第一节流体力学基本知识K

1、第一节流体力学基本知识第一节流体力学基本知识一、流体基本物理性质一、流体基本物理性质 一、流体基本物理性质一、流体基本物理性质 流体是液体和气体的总称。流体是液体和气体的总称。流体力学是研流体力学是研究静止流体的力学规律和运动流体的能量究静止流体的力学规律和运动流体的能量转化及能量损失规律的一门学科。转化及能量损失规律的一门学科。在火力在火力发电厂中，不但有很多热力设备的工作与发电厂中，不但有很多热力设备的工作与流体力学有着密切关系，而且在这些设备流体力学有着密切关系，而且在这些设备和管路上还有不少压力计、流量计、测速和管路上还有不少压力计、流量计、测速表等测量仪器，也是根据水力学原理制成表等

2、测量仪器，也是根据水力学原理制成的。的。流体力学流体力学 因此要学好专业课，必须掌握流体力学的因此要学好专业课，必须掌握流体力学的基本知识。流体的静止与运动规律不仅受基本知识。流体的静止与运动规律不仅受到外部条件的制约，同时也与流体自身的到外部条件的制约，同时也与流体自身的物理性质有关。因此下面我们首先介绍一物理性质有关。因此下面我们首先介绍一下流体的基本物理性质，其中包括：下流体的基本物理性质，其中包括：流体流体的流动性、惯性、压缩性、膨胀性和黏滞的流动性、惯性、压缩性、膨胀性和黏滞性。性。流体流动性流体流动性 （一）流体流动性（一）流体流动性 流体的流动性是流体的基本特性。它是在流体的流动

3、性是流体的基本特性。它是在流体流体自身重力或外力作用下自身重力或外力作用下产生的，也是产生的，也是流体容易通过管道输送的原因。流体之所流体容易通过管道输送的原因。流体之所以有这样的特性，是由构成它的分子决定以有这样的特性，是由构成它的分子决定的。的。液体和气体分子间的引力同固体分子液体和气体分子间的引力同固体分子间的引力相比都是很小的间的引力相比都是很小的，这是流体在力，这是流体在力作用下容易产生流动的根本原因。作用下容易产生流动的根本原因。流体流动性流体流动性 液体分子间的引力比气体大，其分子间隙液体分子间的引力比气体大，其分子间隙小，排列紧密，在压力变化不十分大的情小，排列紧密，在压力变化

4、不十分大的情况下，体积基本保持不变，况下，体积基本保持不变，所以液体称为所以液体称为不可压缩流体；不可压缩流体；气体则不然，分子间间隙气体则不然，分子间间隙大而且松散，在压力变化不大的情况下，大而且松散，在压力变化不大的情况下，体积就有明显的变化，所以体积就有明显的变化，所以气体称为可压气体称为可压缩流体。缩流体。本书讲述的是不可压缩流体。本书讲述的是不可压缩流体。流体质量流体质量 （二）流体质量（二）流体质量 流体质量与惯性物体的质量是指物体所含物质的流体质量与惯性物体的质量是指物体所含物质的多少，物体所含物质越多，其质量越大，所含物多少，物体所含物质越多，其质量越大，所含物质越少，其质量也

5、就越小。物体的质量与惯性有质越少，其质量也就越小。物体的质量与惯性有一定的关系：物体质量越大，惯性越大；物体质一定的关系：物体质量越大，惯性越大；物体质量越小，则惯性也越小。物体受力后运动状态要量越小，则惯性也越小。物体受力后运动状态要发生变化，发生变化，改变物体运动状态的难易程度说明物改变物体运动状态的难易程度说明物体惯性的大小，体惯性的大小，物体受力后容易改变运动状态，物体受力后容易改变运动状态，说明它惯性小，反之，惯性就大。说明它惯性小，反之，惯性就大。作用力、质量与加速度作用力、质量与加速度 力是使物体运动状态改变的原因，力是使物体运动状态改变的原因，即产生加速度的原因。对一定质量即产

6、生加速度的原因。对一定质量的物体，对它施加的作用力越大，的物体，对它施加的作用力越大，则产生的加速度也越大；则产生的加速度也越大；当加速度当加速度一定时，质量越大，则所需的作用一定时，质量越大，则所需的作用力也越大。力也越大。作用力、质量与加速度作用力、质量与加速度的关系如下的关系如下加速度的含义加速度的含义 加速度的含义是，一个运动加速度的含义是，一个运动的物体每秒钟内产生的速度的物体每秒钟内产生的速度变化量。变化量。 比如一个运动物体每秒速度比如一个运动物体每秒速度的的 小面积上的真实静压力，称此压力为点静小面积上的真实静压力，称此压力为点静压力。压力。绝对压力与表压力绝对压力与表压力 （

7、三）绝对压力与表压力（三）绝对压力与表压力 容器内介质压力有的高于大气压力，有的容器内介质压力有的高于大气压力，有的低于大气压力。介质压力高于大气压的称低于大气压力。介质压力高于大气压的称正压，低于大气压的称负压。在火力发电正压，低于大气压的称负压。在火力发电厂中，处于正压下工作的设备有锅炉汽包、厂中，处于正压下工作的设备有锅炉汽包、蒸汽管路、给水管路等；蒸汽管路、给水管路等；处于负压下工作处于负压下工作的设备有负压燃烧炉膛、吸风机前烟道及的设备有负压燃烧炉膛、吸风机前烟道及制粉系统、凝汽器等制粉系统、凝汽器等。绝对压力绝对压力 压力按压力基准不同分为绝对压力与表压压力按压力基准不同分为绝对压

8、力与表压力。力。 绝对压力是指容器内完全没有压力时作为绝对压力是指容器内完全没有压力时作为压力起点算起的压力，记为压力起点算起的压力，记为 Pj ；而表压力；而表压力是以大气压力为起点算起的压力，记为是以大气压力为起点算起的压力，记为 Pb 。所以表压力是指高于或低于大气压力的压所以表压力是指高于或低于大气压力的压力。前者数值为正，后者数值为负。负压力。前者数值为正，后者数值为负。负压有时称真空，有时称真空，如凝汽器真空。如凝汽器真空。h小于汽包中液位高小于汽包中液位高 h 上式说明，在液面作用压力相同的情上式说明，在液面作用压力相同的情况下，况下，液体密度与液柱高成反比液体密度与液柱高成反比

9、。由。由于水位计及连通管散热较强，于水位计及连通管散热较强，水位计水位计内的水温比汽包内的水温低，水位计内的水温比汽包内的水温低，水位计中水的密度比汽包中水的密度大中水的密度比汽包中水的密度大，故，故水位计的液位高水位计的液位高 h小于汽包中液位小于汽包中液位高高 h 。管子中心线处管子中心线处 流体运动时，液体中每一点的压力流体运动时，液体中每一点的压力 p 和流和流速速 u ，反映了流体各点的运动情况。因此，反映了流体各点的运动情况。因此，压力和流速是液体运动压力和流速是液体运动的基本要素。的基本要素。 如图如图 1 一一 14 所示，一根粗细不均的排水管，所示，一根粗细不均的排水管，在粗

10、细不同的管段上装上测压管。在粗细不同的管段上装上测压管。当液体当液体静止时，测压管指示高度相同，静止时，测压管指示高度相同，这时完全这时完全符合静力学基本规律。符合静力学基本规律。管子中心线处管子中心线处 但在容器内水位不变的条件下，水由排出但在容器内水位不变的条件下，水由排出管向外流出时，其测压管高度发生变化，管向外流出时，其测压管高度发生变化，粗处的测压管水柱高，而细处测压管水柱粗处的测压管水柱高，而细处测压管水柱低。低。这说明管子中心线处的压力流速都不这说明管子中心线处的压力流速都不一样，压力是粗处大，细处小，而流速是一样，压力是粗处大，细处小，而流速是粗处小，细处大。粗处小，细处大。这

11、说明流体的运动要素这说明流体的运动要素反映了流体运动的基本情况。反映了流体运动的基本情况。液体是有黏性液体是有黏性 实际液体是有黏性的，因此在圆管半径上实际液体是有黏性的，因此在圆管半径上不同点的流速是不一样的。不同点的流速是不一样的。对流体某一点对流体某一点来说的流速称为点流速，来说的流速称为点流速，记作记作u。液体在。液体在管内点流速的变化规律是这样的：紧挨着管内点流速的变化规律是这样的：紧挨着管壁的液体黏附在管壁上，其流速为零，管壁的液体黏附在管壁上，其流速为零，在管子半径上的各点随液体远离管壁而接在管子半径上的各点随液体远离管壁而接近轴心时，流速不断增加，至管子轴心处近轴心时，流速不断

12、增加，至管子轴心处流速达最大值流速达最大值 u max u u max平均流速平均流速 在实际工作中，为了计算方便常引用平均在实际工作中，为了计算方便常引用平均流速的概念。流速的概念。流体在流过横断面时，其各流体在流过横断面时，其各点都具有相同的流速，在这个流速下，所点都具有相同的流速，在这个流速下，所流过的流量与同一断面各点以实际流速流流过的流量与同一断面各点以实际流速流动时所流过的流量相当，这个流速称平均动时所流过的流量相当，这个流速称平均流速。流速。记为单位为米每秒（记为单位为米每秒（m s ）。体）。体积流量积流量 qv 等于平均流速与管子横断面等于平均流速与管子横断面 A 之积，即之

13、积，即理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程 上式就是理想液体的伯努利方程式。上式就是理想液体的伯努利方程式。 由图由图 l 一一 18 可看出，因所取两个断面大小可看出，因所取两个断面大小不同，位置高度不等，它们的压力能头、不同，位置高度不等，它们的压力能头、速度能头和位置能头也不相同。速度能头和位置能头也不相同。当水平管当水平管道断面积减小时，该断面的速度能头就要道断面积减小时，该断面的速度能头就要增加，压力能头就会相应地减少。增加，压力能头就会相应地减少。反之，反之，当管道断面积增加时，该断面的速度能头当管道断面积增加时，该断面的速度能头就会减少，而压力能头要相应地增大。不就会减少，而

14、压力能头要相应地增大。不管这三种能头如何转化，管这三种能头如何转化，但其总和却是一但其总和却是一个常数个常数。实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程 2 实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程 理想液体在管子任一断面处各点的流速都理想液体在管子任一断面处各点的流速都是相同的，而实际液体由于有粘性，在断是相同的，而实际液体由于有粘性，在断面上各点的流速是不同的。在研究实际管面上各点的流速是不同的。在研究实际管路问题时，总是取用平均流速，那么某断路问题时，总是取用平均流速，那么某断面的平均流速的速度能头与该断面上各点面的平均流速的速度能头与该断面上各点的速度能头的算术平均值是怎样的关系呢？的速

15、度能头的算术平均值是怎样的关系呢？这里可以直接给出它们的关系，即这里可以直接给出它们的关系，即重要的能量方程式重要的能量方程式 这是一个非常这是一个非常重要的能量方程式重要的能量方程式，它是用，它是用来解决不可压缩流体、没有惯性力参加的来解决不可压缩流体、没有惯性力参加的稳定流问题。对于气体，当温度、压力变稳定流问题。对于气体，当温度、压力变化不大，密度变化很小时，也可以使用这化不大，密度变化很小时，也可以使用这个能量方程式。在使用能量方程式时要注个能量方程式。在使用能量方程式时要注意以下几个问题：意以下几个问题： 、采用同一压力基准，即采用表压力或、采用同一压力基准，即采用表压力或绝对压力，

16、单位要统一。绝对压力，单位要统一。 注意问题注意问题 、所、所选取的横断面要位于等径直管段选取的横断面要位于等径直管段部部分，不能选在管子突然变粗（细）、转弯分，不能选在管子突然变粗（细）、转弯等部位，以避免惯性力产生，至于两断面等部位，以避免惯性力产生，至于两断面间是否有惯性力产生不予考虑。间是否有惯性力产生不予考虑。 、所选基准面应以简化方程为原则所选基准面应以简化方程为原则。对。对水平管段，选取的基准面要经过管子中心水平管段，选取的基准面要经过管子中心线，对非水平管段，所选基准面应通过线，对非水平管段，所选基准面应通过较较低断面的中心点。低断面的中心点。虹吸虹吸 3 虹吸虹吸 如图如图

17、1 一一 22 所示，将高位容器装满水，再所示，将高位容器装满水，再将将 U 形管充满水，并用手堵住短管侧管口，形管充满水，并用手堵住短管侧管口，放入高位容器的水中，放开手后水自动从放入高位容器的水中，放开手后水自动从高位容器高位容器 A 流入低位容器流入低位容器 B。这种水越过这种水越过高位容器液面而流向低位容器的现象，称高位容器液面而流向低位容器的现象，称虹吸。虹吸。取高位液面取高位液面 1 一一 1 低位液面低位液面 0 0 为基准面，下面分析一下为基准面，下面分析一下产生虹吸流动的水流动力。列方程产生虹吸流动的水流动力。列方程管道流动阻力管道流动阻力 Pg 显然这是一个最大的理想高度，

18、实际上由于液显然这是一个最大的理想高度，实际上由于液体在一定温度下具有一定的饱和汽压，管路又有体在一定温度下具有一定的饱和汽压，管路又有各种阻力损失及流速不能为零，各种阻力损失及流速不能为零，所以虹吸高度一所以虹吸高度一般只有般只有 6 7m 。 四、四、管道流动阻力电厂的机炉车间，布置着纵横管道流动阻力电厂的机炉车间，布置着纵横交错的各种管道，里面流动着汽、水、风、油等。交错的各种管道，里面流动着汽、水、风、油等。这些流体在管道中流动，总要产生能量损失，这些流体在管道中流动，总要产生能量损失，它它导致流体随管道流程的增长不断产生压力下降，导致流体随管道流程的增长不断产生压力下降，特别是流经弯

19、头、阀门、缩孔等管道附件之后，特别是流经弯头、阀门、缩孔等管道附件之后，压力下降得尤为显著。压力下降得尤为显著。沿程阻力损失沿程阻力损失 这种压力下降称为流体管道阻力损失。通这种压力下降称为流体管道阻力损失。通常把管道产生的阻力损失分为两部分：沿常把管道产生的阻力损失分为两部分：沿程阻力损失和局部阻力损失。程阻力损失和局部阻力损失。 （一）（一）沿程阻力损失沿程阻力损失 沿程阻力是流体运动时，由于液体质点与沿程阻力是流体运动时，由于液体质点与管壁、液体质点之间存在着相对运动而产管壁、液体质点之间存在着相对运动而产生摩擦，因而造成能量损失。沿程能头损生摩擦，因而造成能量损失。沿程能头损失计算式如

20、下失计算式如下1 流体沿程阻力的影响因素流体沿程阻力的影响因素 ( l ）流体运动状态：流体运动状态：流体运动状态是流体运动状态是表明流体质点运动特性的。流体的不表明流体质点运动特性的。流体的不同运动状态有不同的运动特性。流体同运动状态有不同的运动特性。流体的运动状态有两种：的运动状态有两种：层流运动状态和层流运动状态和紊流运动状态。紊流运动状态。层流运动，是指流体层流运动，是指流体运动时，流体质点只沿管子作轴向运运动时，流体质点只沿管子作轴向运动。动。紊流运动紊流运动 紊流运动，是指流体运动时，紊流运动，是指流体运动时，流体流体质点不仅沿管子作轴向运动，同时质点不仅沿管子作轴向运动，同时还作

21、横向运动。还作横向运动。为了分析和计算上为了分析和计算上的需要，我们需要掌握判定流体运的需要，我们需要掌握判定流体运动状态的方法。通过大量的实验得动状态的方法。通过大量的实验得出判定流体运动状态的计算式如下出判定流体运动状态的计算式如下 画图( 2 ）管子粗糙度）管子粗糙度 任何管子，由于材料、加工及腐蚀等因素任何管子，由于材料、加工及腐蚀等因素的影响，管子壁面总是凹凸不平的。的影响，管子壁面总是凹凸不平的。管壁管壁的平均突出高度的平均突出高度称为管壁的绝对粗糙度。称为管壁的绝对粗糙度。电厂汽水管道的绝对粗糙度见表电厂汽水管道的绝对粗糙度见表 1 一一 3 。绝对粗糙度绝对粗糙度与管径与管径

22、d 之比，称为相对粗之比，称为相对粗糙度；管径糙度；管径 d 与绝对粗糙度与绝对粗糙度之比，称为之比，称为相对光滑度。显然，相对光滑度越高，管相对光滑度。显然，相对光滑度越高，管子内壁面越光滑。子内壁面越光滑。管壁的粗糙度 1、绝对粗糙度 ：管壁突出峰的平均高度mm 2、相对粗糙度 /d (管子内径mm)影响直管流动能量损失因素 热量交换损失热量交换损失 摩擦损失摩擦损失 运动黏度运动黏度=动力黏度动力黏度/密度密度 雷诺数：流体惯性力与黏度之比雷诺数：流体惯性力与黏度之比 分子微粒碰撞分子微粒碰撞五、压力管道中的水锤五、压力管道中的水锤 液体在压力管道中流动时，由于阀门的突液体在压力管道中流动时，由于阀门的突然关闭、开启或水泵突然停止而造成管道然关闭、开启或水泵突然停止而造成管道中水压力反复急剧的变化并迅速衰减的现中水压力反复急剧的变化并迅速衰减的现象，称为水锤。象，称为水锤。在管道上，由于阀门迅速在管道上，由于阀