11.流体力学基本知识1(建工)

1、建 筑 设 备（建筑工程类专业）1 基本建设的程序： 1.建设单位向上级主管部门提出工程项目申请（必要性、可行性论证）； 2.主管部门论证审批； 3.上报城建主管部门规划审批； 4.委托设计单位进行规划设计（或进行设计招标）； 建筑方案施工图（上报有关部门）； 结构设计（方案、施工图）； 设备设计：给水排水、采暖通风与空调、建筑电 气； 5.办理相关手续开工建设； 6.竣工验收交付使用。2绪 论 在建筑物内为了给人们提供卫生、舒适、安全的生活和工作环境，为了满足生产上的需要，设置完善的给水、排水、暖通与空调、供电、电话及火灾自动报警等设备系统。这些设备系统设置在建筑物内，统称为建筑设备。3 一

2、、学习本课程的目的 在建筑工程中，只有综合建筑、结构、设备和装饰等各专业进行设计和施工，才能使建筑物达到经济、合理、适用、卫生、舒适和安全的要求，充分发挥建筑物应有的功能，提高建筑物的使用质量。这就要求建筑、结构、装饰等专业的工程技术人员必须掌握一定的建筑设备知识。4二、建筑设备课程的主要内容 本课程主要包括以下四个方面的内容： 1、 建筑设备基本知识 在房屋的给水、排水、暖通与空调系统中，各种设备使用的介质主要有水、蒸汽、空气等，但是它们都具有一个共同的属性流动性，因此统称为流体。为了学习房屋卫生设备系统的基本知识，必须对流体的有关知识有所了解。 建筑热水供应系统、采暖系统、空调系统等，都用

3、到传热学方面的基本知识，在学习本课程之前，必须对这方面的知识加以了解。5 2、 给水、排水 水是人们日常生活、生产和消防所不可缺少的物质，随着人们生活水平的提高和生产的发展，对水和用水设备的要求越来越高。 本教材第二部分主要介绍：给水、排水系统的有关知识；包括：给水系统、管材与配件；热水供应系统；消防给水系统；管网水力计算、排水系统等内容。6 3、 采暖、通风与空气调节 本教材第三部分主要介绍：建筑采暖系统及其主要设备；通风系统；空气调节系统、冷热源（锅炉房和制冷站）及有关的设计计算和施工图。7 4、建筑电气 在建筑电气方面，由于电子技术的发展，使得其应用技术成为建筑电气的重要组成部分之一。

4、本教材第四部分主要介绍：建筑供配电系统；电器照明；安全用电与建筑防雷；弱电系统（电话、监控与自动控制）等内容。 8第一部分 建筑设备基本知识1 流体力学的基本知识 物质在自然界中通常按其存在状态的不同分为固体、液体和气体。液体和气体因其具有较大的流动性，被称为流体。研究流体处于静止与流动状态的力学规律及其实际应用的科学称为流体力学。本章主要介绍一些基本概念。91.1 流体的主要物理性质 流体中由于各质点间的内聚力极小，不能承受拉力，静止流体也不能承受剪力。正因为如此，所以流体具有较大的流动性，且没有固定的形状。但流体在密闭状态下却能承受较大的压力。 充分认识以上所说流体的基本特征，深刻研究流体

5、处于静止或运动状态的力学规律，才能很好地把水、空气或其他流体按人们的意愿进行输送和利用，为人们日常生活和生产服务。10下面介绍流体的主要物理性质 1.1.1 流体的密度和容重 流体和固体一样，也具有质量和重量，工程上分别用密度和容重表示。 对于均质流体，单位体积的质量，称为流体的密度。即： /m 式中：M流体的质量，； V流体的体积，m3； 11 对于均质流体，单位体积的重量，称为流体的容重。即： N/m3式中：G流体的重量，N； V流体的体积，m3； 由牛顿第二定律知道，G=Mg。因此 g式中：g重力加速度，g9.807m/s212 流体的密度和容重随其温度和外界压力的变化而变化，也就是说同

6、一流体的密度和容重不是一个固定值。 但是在实际工程中，液体的密度和容重随温度和压力的变化而变化的数值不大，可视为一个固定值；而气体的密度和容重随温度和压力的变化而变化的数值较大，设计计算中通常不能视为一个固定值。13 1.1.2 流体的压缩性和膨胀性 当温度不变时，流体的压强增大，体积减小，密度增大的性质，称为流体的压缩性。 当压强不变时，流体温度升高，体积增大，密度减小的性质，称为流体的膨胀性。14 流体的压缩性和膨胀性都很小，在很多工程技术领域中可以把液体的压缩性和膨胀性忽略不计。因为它在计算结果上所带来的误差是很小的。 例如，在建筑设备工程中，管中输液除水击现象和热水供热系统外，一般计算

7、均不考虑液体的压缩性和膨胀性。15 气体与液体则不同，具有显著的压缩性和膨胀性。对于速度低（远小于音速）的气体，其压强和温度在流动过程中变化较小，密度可视为常数，这种气体称为不可压缩气体。如在采暖与通风工程中，气体大多流速较低（远小于音速），压强与温度变化不大，密度变化也很小，因而可以把这种气体看成不可压缩的。 反之，速度较高（接近或超过音速）的气体，在流动过程中密度变化很大，不能视为常数，这种气体称为可压缩气体。16 1.1.3 流体的粘滞性 流体在运动时，由于内摩擦力的作用，使流体具有抵抗相对变形（运动）的性质，称为流体的粘滞性。 流体的粘滞性可以由下列实验和分析了解到，用流速仪测出管道中

8、某一断面的流速分布，如图11所示。流体沿管道直径方向分成很多流层，各层的流速不同，并按某种曲线规律连续变化，管轴心的流速最大，向着管道壁的方向递减，直至管壁处的流速为零。17181.2 流体静压强的基本概念 1.2.1 流体静压强 设想在一容器内的静止水中，隔离出部分水体来研究，如图12所示，这种情况必须把周围水体对部分水体的作用力加上去，以保持其静止状态不变。19 设作用于隔离体表面某一微小上的总压力是p，则面上的平均压强为: Pcr / 当所取的面积无限缩小为一点a，即：0时，则平均压强的极限值p称为a点的静压强。 流体静压强的因次为力/面积，在国际单位制中常用帕（牛/米2），以Pa表示。

9、20 流体静压强有两个特征： .流体静压强的方向必定沿着作用面的内法线方向。因为静止流体不能承受拉应力和不存在切应力，所以，只能存在垂直与表面内法线的压应力压强。 2.任意一点的流体静压只有一个值，它不因作用面的方位改变而改变。211.2.2 流体静压强的基本方程式 在静止液体中任取一点，已知点在自由表面下的水深h，自由表面压强为P0，如图所示。22 设点的静水压强为P，通过点取底面积为，高为h的铅直小柱体，上表面与自由面重合，研究其轴向力的平衡，此时的轴向外力有：上表面压力P0 p0，方向铅直向下；下底面压力P，方向铅直向上；柱体重力Gh，方向铅直向下；柱体侧面积的静水压力，方向与轴向垂直，

10、在轴向投影为零。 23 此铅直小圆柱体处于静止状态，故其轴向力平衡为： hp0化简后得：PP0h式中：P静止液体中任意点的压强，KN/ 或KPa；P0表面压强，KN/或KPa；液体的容重，KN/m3；h所研究点在自由表面下的深度，m 24 上式是静水压强的基本方程式，又称为静水力学基本方程式。式中和P0都是常数。方程表示静水压强与水深成正比的直线分布规律。方程式还表明，作用于液面上的表面压强P0是等值地传送到静止液体中每一点上。 方程也适用于静止气体压强的计算，只是式中的气体容重很小，因此，在高差h不大的情况下，可忽略h项，则PP0。25 1.2.3 静压强的表示方法 工程计算中，压强有不同的

11、度量标准： （）绝对压强：是以完全真空为零点计算的压强，用PA表示。 （）相对压强：是以大气压强为零点计算的压强，用P表示。 由上所述，相对压强与绝对压强的关系为：PPAPa 某一点的绝对压强与大气压强比较，可以大于大气压强也可以小于大气压强，因此相对压强可以是正值也可以是负值。相对压强的负值称为负压，这时流体处于真空状态，通常用真空度（或真空压强）来度量流体的真空程度。 26例题1.1 如图所示，一密闭水箱，箱内流体表面的绝对压强P078.4 KN/,箱外的大气压强Pa98KN/,试求水深1.5米处A点的绝对压强、相对压强和真空度，并用压强的三种单位表示。27解：根据静水压强的基本方程式，则

12、A点的绝对压强为： PAP0h78.49.80751.578.4 14.71193.111（KN/） A点的相对压强为：PPAPa93.111984.889（KN/） 因A点的相对压强为负值，说明A点处于真空状态，真空度为： PkPaPAP4.889（KN/） 28 用工程大气压表示A点的压强： PA93.111/980.95个工程大气压 P4.889/980.05个工程大气压 Pk4.889/980.05个工程大气压 因为个工程大气压10m2，则A点的压强又可表为： PA0.95109.5m2 P0.05100.5m2 Pk0.05100.5m2291.3 流体流动的基本概念 1.3.1 压

13、力流、无压流和射流 .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：供热工程中的蒸汽、热水，风道中气体，给水管中的水流都是压力流。 .无压流：液体在重力作用下流动时，液体的部分周界与气体相接触，形成自由表面。如天然河道、明渠、排水管中的水流都是无压流。30 3.射流：当流体流动时流体的整个周界都被包围在液体或气体之中，这种流动称为射流。如果是液流被包围在气体之中或者是气流被包围在液体之中的射流，称为自由射流，消防水枪喷射的水柱就是自由射流。 如果是液流被包围在液体之中或者是气流被包围在气体之中的射流，称为淹没射流，空气调节系统中的送风口的气流就是淹没射流。 3

14、1132 恒定流和非恒定流 .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，不随时间变化的流动称为恒定流。如图6（a）所示。 .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。如图6（b）所示。32331.3.3 过流断面、湿周和水力半径 .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。用A表示，单位或cm2。过流断面可能是平面，也可能是曲面，形状有圆形、矩形、梯形等。如图7所示。 . 湿周：过流断面上流体与固体壁面接触的周界，称为湿周。用表示，单位m或。34 .水力半径：对于明渠水流和圆段面管流，我们常引用一个综合反映断面

15、大小和几何形状对流动影响的特征长度，这个特征长度就是水力半径，用R表示。如图8所示 R 式中：R水力半径；A过流断面； 湿周。35361.3.4 流体的流量和断面平均流速 .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Q表示，单位m3/S或L/S。一般流量指的是体积流量，但有时亦引用重量流量与质量流量。它们分别表示单位时间内通过过流断面的流体重量与质量。重量流量的单位为N/S，质量流量的单位为/S。37 .断面平均流速：流体流动时，断面各点流速一般不易确定，而工程中又务必确定时，可采用断面平均流速（V）简化流动，如图9所示，断面平均流速为断面上各点流速的平均值。因此过流断

16、面面积乘断面平均流速V所得到的流量，等于实际流速通过该断面的流量。38391.4 恒定流的连续方程和能量方程 1.4.1 恒定流的连续方程 恒定流连续方程式是流体运动的基本方程式之一，它的形式虽然简单，但是应用极为广泛。 在恒定总流中任取一元流，如图110所示，元流在11过流断面上面积为dw1，流速为u1；在22过流断面上的面积为dw2，流速为u2。并考虑到：（1）由于流动是恒定流，元流形状及空间各点的流速不随时间变化。（2）流体是连续介质。（3）流体不能从元流的侧壁流入或流出。4041 应用质量守恒定律，流进dw1断面的质量必然等于流出dw2断面的质量。令流进的流体密度为1, 流出的流体密度

17、为2，则在dt时间内流进与流出的质量相等： 1 u1 dw1dt 2 u2 dw2dt或 1 u1 dw12 u2 dw2推广到总流，得： 42由于过断面上密度为常数，以 Q代入上式，得： 1Q12Q2 或 111222 式中：密度； 总流过断面面积； 总流的断面平均流速； Q总流的流量43 上式为总流连续方程式的普遍形式质量流量的连续方程式。由于容重=g，同一地区重力加速度g又相同，故得过流断面11、22总流的流量为： 1Q1 2Q2 或 G1G2式中 ： 容重； g重力加速度 G重量流量。上两式为总流重量流量的连续方程式。 44 1.4.2 恒定流的能量方程 能量守恒及其转化规律是物质运动

18、的一个普通规律。应用此规律来分析流体运动，可以揭示流体在运动中压强、流速等运动要素随空间位置变化的关系能量方程式。从而为解决许多工程技术问题奠定基础。 45 1.恒定流实际液体的能量方程式 1738年荷兰科学家达伯努里根据功能原理建立了不考虑粘性作用的理想液体的能量方程式，然后，考虑液体的粘性影响，推演出11和22断面间流段实际液体恒定总流的能量方程，亦即伯努里方程式。 Z1 Z2 hw12 4647 参见图11对式中各项的意义解释如下： Z1，Z2过流断面11、22上单位重量液体位能，也称位置水头； 、 过流断面11、22上单位重量液体压能，也称压强水头； 、 过流断面11、22上单位重量液

19、体动能，也称流速水头； hw12单位重量液体通过流段12的平均能量损失，也称水头损失。482、实际气体恒定总流的能量方程式 对于不可压缩的气体，液体能量方程式同样可以适应，由于气体容量很小，式中重力做功可以忽略不计。对一般通风管道中，过流断面上的流速分布比较均匀，动能修正系数可采用a1，这样，实际气体总流的能量方程式为： hw12 491.5 流动阻力和水头损失 由于流体具有粘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，也会对流体流动产生阻力。这些阻力作用我们称之为流动阻力，为了克服

20、上述流动阻力，必须消耗流体所具有的机械能，单位重量的流体流动中所消耗的机械能称为能量损失，又叫水头损失。50流动阻力和水头损失可分为两种形式： 1.5.1 沿程阻力与沿程水头损失 流体在长直管（或明渠）中流动，边壁沿程无变化（边壁形状、尺寸、过流方向均无变化），所受的摩擦阻力称为沿程阻力，由于沿程阻力作功而引起的水头损失称为沿程水头损失，沿程水头损失分布在整个流段上，与流段的长度成比例，又称为长度损失，以hf表示。51 19世纪中叶，法国工程师达西和德国水力学家魏斯巴赫在总结前人实验的基础上，提出圆管沿程水头损失计算公式： hf 式中：hf管段的水头损失，m；L管段长度，m； d管道管径，m； 断面