一般表达式 1、流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量。、

34、流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量。 体积流量（体积流量（m3/s）：）：Q=A 质量流量（质量流量（kg/s）：）： 流体为连续性介质，流体为连续性介质， 流体为不可压缩流体，流体为不可压缩流体，为常数，为常数， qq vm Av 常数 2 22 1 11 21 AuAu qqq uA mmm 常数 AuAu qv 2211 第第3章章 流体动力学流体动力学 2、断面平均流速、断面平均流速v 总流过水断面上各点的流速是不相同的，所以常采用一个平均总流过水断面上各点的流速是不相同的，所以常采用一个平均 值来代替各点的实际流速，称断面平均流速值来代替各点的实际流速，称断面平均流速（=Q/A

35、） 3.3.2有流量汇入或流出的恒定总流连续性方程有流量汇入或流出的恒定总流连续性方程 Q1+Q2=Q3； Q1=Q2+Q3 ；流入节点的流量为；流入节点的流量为“+”，流出节点的流量为，流出节点的流量为“”。 问题：变直径管的直径问题：变直径管的直径d1=320mm，d2=160mm，流速，流速 1=1.5m/s，2为：为： A.3m/s；B.4m/s；C.6m/s；D.9m/s。 0 1 n i i Q C 第第3章章 流体动力学流体动力学 3.4恒定流能量方程恒定流能量方程柏努利方程柏努利方程 3.4.1动水压强及特性动水压强及特性 垂向性及各向等值性垂向性及各向等值性 3.4.2理想流

36、体的能量方程理想流体的能量方程 3.4.3实际流体恒定元流的能量方程实际流体恒定元流的能量方程 gggg u p z u p z 22 2 22 2 2 11 1 gg u p z H 2 0 2 h u p z u p z gg 2 22 2 2 11 1 22 第第3章章 流体动力学流体动力学 3.4.4实际流体恒定总流的能量方程实际流体恒定总流的能量方程 （单位重量流体）（单位重量流体） （单位质量流体）（单位质量流体） 式中：式中： z ：单位位能（位置水头）：单位位能（位置水头） ：单位压能：单位压能 ：单位动能：单位动能 （压强水头，测压管高度）（压强水头，测压管高度） （流速水头

37、）（流速水头） ：单位势能：单位势能： ：单位机械能：单位机械能 （测压管水头）（测压管水头） （总水头）（总水头） hfgg u p zWu p ze 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 h u p z u p zw gggg 22 2 222 2 2 111 1 g p g u 2 2 g p z gg u p zH 2 2 第第3章章 流体动力学流体动力学 ： 单位水头损失（单位重流体克服流动阻力所做的功）单位水头损失（单位重流体克服流动阻力所做的功） 3.4.5能量方程的应用条件及注意事项能量方程的应用条件及注意事项 3.4.6有机械能输入（或输出）的能量方程有机械能输入（

38、或输出）的能量方程 用例题加以深化。用例题加以深化。 第第3章章 流体动力学流体动力学 hw h p z p zw gg H gg 22 2 222 2 2 111 1 v能量方程式中每一项的单位都是长度，都可以在断面上用能量方程式中每一项的单位都是长度，都可以在断面上用 铅直线段在图中表示出来。这可以对方程式各项在流动过程铅直线段在图中表示出来。这可以对方程式各项在流动过程 中的变化关系以更形象的描述（压强和流速可用测压管和测中的变化关系以更形象的描述（压强和流速可用测压管和测 速管测出来）。速管测出来）。 v如果把各断面上的总水头如果把各断面上的总水头 顶点连成一条顶点连成一条 线，则此线

39、为总水头线，如图虚线所示。在实际水流中，由线，则此线为总水头线，如图虚线所示。在实际水流中，由 于水头损失于水头损失h1-2h1-2的存在，所以总水头线总是沿流程下降的倾的存在，所以总水头线总是沿流程下降的倾 斜线。总水头线沿流程的降低值斜线。总水头线沿流程的降低值h1-2h1-2与沿程长度的比值，称与沿程长度的比值，称 为总水头坡度或水力坡度，它表示沿流程单位长度上的水头为总水头坡度或水力坡度，它表示沿流程单位长度上的水头 损失，用表示，即：损失，用表示，即： ) 2 ( 2 g vp zH l h i w 如果把各过流断面的测压管水头（如果把各过流断面的测压管水头（ ）连成线，如图实）连成

40、线，如图实 线所示，称之为测压管水头线。测压管水头线可能上升，可线所示，称之为测压管水头线。测压管水头线可能上升，可 能下降，也可能水平。能下降，也可能水平。 p z C B A G F E D 测 压 管 测 速 管 总水头线 测压管水头线 1 1 2 2 H1 2 1 v 2g p Z Z H P 1 1 h v 2g 1-2 2 2 2 2 z 00 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 4.1流动阻力与水头损失流动阻力与水头损失 4.1.1沿程阻力与沿程水头损失沿程阻力与沿程水头损失 流动阻力产生的原因流动阻力产生的原因内摩擦内摩擦 由黏性产生，阻止流体层间发生相互运动。由

41、黏性产生，阻止流体层间发生相互运动。 4.1.2局部阻力与局部水头损失局部阻力与局部水头损失 hhh jfw 人们在长期工程实践中发现管人们在长期工程实践中发现管 道沿程阻力与管道的流动速度之间道沿程阻力与管道的流动速度之间 的对应关系有其特殊性。当流速较的对应关系有其特殊性。当流速较 小时，沿程损失与流速一次方成正小时，沿程损失与流速一次方成正 比，并且在这两个区域之间有一个比，并且在这两个区域之间有一个 不稳定区。这一现象，促使英国物不稳定区。这一现象，促使英国物 理学家雷诺于理学家雷诺于18831883年进行了实验。年进行了实验。 紊 流 区 层 流 O c lg 45 lglg c l

42、g lgh n=1.75-2.0 A f B 过 渡 C D A B C D E h1 12 (a) (b) 小 小 (c) CC (d) 大大 （a a）实验装置；（）实验装置；（b b）层流；（）层流；（c c）过渡区；（）过渡区；（d d）紊流）紊流 实验过程中，水箱实验过程中，水箱A A内水位保持不变，使流动处于恒定内水位保持不变，使流动处于恒定 流状态；阀门流状态；阀门B B用于调节流量，以改变平直玻璃管中流速；用于调节流量，以改变平直玻璃管中流速； 容器容器C C内盛有与水相近的颜色水，经细管内盛有与水相近的颜色水，经细管E E流入平直玻流入平直玻 璃管璃管F F中；阀门中；阀门D

43、 D用于控制颜色水的流量。当阀门慢慢打用于控制颜色水的流量。当阀门慢慢打 开，并打开颜色水阀门开，并打开颜色水阀门D D，此时管中的水流速较小，可以看，此时管中的水流速较小，可以看 到玻璃管中有一条线状的颜色水，它与水流不相混合。从这到玻璃管中有一条线状的颜色水，它与水流不相混合。从这 一现象可以看出，在管中流速较小时，管中水流的方向与人一现象可以看出，在管中流速较小时，管中水流的方向与人 们想象中的一样，即水流的方向沿着管道的轴线，管中的液们想象中的一样，即水流的方向沿着管道的轴线，管中的液 体质点均保持直线运动，水流层与层之间互不干扰，这种流体质点均保持直线运动，水流层与层之间互不干扰，这

44、种流 动称为层流。动称为层流。 当阀门当阀门B B逐渐开大，管中的水流流速也相应增大，此时会发逐渐开大，管中的水流流速也相应增大，此时会发 现，在流速增加到某一数值时，颜色水原直线的运动轨迹开现，在流速增加到某一数值时，颜色水原直线的运动轨迹开 始波动，线条逐渐变粗，继续增加流速，则颜色水迅速与周始波动，线条逐渐变粗，继续增加流速，则颜色水迅速与周 围的清水相混合，这表明液体质点的运动轨迹极不规则，各围的清水相混合，这表明液体质点的运动轨迹极不规则，各 层液体相互剧烈混合，产生随机的脉动，这种流动称为紊流。层液体相互剧烈混合，产生随机的脉动，这种流动称为紊流。 水流流速从小变大，沿程阻力曲线的

45、走线为水流流速从小变大，沿程阻力曲线的走线为A B C DA B C D。 若实验时流速由大变小，则上述现象以相反的程序重演，但若实验时流速由大变小，则上述现象以相反的程序重演，但 由紊流转变为层流的流速由紊流转变为层流的流速 ( (下临界流速下临界流速) )要小于层流变为要小于层流变为 紊流的流速紊流的流速 （上临界流速），如图（上临界流速），如图1-131-13所示。沿程阻力所示。沿程阻力 曲线的走线为曲线的走线为 D C AD C A。 e v e v 4.2两种流动形态两种流动形态层流与紊流层流与紊流 1、层流：亦称片流，是指流体质点不互相混杂，流体质点作、层流：亦称片流，是指流体质点

46、不互相混杂，流体质点作 有条不紊的有序的直线运动。有条不紊的有序的直线运动。 特点：有序性。水流呈层状流动，质点作有序的直线运动。特点：有序性。水流呈层状流动，质点作有序的直线运动。 水头损失与流速的一次方成正比。水头损失与流速的一次方成正比。 在流速较小且雷诺数在流速较小且雷诺数Re较小时发生。较小时发生。 层流遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。层流遵循牛顿内摩擦定律，粘性抑制或约束质点作横向运动。 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 2、紊流：亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，、紊流：亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定， 质点相互混掺，流体质点沿

47、很不规则的路径运动。质点相互混掺，流体质点沿很不规则的路径运动。 特点：无序性、随机性、有旋性、混合性。特点：无序性、随机性、有旋性、混合性。 水头损失与流速的水头损失与流速的1.752次方成正比。次方成正比。 在流速较大且雷诺数较大时发生。在流速较大且雷诺数较大时发生。 紊流受粘性和紊动的共同作用。紊流受粘性和紊动的共同作用。 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 思考：城市污水思考：城市污水 管网中的出水口管网中的出水口 （淹没出流）附（淹没出流）附 近的流体流动属近的流体流动属 于于何种何种流流态？态？ 紊流紊流 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 实验进一步表

48、明，同一实验装置的临界流速是不固定的。随实验进一步表明，同一实验装置的临界流速是不固定的。随 着流动的起始条件和实验条件的不同，外界干扰程度不同，着流动的起始条件和实验条件的不同，外界干扰程度不同， 其上临界流速差异很大，但是，其下临界流速却基本不变。其上临界流速差异很大，但是，其下临界流速却基本不变。 在实际工程中，扰动是普遍存在的，上临界流速没有实际意在实际工程中，扰动是普遍存在的，上临界流速没有实际意 义，一般指的临界流速即下临界流速。义，一般指的临界流速即下临界流速。 上述实验观察到两种不同的流态，以及流态与管道流速之间上述实验观察到两种不同的流态，以及流态与管道流速之间 的关系。由雷

49、诺等人的进一步实验表明，流态不仅和断面平的关系。由雷诺等人的进一步实验表明，流态不仅和断面平 均流速均流速 有关，还和管径有关，还和管径d d、液体的粘性、液体的粘性 和密度和密度有关。有关。 即：流态既反映管道中流体的特性，同时也反映管道的特性。即：流态既反映管道中流体的特性，同时也反映管道的特性。 v 4.2.2流态判别雷诺数流态判别雷诺数 将上述四个参数合成一无量纲数（无具体单位），称之为将上述四个参数合成一无量纲数（无具体单位），称之为 雷诺数，用雷诺数，用ReRe表示：表示：Re=du/ 临界雷诺数临界雷诺数: v Re2000 层流层流(滞流滞流)；Re 为为20004000 过渡

50、流；过渡流； Re4000 湍流湍流 v 应该指出，在应该指出，在2103 Re 4103时，可能是层流，也时，可能是层流，也 可能是湍流，是一种不稳定的状态，属于过渡流。可能是湍流，是一种不稳定的状态，属于过渡流。 v 圆管流：圆管流：ReRec=2300为层流；为层流；ReRec=2300紊流紊流 d e c R c 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 液体在流动的过程中，在水流的方向、壁面的粗糙程度、液体在流动的过程中，在水流的方向、壁面的粗糙程度、 过流断面的形状和面积均不变的均匀流段上，产生的流动阻力过流断面的形状和面积均不变的均匀流段上，产生的流动阻力 称为沿程阻力，

51、或称摩擦阻力。沿程阻力的影响造成液体流动称为沿程阻力，或称摩擦阻力。沿程阻力的影响造成液体流动 过程中能量的损失或水头损失，沿程阻力均匀的分布在整个均过程中能量的损失或水头损失，沿程阻力均匀的分布在整个均 匀流流段上，与管段的长度成正比，一般用匀流流段上，与管段的长度成正比，一般用hfhf表示。表示。 另一类阻力，是发生在流动边界有急变的流域中，能量的损另一类阻力，是发生在流动边界有急变的流域中，能量的损 失主要集中在该流域及其附近流域，这种集中发生的能量损失失主要集中在该流域及其附近流域，这种集中发生的能量损失 或阻力称局部阻力或局部损失，由局部阻力造成的水头损失称或阻力称局部阻力或局部损失

52、，由局部阻力造成的水头损失称 为局部水头损失。通常在管道的进口、便截面管道、管道的连为局部水头损失。通常在管道的进口、便截面管道、管道的连 接处等部位，都会发生局部水头损失，一般用接处等部位，都会发生局部水头损失，一般用hj hj表示。表示。 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 蝶阀蝶阀 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 总结：总结：水流阻力与水头损失水流阻力与水头损失 产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。产生流动阻力和能量损失的根源：流体的粘性和紊动。 1.水头损失的两种形式水头损失的两种形式 沿程阻

53、力和沿程水头损失沿程阻力和沿程水头损失 沿程阻力：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流沿程阻力：当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时，流 动阻力只有沿程不变的切应力，该阻力称为沿程阻力。动阻力只有沿程不变的切应力，该阻力称为沿程阻力。 沿程水头损失：由沿程阻力作功而引起沿程水头损失：由沿程阻力作功而引起的的水头损失称为沿程水头损失称为沿程 水头损失。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：液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化，局部阻力：液流因固体边界急剧改变而引起速度分布的变化， 从而产生的阻力称为局部阻力。从而产生的阻力称为局部阻力。 局部水头损失：

54、由局部阻力作功而引起局部水头损失：由局部阻力作功而引起的的水头损失称为局部水头损失称为局部 水头损失。水头损失。 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 特点特点 沿程水头损失沿程水头损失hf：主要由于：主要由于“摩擦阻力摩擦阻力”所引起的，随流程所引起的，随流程 的增加而增加。的增加而增加。 在较长的直管道和明渠中是以在较长的直管道和明渠中是以hf为主的流动。局部阻力水头为主的流动。局部阻力水头 损失损失hj ：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水：主要是因为固体边界形状突然改变，从而引起水 流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及在局部阻力之后，流内部结构遭受破坏，产生漩涡，以及

55、在局部阻力之后， 水流还要重新调整结构以适应新的均匀流条件所造成的。水流还要重新调整结构以适应新的均匀流条件所造成的。 例例“弯头弯头”，“闸门闸门”，“突然扩大突然扩大”等。等。 水头损失的叠加原理水头损失的叠加原理 流段两截面间的水头损失为两截面间的所有沿程损失和所有流段两截面间的水头损失为两截面间的所有沿程损失和所有 局部损失的总和。局部损失的总和。 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 如图如图1-151-15所示的管道流动，其中所示的管道流动，其中abab，bcbc和和cdcd各只有沿程阻各只有沿程阻 力力 ， ， 和是各段的沿程水头损失；管道入口、管截和是各段的沿程水头

56、损失；管道入口、管截 面突变及阀门处产生的局部水头损失，面突变及阀门处产生的局部水头损失， 和和hjchjc是各处的是各处的 局部水头损失。整个管道的水头损失局部水头损失。整个管道的水头损失hwhw等于各段的沿程损失等于各段的沿程损失 和各处的局部损失的总和。和各处的局部损失的总和。 ab f h bc f h cd f h jbjc hh , a bcd 1 1 h a j hf ab h b j fh h c jbc hf cd 1 2g 2 2 2g 2 2 2 2g h = hf+hj 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 4.3均匀流沿程水头损失均匀流沿程水头损失 4.3

57、.1沿程损失与切应力的关系沿程损失与切应力的关系 均匀流基本方程：均匀流基本方程： 4.3.2沿程损失通用公式沿程损失通用公式 通用公式；通用公式； 圆管：圆管： gR L hf 24 2 gd L hf 2 2 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 4.4圆管层流的沿程损失圆管层流的沿程损失 4.4.1断面流速分布特征断面流速分布特征 层流时，速度沿管径按抛物线的规律分布。截面上各点流速层流时，速度沿管径按抛物线的规律分布。截面上各点流速 的平均值的平均值u为管中心最大流速的为管中心最大流速的0.5倍。倍。 4.4.2沿程损失与沿程阻力系数沿程损失与沿程阻力系数 层流时摩擦系数：

58、层流时摩擦系数： 物理意义：圆管层流中，沿程水头损失与断面平均流速的一物理意义：圆管层流中，沿程水头损失与断面平均流速的一 次方成正比，而与管壁粗糙度无关。次方成正比，而与管壁粗糙度无关。 紊流：穆迪图紊流：穆迪图 uum max 2 1 Re 64 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 4.5紊流流动特征紊流流动特征 4.5.1紊流的形成过程紊流的形成过程 紊流的特点：无序性：流体质点相互混掺，运动无序，运动紊流的特点：无序性：流体质点相互混掺，运动无序，运动 要素具有随机性。耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要要素具有随机性。耗能性：除了粘性耗能外，还有更主要 的由于紊动产生附加

59、切应力引起的耗能。扩散性：除分子的由于紊动产生附加切应力引起的耗能。扩散性：除分子 扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散扩散外，还有质点紊动引起的传质、传热和传递动量等扩散 性能。性能。 4.5.4层流底层与紊流流核层流底层与紊流流核 1、粘性底层：粘性底层：圆管作紊流运动时，靠近管壁处存在着一薄层，圆管作紊流运动时，靠近管壁处存在着一薄层， 该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力该层内流速梯度较大，粘性影响不可忽略，紊流附加切应力 可以忽略，速度近似呈线性分布，可以忽略，速度近似呈线性分布， 这一薄层就称为粘性底这一薄层就称为粘性底 层。层。 第第4章章 流动形

60、态与水头损失流动形态与水头损失 说明说明: :粘性底层厚度很薄，一般只有十分之几毫米；粘性底层厚度很薄，一般只有十分之几毫米； 当管径当管径d d相同时，随着液流的流动速度增大，雷诺数相同时，随着液流的流动速度增大，雷诺数 增大，粘性底层变薄。增大，粘性底层变薄。 2、紊流核心：紊流核心：粘性底层之外的液流统称为紊流核心。粘性底层之外的液流统称为紊流核心。 判断：紊流核心的切应力以附加切应力为主，粘性判断：紊流核心的切应力以附加切应力为主，粘性 切应力可以忽略。切应力可以忽略。 对对 第第4章章 流动形态与水头损失流动形态与水头损失 4.5.54.5.5水力光滑壁面与水力粗糙壁面水力光滑壁面与