建筑设备工程第2章--流体动力学基础知识课件

1、第2章 流体动力学基础知识 2.1流体运动的基本概念2.2流动阻力和水头损失2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介 思考题及习题2.1流体运动的基本概念1.压力流与无压流(1)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。(2)无压流流体在重力作用下流动时,流体的部分周界与固体壁相接触,部分周界与气体相接触,形成自由表面。2.恒定流与非恒定流(1)恒定流流体运动时,流体中任一位置的压强、流速等运动要素不随时间的变化而变化的流动称为恒定流动,如图2-1a所示。(2)非恒定流流体运动时,流体中任一位置的运动要素如压强、流速等随时间变化而变动的流动称为非恒定流动,如图2-1b

2、所示。自然界中流体都是非恒定流,工程中多将其取为恒定流。2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.1流体运动的基本概念2.恒定流与非恒定流2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.1流体运动的基本概念3.流线与迹线(1)流线流体运动时,在流速场中画出某时刻的一条空间曲线,它上面所有流体质点在该时刻的流速矢量都与这条曲线相切,这条曲线就称为该时刻的一条流线。(2)迹线流体运动时,流体中某一个质点在连续时间内的运动轨迹称为迹线。4.均匀流与非均匀流(1)均匀流流体运动时,流线是平行直线的流动称为均匀流。(2)非均匀流流体运动时,流线不是平行直线的流动称为非均匀流。非均匀流又可分为渐变流和急变流,流

3、体运动中流线几乎近于平行直线的流动称为渐变流,如图2-2中A所示;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2-2中的B、C、D所示。2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.1流体运动的基本概念4.均匀流与非均匀流2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.1流体运动的基本概念5.元流、总流(1)元流流体运动时,在流体中取一微小面积dA,并在dA面积上各点引出流线并形成了一股流束称为元流。(2)总流流体运动时,无数元流的总和称为总流,如图2-3所示。6.过流断面、流量与断面平均流速(1)过流断面流体运动时,与元流或总流全部流线正交的横断面称为2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.

4、1流体运动的基本概念6.过流断面、流量与断面平均流速过流断面,用dA或A表示,单位为m2或cm2,如图2-4所示。(2)流量流体运动时,单位时间内通过过流断面的流体体积称为体积流量,用符号qV表示,单位是m3/s或L/s。一般流量指的是体积流量,但有时也引用质量流量,用符号qm表示,它表示单位时间内通过过流断面2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.1流体运动的基本概念6.过流断面、流量与断面平均流速的流体质量,单位为kg/s。(3)断面平均流速断面平均流速指断面上各点流速的平均值。因此,过流断面面积A乘以断面平均流速v所得到的流量,等于实际流速通过该断面的流量,即显然,断面平均流速计算式为

5、2.1.1流体运动的基本原理与运动分类2.1流体运动的基本概念1.恒定流的连续性方程式在恒定总流中任取一元流,应用质量守恒定律,流进1-1断面的质量必然等于流出2-2断面的质量。因此,质量流量连续性方程式为1qV1=2qV2(2-3)或1A1v1=2A2v2(2-4)式中密度(kg/m3);A总流过流断面面积(m2);v总流的断面平均流速(m/s);qV总流的流量(m3/s)。由于重度=g,同一地区重力加速度g又相同,故1qV1=2qV2(2-5)或1A1v1=2A2v2(2-6)2.1.2流体运动的基本方程2.1流体运动的基本概念1.恒定流的连续性方程式或G1=G2(2-7)式中重度(N/m

6、3);G重力流量(N/s)。式(2-5)式(2-7)是总流重力流量的连续性方程式。当流体不可压缩时,流体的重度不变,故qV1=qV2(2-8)或A1v1=A2v2(2-9)式(2-8)和式(2-9)是不可压缩流体的总流连续性方程体积流量的连续性方程式。若在工程中遇到可压缩流体,可用总流重力流量的连续性方程式或2.1.2流体运动的基本方程2.1流体运动的基本概念质量流量的连续性方程式。2.恒定总流能量方程式能量守恒及其转化规律是物质运动的一个普遍规律。1738年瑞士科学家伯努利建立了不考虑黏性作用的理想液体的能量方程式,然后,考虑液体的黏性影响,推导出实际液体恒定总流的能量方程,即伯努利方程式。

7、式(2-10)为几何意义上表示的能量方程。2.1.2流体运动的基本方程2.1流体运动的基本概念2.恒定总流能量方程式2.1.2流体运动的基本方程2.1流体运动的基本概念2.恒定总流能量方程式2.1.2流体运动的基本方程2.1流体运动的基本概念2.恒定总流能量方程式式中p过流断面相对压强,工程上称静压;v2/(2g)工程上称动压;p+v2/(2g)过流断面的静压与动压之和,工程上称全压;h1-2在连续流条件下,1-1、2-2两过流断面间的压强损失。实际气体总流的能量方程式与液体总流的能量方程式比较,除各项单位以压强来表达气体单位体积平均能量外,对应各项意义基本相近。2.1.2流体运动的基本方程2

8、.1流体运动的基本概念2.恒定总流能量方程式2.1.2流体运动的基本方程2.2流动阻力和水头损失由于流体具有黏滞性及固体边壁的不光滑,所以流体在流动过程中既受到存在相对运动的各流层间内摩擦力的作用,又受到流体与固体边壁之间摩擦阻力的作用。同时由于固体边壁形状的变化,也会对流体的流动产生阻力。为了克服上述流动阻力,必须消耗流体所具有的机械能。单位质量的流体流动中所消耗的机械能,称为能量损失或几何意义上的能量损失,即水头损失。2.2流动阻力和水头损失1.沿程阻力和沿程水头损失流体在长直管(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质量流体的机械能除以重力加速度,称为沿

9、程水头损失hf。2.局部阻力和局部水头损失流体的边界在局部发生急剧变化时,迫使主流脱离边壁而形成旋涡,流体质点间产生剧烈的碰撞所形成的阻力称为局部阻力。为了克服局部阻力而消耗的单位质量流体的机械能除以重力加速度,称为局部水头损失hj。如图2-6所示,整个管道的总水头损失h等于各沿程水头损失hf与各局部水头损失hj分别叠加之和,即h=hf+hj(2-15)2.2.1流动阻力和水头损失的两种形式2.2流动阻力和水头损失2.局部阻力和局部水头损失2.2.1流动阻力和水头损失的两种形式2.2流动阻力和水头损失流体在流动过程中呈现出两种不同的流态,分别为层流和湍流。2.2.2流体流动的两种形态2.2流动

10、阻力和水头损失2.2.2流体流动的两种形态2.2流动阻力和水头损失2.2.3流体沿程阻力(水头)损失2.2流动阻力和水头损失2.2.3流体沿程阻力(水头)损失2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介1.薄壁圆形小孔口的液体自由出流如图2-8所示,在水箱水面以下深度为H处的侧壁上开一个圆形小孔,整个水流在溢出孔口时有继续向中心收缩的趋势,直到离开孔口大约为孔口直径的1/2距离处,过流断面达到最小,称为收缩断面,收缩断面面积用A0表示。A0与孔口面积A的比值称为收缩系数,在圆形孔口情况下,收缩系数为=0.630.64(2-23)收缩断面可视为渐变流断面,由能量方程式可推出经孔口流量与作用水头H以及其他因

11、素的关系式。2.3.1孔口出流2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介1.薄壁圆形小孔口的液体自由出流2.3.1孔口出流2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介2.淹没出流如果孔口出流淹没于同类流体中,则称之为淹没出流,如图2-9所示。2.3.1孔口出流2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介如图2-10所示,在直径为d的圆形小孔口外部接一个长度为l=(34)d的圆柱形短嘴,称为圆柱形外管嘴。水流经过水箱侧壁转弯进入管嘴内部,同样也发生流线收缩现象,在收缩断面周围有一个环行面积的旋涡区,水流经过C-C断面以后又逐渐扩大,至管嘴出口时已经充满全管。由能量方程式可得2.3.2管嘴出流2.3孔口、管嘴出流及气体射流简

12、介气体以较高的速度经孔口、管嘴或条缝向四方无限空间的静止气体喷射称为无限空间射流,外射到有限空间中则称为受限射流。在有限空间中,由于固体边壁的影响,使边界层发展受到限制,形成了受限射流,受限射流具有特殊的运动规律。在建筑通风空调工程中,广泛使用射流技术,因此必须对气体的射流有所了解。1.无限空间湍流射流的特征如图2-11所示,具有出口速度为v0的射流,由于湍流的横向掺混,与周围气体产生了动量交换、热量交换、浓度交换(具有温差、浓度差时),从而把周围静止气体的质量卷吸到射流中去。随着横向动量交换,不断地卷吸周围静止气体的质量,故边界层厚度不断增大,但将不受外界气体的掺混影响,流速保持出口速度v0

13、的部分称为射流核心。射流2.3.3气体射流简介2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介1.无限空间湍流射流的特征2.3.3气体射流简介2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介1.无限空间湍流射流的特征核心消失的断面称为过渡断面,就整个射流来说,射流过渡断面以前的部分被称为射流起始段,射流过渡断面以后的部分被称为主体段。实验表明,射流的边界是直线扩散的圆锥面,圆锥的顶点称为射流极点,圆锥的半顶角称为射流扩散角。tan=(2-27)式中射流扩散角;湍流系数;射流喷口的形状系数。实验表明:射流中任意点上的压强均等于周围静止气体的压强。因此,单位时间内通过射流各断面的动量相等。2.3.3气体射流简介2.3孔口、管

14、嘴出流及气体射流简介2.有限空间射流如图2-12所示,有限空间射流由于边壁限制了射流边界层的发展,射流半径及流量不是一直增加,而是增大到一定程度后反而逐渐缩小,使其边界线呈橄榄状,橄榄形的边界外部与固体边壁形成与射流方向相反的回流区,于是流线呈闭合状,这些闭合流线环绕中心,就是射流与回流共同形成的旋涡中心。射流出口至第一临界断面,由于固体边壁尚未妨碍射流边界层的扩展,所以各种运动参数所遵守的规律与无限空间射流一样。从第一临界断面开始,射流边界层扩展受到影响,射流卷吸周围气体的作用减弱,因而射流半径的流量增加速率逐渐减慢,与此同时,射流中心速度减小的速率也在变慢。但总的趋势还是射流半径增大,流量增大。达到第二临界断面即包括旋涡中心的断面,射流各运动参数发生了2.3.3气体射流简介2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介2.有限空间射流2.3.3气体射流简介2.3孔口、管嘴出流及气体射流简介2.有限空间射流根本的转折,射流流线开始越出边界产生回流,射流主体流量开始沿程减少,仅在此断面上射流主体流量为最大。射流结构与喷嘴安装的位置有关。如喷嘴安装在房间高度、宽度的中央处,射流结构上下对称、左右对称,射流主体呈橄榄状,四周为回流区。但实际送风系统多将喷嘴靠近顶棚安置,如安置在0.7H(H为房高)以上,此时射