流体力学泵及风机-第1章

1、流体力学泵与风机流体力学泵与风机滕广平1第一部分第一部分流体力学流体力学第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 流体静力学流体静力学第三章第三章 一元流体动力学基础一元流体动力学基础第四章第四章 流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失第五章第五章 孔口管嘴管路流动孔口管嘴管路流动23第一章第一章 绪绪 论论 1.1 1.1 认识流体力学认识流体力学 1.21.2 作用在流体上的力作用在流体上的力 1.31.3 流体流体的主要的主要力学力学性质性质 1.4 1.4 流体的力学模型流体的力学模型41.11.1 认识流体力学认识流体力学固态固态、液态和气态、液态和气态流体与固体的区别流体与固体的区别 具有

2、具有流动性流动性的物体是流体（即能够流动的物体）的物体是流体（即能够流动的物体）。 液体和气体是液体和气体是流体流体固体静止时固体静止时既能承受压力，也能承受拉力与剪切力既能承受压力，也能承受拉力与剪切力 ；流体只能承受压力，一般不能承受拉力，流体只能承受压力，一般不能承受拉力，任何一个任何一个 微小的剪切力都能使流体发生连续的变形微小的剪切力都能使流体发生连续的变形。研究流体在静止与运动状态下的力学规律及其工程应用的研究流体在静止与运动状态下的力学规律及其工程应用的学科（研究对象、内容及目的）学科（研究对象、内容及目的）： 液体的流动性小于气体；液体的流动性小于气体；气体易于压缩；而液体难于

3、压缩气体易于压缩；而液体难于压缩 ；液体具有一定的体积，并取决于容器的形状，液体具有一定的体积，并取决于容器的形状，存在一存在一个自由液面个自由液面；气体充满任何容器，而无一定体积；气体充满任何容器，而无一定体积，不，不存在自由液面存在自由液面。 两者均具有易流动性，即在任何微小切应力作用下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连续变形或流动，故二者统称为流体。都会发生连续变形或流动，故二者统称为流体。流动性流动性-在任意微小剪切力作用下会发生连续变形的在任意微小剪切力作用下会发生连续变形的 特性特性 流动性是区别流体和固体的基本力学特征，是便于用流动性是区别流体和固体的基本力学

4、特征，是便于用管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工作介质的主管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工作介质的主要原因。要原因。5四、流体的分类四、流体的分类流体分为牛顿流体和非牛顿流体流体分为牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体：指在受力后极易变形，且切应力与变形速率牛顿流体：指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。成正比的低粘性流体。非牛顿流体：是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即非牛顿流体：是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。 水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶水、酒精等大多数

5、纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。非牛顿流体广泛液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。非牛顿流体广泛存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属存在于生活、生产和大自然之中。绝大多数生物流体都属于现在所定义的非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液于现在所定义的非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像红细胞那样的等多种体液，以及像红细胞那样的“半流体半流体”都属于非牛都属于非牛顿流体。顿流体。本课程讲述的是牛顿流体本课程讲述的是牛顿流体6五、生活中的流体力学五、生活中的流体力学 水往低处流水往低处流司马光砸缸；司马光砸缸；风平浪静，无风不起浪；微风

6、吹拂，微波荡漾；大风风平浪静，无风不起浪；微风吹拂，微波荡漾；大风 大浪；狂风大作，波浪滔天大浪；狂风大作，波浪滔天 ； 高尔夫球的粗糙表面；高尔夫球的粗糙表面；足球的弧圈球，乒乓球的旋球技术足球的弧圈球，乒乓球的旋球技术 ； 飞机之所以能起飞；飞机之所以能起飞；两张纸相吸的实验两张纸相吸的实验 ；风案、船案风案、船案-“流体力学流体力学”断案。断案。认识的形象化、具体化认识的形象化、具体化学以致用，善于利用，趋利避害。学以致用，善于利用，趋利避害。汽车的形状进化汽车的形状进化 ；71 1高尔夫球：表面光滑还是粗糙？高尔夫球：表面光滑还是粗糙？ 高尔夫球运动起源于高尔夫球运动起源于15世纪的苏

7、格兰，当时人们认世纪的苏格兰，当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球。 最早的高尔夫球（皮革已龟裂最早的高尔夫球（皮革已龟裂) ) 8 后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远，这个谜直到直到2020世纪建立流体力学边界层理论后才解开。世纪建立流体力学边界层理论后才解开。 (请注意球表面) 现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的飞行距离为光滑球的5 5倍。倍。 92 2汽车阻力：来自前部还是后部？汽车阻力：来自前部

8、还是后部？ 汽车发明于汽车发明于1919世纪末，当时人们认为汽车的阻力主世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数（的，称为箱型车，阻力系数（C CD D）很大，约为）很大，约为0.80.8。 实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力 10 20世纪世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。 20世纪世纪5060年代改进为船型，阻力系数为年代改进为船型

9、，阻力系数为0.45。 11 80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为为0.3， 以后进一步改进为楔型，阻力系数为以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.20.2。 经过近经过近8080年的研究改进，汽车阻力系数从年的研究改进，汽车阻力系数从0.80.8降至降至0.1370.137，阻，阻力减小为原来的力减小为原来的1/5 1/5 。 目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，目前，在汽车外形设计中流体力学性能研究已占主导地位，合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的耗油率。合理的外形使汽车具有更好的动力学性能和更低的

10、耗油率。 123 3足球的香蕉球现象足球的香蕉球现象 足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论。足球的香蕉球现象可帮助理解环量理论。 旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应马格努斯效应。 伯努利原理伯努利原理134 4机翼升力：来自下部还是上部？机翼升力：来自下部还是上部？ 人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟人们的直观印象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中。托在空中。 1919世纪初建立的流体力学环量理论彻底改变了人们的世纪初建立的流体力学环量理论彻

11、底改变了人们的传统观念。传统观念。 机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量，上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成形成速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成形成升力。升力。 14测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部要大。测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部要大。 155、风案、船案、风案、船案-“流体力学流体力学”断案。断案。 事情发生在事情发生在1982年的美国纽约。一位叫玛莎的女经济学家年的美国纽约。一位叫玛莎的女经济学家刚从一座高楼的大门走出，就被突然而来的一阵狂风吹倒而摔伤刚从一座高楼的大门走出，就被突然而来的一阵

12、狂风吹倒而摔伤了肩膀。一气之下，她向纽约市法院提出诉讼，状告这座大楼的了肩膀。一气之下，她向纽约市法院提出诉讼，状告这座大楼的建筑承包商和业主。大多数人以为玛莎的这一举动是无理取闹，建筑承包商和业主。大多数人以为玛莎的这一举动是无理取闹，肯定要被法院驳回。肯定要被法院驳回。 谁知流体力学帮了这位经济学家的忙，玛莎谁知流体力学帮了这位经济学家的忙，玛莎最终获得了胜利，这便是著名的最终获得了胜利，这便是著名的“风案风案”。 历史上还发生过三起著名的历史上还发生过三起著名的“船案船案”。不幸的是三位无辜的。不幸的是三位无辜的船长均被错误地判了重刑。一次是在本世纪初，法国舰队在地中船长均被错误地判了重

13、刑。一次是在本世纪初，法国舰队在地中海演习时，排水量为海演习时，排水量为11395吨的吨的“勃林奴斯勃林奴斯”号装甲旗舰用旗语召呼号装甲旗舰用旗语召呼一艘驱逐舰前来。当这艘驱逐舰高速开来在接近一艘驱逐舰前来。当这艘驱逐舰高速开来在接近“勃林奴斯勃林奴斯”号右号右侧不远的地方，突然改变方向，一个急转弯撞在装甲旗舰的船头侧不远的地方，突然改变方向，一个急转弯撞在装甲旗舰的船头上，前者当即被后者劈成两半而沉没了。上，前者当即被后者劈成两半而沉没了。 另一次发生于另一次发生于1942年年10月。一艘排水量为月。一艘排水量为81000吨，长吨，长314米米的的“玛丽皇后玛丽皇后”号运兵船，满载着号运兵船

14、，满载着15000名美国兵，由巡洋舰名美国兵，由巡洋舰“寇拉寇拉沙阿沙阿”号和另外号和另外6艘驱逐舰护航。在它们并列航行中，艘驱逐舰护航。在它们并列航行中， “寇拉沙阿寇拉沙阿”号突然急转弯，与运兵船的船头相撞，号突然急转弯，与运兵船的船头相撞， “寇拉沙阿寇拉沙阿”号被劈为两半。号被劈为两半。165、风案、船案、风案、船案-“流体力学流体力学”断案。断案。 第三次撞船事故发生在第三次撞船事故发生在1912年秋天。当时世界上最大的邮年秋天。当时世界上最大的邮轮轮“奥林匹克奥林匹克”号，在大海航行中与一艘比它小得多的铁甲巡洋号，在大海航行中与一艘比它小得多的铁甲巡洋舰舰“哈克哈克”号平行地疾驶着

15、。突然，小船似乎号平行地疾驶着。突然，小船似乎“服从着一种不可服从着一种不可见的力量见的力量”，竟扭转船头对准大船冲来，结果与邮轮的右舷相撞，竟扭转船头对准大船冲来，结果与邮轮的右舷相撞，两条船都受了重伤。与另两起海上事故一样，这起两条船都受了重伤。与另两起海上事故一样，这起“撞船官司撞船官司”也是由当时的海事法庭审理。法院的判决书说，也是由当时的海事法庭审理。法院的判决书说，“奥林匹克奥林匹克”号号的船长犯了严重过失，因为他没有向其部下发布任何命令，给横的船长犯了严重过失，因为他没有向其部下发布任何命令，给横冲过来的冲过来的“哈克哈克”号让路。号让路。 按照流体力学的观点，这样的判决纯属无理

16、。当然，我们也按照流体力学的观点，这样的判决纯属无理。当然，我们也不能责怪法官，因为在当时，船在大海里平行前进会发生互相吸不能责怪法官，因为在当时，船在大海里平行前进会发生互相吸引而产生碰撞事故，尚未引起科学家的重视。引而产生碰撞事故，尚未引起科学家的重视。17五、流体力学的研究方法五、流体力学的研究方法1. 1. 理论方法理论方法 理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基理论分析的一般过程是：建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。验和解释求解结果。 理论分析结果能揭示流动的内在规律，

17、具有普遍适用理论分析结果能揭示流动的内在规律，具有普遍适用性，但分析范围有限。性，但分析范围有限。 理论基础：理论基础：1、质量守恒原理质量守恒原理 2、能量守恒原理、能量守恒原理 3、动量定理、动量定理 4、牛顿三大定律、牛顿三大定律182. 2. 实验方法实验方法 实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模实验研究的一般过程是：在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析拟实验系统，用流体测量技术测量流动参数，处理和分析实验数据。实验数据。 典型的流体力学实验有：典型的流体力学实验有：风洞实验、水洞实验、水池实验风洞实验、水洞实验、水池实验等。等。 测量技

18、术有：测量技术有：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量摄影；全息照相；压力、密度测量等。等。 现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空现代测量技术在计算机、光学和图像技术配合下，在提高空间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。间分辨率和实时测量方面已取得长足进步。 实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。理论结果等，但结果的普适性较差。 19 数值研究的一般过程是：对流体力学数学方程作简化和数数值研究的一般过程是：对

19、流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。 常用的方法有：常用的方法有：有限差分法、有限元法、有限体积法、边界有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法元法、谱分析法等。等。 计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流计算的内容包括：飞机、汽车、河道、桥梁、涡轮机等流场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工场计算；湍流、流动稳定性、非线性流动等数值模拟。大型工程计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。程计算软件已成为研究工程流动问题的有力武器。 数值方法的优点是能计

20、算理论分析方法无法求解的数学方数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。l l 三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。 3. 数值方法数值方法20211.2 作用在流体上的力一、质量力一、质量力 质量力是作用于流体的每一个质点上的力质量力是作用于流体的每一个质点上的力 对于均质流体，质量力与体积成正比，又称体对于均质流体，质量力与体积成正比，又称体积力

21、或超距力积力或超距力 质量力包括重力和惯性力质量力包括重力和惯性力 单位质量所受到的质量力称为单位质量力，用单位质量所受到的质量力称为单位质量力，用f 表示表示 对于均质流体对于均质流体 单位质量重力（X，Y，Z）=（0，0，-g) 单位质量惯性力FfXiYjZkmmafam1.2 作用在流体上的力二、表面力二、表面力 表面力是作用在流体表面或截面上且与作用面的面积成表面力是作用在流体表面或截面上且与作用面的面积成正比的力，表面力又称面积力或接触力正比的力，表面力又称面积力或接触力 表面力包括压力和切力表面力包括压力和切力 作用于单位面积上的压力称为压强，以作用于单位面积上的压力称为压强，以p

22、表示表示 作用于单位面积上的切力称为切应力，以表示 压强和切应力的单位：N/m2（Pa），kN/m2（kPa）PpAA0limAdAdA 220dlimdAPPpAA 231.31.3 流体流体的主要的主要力学力学性质性质一、惯性一、惯性 惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质惯性是物体保持其原有运动状态的一种性质 表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为表示惯性大小的物理量是质量，质量的单位为g或或kg 水的密度水的密度 =1000/m3 水银的密度水银的密度 =13.61000/m3均质流体的密度非均质流体的密度物体反抗改变原有运动状态而作用于其他物体上的反作用力称为惯性力mV0limVm

23、dmVdV二、重力特性二、重力特性 地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用地球对地球表面附近物体的引力称为重力。用G表示，重力的大小称为重量表示，重力的大小称为重量 G=mg 重量的单位为重量的单位为N，kN 1N=1m/s2 单位体积的重量是单位体积的重量是容重容重 =g24三、粘滞性三、粘滞性 流体具有流动性流体具有流动性 流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质流动性是流体受切力作用发生连续变形的性质 这种变形亦称为剪切变形这种变形亦称为剪切变形 流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流流体在流动状态下抵抗剪切变形的性质称为流体的粘（滞）性体的粘（滞）性 或者说流体内部质点间或流层间因

24、相对运动而或者说流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力（内力）以反抗相对运动的性质产生内摩擦力（内力）以反抗相对运动的性质称为流体的粘（滞）性称为流体的粘（滞）性2526牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 实验证明内摩擦力实验证明内摩擦力T T与两流层间速度差与两流层间速度差dudu和流和流层的接触面积层的接触面积A A成正比，与流层间距离成正比，与流层间距离dydy成反成反比，与流体的种类有关，与流体的压力大小无比，与流体的种类有关，与流体的压力大小无关关dydudyduAT , 动力粘滞系数动力粘滞系数 ，单位：，单位：Ns/m2。 运动粘滞系数运动粘滞系数，单位：为，单位：为m2/s

25、流体的运动粘度和动力粘度圆管流圆管流 粘性表象粘性表象平板间流动平板间流动圆管内流动圆管内流动27 速度梯度是速度沿垂直于速度方向y的变化率，单位s-1.tandudtdddyduddydtdudtdyuu+dud28可以看出，速度梯度就是直角变形速度，这个直角变形速度是在切应力的作用下发生的，所以，也称剪切变形速度。 粘度的影响因素粘度的影响因素 1）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的）流体种类。一般地，相同条件下，液体的粘度大于气体的 粘度。粘度。 2）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， 值随压强的变化值随压强的变化 不大，一般可忽略不计

26、。不大，一般可忽略不计。 3）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘）温度。是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘 度减小，气体的粘度增加。度减小，气体的粘度增加。a.液体：内聚力是产生粘度的主要因素，当温度升高， 分子间距离增大，吸引力减小，因而使剪切变形速度 所产生的切应力减小，所以值减小。 b.气体：气体分子间距离大，内聚力很小，所以粘度主 要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度 升高，分子运动加快，动量交换频繁，所以值增加。29粘滞性产生的原因：粘滞性产生的原因：水和空气的粘滞系数30温度T()水水的动力粘度（10-3Ns/m2）水水的运动粘度（10-6m2/

27、s）空气空气的动力粘度（10-3Ns/m2）空气空气的运动粘度（10-6m2/s）05101520253035401.7921.5191.3081.1001.0050.8940.8010.7230.6561.7921.5191.3081.1411.0070.8970.8040.7270.6610.01720.01780.01830.01870.019213.714.715.716.617.600.40.81.21.62020406080100120T ( C)62 (10/ )ms31水的运动粘度与温度的关系32 例 题例1-1 两平行平板间隙=1cm，水温为20，下板固定不动，上板以u=2m

28、/s的速度向右运动。设流速沿间隙按线性分布。试求：（1）切应力（2）薄板的面积为2m2，薄板的拖曳力。（1）查表得=1.00510-3Ns/m2 （2）F=T=A=0.2012=0.402N33dudyuy0u3201.005 100.0120.201/Nm解：例例1-2 气缸内壁的直径气缸内壁的直径D=12cm，活塞的直径，活塞的直径d=11.96cm，活塞的长度，活塞的长度l=14cm，活塞往复运，活塞往复运动的速度为动的速度为1m/s，润滑油液的，润滑油液的=1P(1P=0.1Pa s)，试问作用在活塞上的粘滞力为多少？，试问作用在活塞上的粘滞力为多少？解：解：2N/m 5002/ )1

29、196. 012. 0(11 . 02/ )(dDudyduN 5 .2650014. 01196. 014. 3dlAT34四、压缩性和热胀性四、压缩性和热胀性压缩性：压缩性：T不变时，不变时，P增大，增大，V随之减小的性质。随之减小的性质。热胀性：热胀性：P不变，不变，T升高时，升高时，V增大的性质增大的性质。 1、液体的压缩性和热胀性、液体的压缩性和热胀性 体积压缩系数体积压缩系数E 的单位为N/m2液体的压缩性很小，一般可将水作为不可压缩液体处理 的单位为m2/N 体积弹性模量pVVpd/dd/dVVppE/dd/dd135 液体的热胀系数液体的热胀系数2、气体的压缩性和热胀性 气体具有显著的压缩性和热胀性TTVVd/dd/dRTp 当气体运动速度小于一定的数值时，可不考虑其压缩性。 当速度为68m/s 时，密度变化为1%；当速度为150m/s 时， 密度变化为10%36例例1-3 已知压强为已知压强为1at (98.07kN/m2)，0oC时的烟时的烟气容重为气容重为13.13N/m3