流体力学基础知识

流体力学基础知识

具有流动性的介质，如水、空气、蒸汽等。这些液体和气体统称流体。流体的基本特性就是流动性。在学习具体内容之前，需了解有关流体的基本知识。第一节流体的主要物理性质一、流体的惯性、密度和容重1．惯性（1）定义：反抗改变其原有运动状态的特性。or：保持其原有运动状态的特性。（2）质量越大，惯性越大。2．密度（1）定义：单位体积的质量。（2）公式：其中ρ——㎏/m3；M——㎏；V——m3。其中ΔM——微小体积ΔV的流体质量；ΔV——包含该点在内的流体体积。3．容重（1）定义：单位体积的重量。（2）公式：对非均质流体，其中——N/m3，G——N，V——m34．ρ与γ的关系：液体的ρ和γ随外界压力和温度有一定变化，但变化值不大，一般视为固定值；气体的ρ和γ随温度、压强的变化较大。水从0℃升至30℃，密度减小0.4%,温度较低时(10～20℃),每升高1℃,密度减小0.15‰；温度较高时（90～100℃），每升高1℃,密度减小0.7‰。压强每升高一个大气压，水的密度增加约1/10000。所以，水的热膨胀型、压缩性很小。但在热水供应中应考虑水的膨胀体积。常用：ρ水=1000㎏/m3（4℃）；γ水=9800N/m3；ρ空气=1.2㎏/m3(20℃)。二、流体的粘滞性1．定义：流体质点间或流层间因相对运而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质。此内摩擦力称为粘滞力。2．粘滞系数：动力粘滞系数µ（Pa.s），运动粘滞系数ν（m2/s）。不同流体µ、ν不同，温度较压力对其影响更大。3．温度与粘滞性粘滞性是分子之间的吸引力与分子不规则热运动引起的动量交换的结果。温度升高，分子之间的吸引力降低，动量增大；反之，温度降低，分子之间的吸引力增大，动量减小。对液体，分子之间的吸引力是决定性因素，所以液体的粘滞性随温度升高而减小；对于气体，分子之间的热运动产生动量交换是决定性因素，所以，气体的粘滞性随温度升高而增大。三、流体的压缩性和膨胀性1．压缩性：T不变时，P增大，V随之减小的性质。2．膨胀性：P不变，T升高时，V增大的性质。3．液体的压缩性和膨胀性均很小，气体则较明显，但通常均视流体为不可压缩、连续的理想流体。（连续介质、无粘性流体、不可压缩流体）第二节流体静力学基础流体不能受拉力、剪切力，但能承受较大的压力，便于流动。适于管道输送，常用作制冷、供热的介质。一、流体静压力及其基本方程式1.流体静压力:由处于静止或相对静止的均质流体施加的力。Or：作用在整个物体表面积上的称为流体静压力，而作用在单位面积上的流体静压力称为流体静压强。一水箱，任取一截面，上部分作用其上的力为ΔＰ，面积为ΔＡ，则ΔＡ上的平均流体静压强当ΔＡ缩小→ａ点时，比值趋于某一极限值，称为ａ点的流体静压强：若Ｐ为常数，则2.流体静压强的特性流体静压力、静压强都是压力的一种量度，其区别在于：前者是作用在某一面积上的总压力，后者是作用在某一面积上的平均压力或某一点的压力。（1）其方向垂直于作用面并指向作用面；否则，就有一个平行于作用面的切向分力，使流体失去静止状态。（2）任意点各方向上的流体静压强相等；任意点的流体静压强的大小与作用面方向无关，只与该点的位置有关。3.流体静压强的分布规律取静止流体中的一与轴线垂直的圆柱体作隔离体水平方向无重力前后左右各方向的水平力处于平衡状态，合力为0。取斜圆柱体亦可。沿轴线方向外力平衡。圆柱体端面是任取的，所以该公式为普遍关系式。其中，ｐ０——液面压强强；ｐ——液体内部部某点的的压强；；——容重；ｈｈ——深度。它表示静静止液体体中，压压强随深深度按直直线变化化的规律律。任一一点的压压强由p0和ｈ两部部分组组成。。压强强的大大小与与容器器的形形状无无关。。液面下下任一一点的的压强强规律：：１.深度相相同，，压强强相同同。由于于液面面是水水平面面，所所以这这些压压强相相同的的点组组成的的面是是水平平面，，即：：水平平面是是压强强处处处相同同的面面。所所以，，水平平面是是等压压面。。两种种不相相混杂杂的液液体的的分界界面也也是水水平面面，自自由表表面是是水深深为００的各各点组组成的的等压压面。。2.液面压压强ｐ０变化ｐ０，内部部压强强ｐ随之变变化ｐ０。此即即水静静压强强等值值传递递的帕帕斯卡卡定律律。应应用于于水压压机、、液压压传动动、气气动阀阀、水水力闸闸门等等。3.重度不不同，，产生生的压压强不不同。同一一容器器装上上不同同的液液体，，底面面压强强各不不相同同。注意：：该规规律是是同种种液体体处于于静止止、连连续的的条件件下推推出，，所以以，只只适用用于静静止、、同种种、连连续的的液体体。二、流流体静静压强强的表表示法法1.相对压压强以大气气压强强为零零点起起算的的压强强。它表表示给给出的的压强强比周周围大大气压压大多多少。2.绝对压压强以没有有一点点气体体存在在的绝绝对真真空为为零点点起算算的压压强。。或：从从绝对对零点点起算算的压压强（（一个个容器器中的的气体体完全全抽空空时，，其压压强为为绝对对零））。它它是流流体的的全部部压强强。ｐ’不能为为负，，它和和ｐａ相比，，可大大，可可小。。因此此，ｐ可正可可负。。当ｐ为正时时，称称正压压（即即表压压）。。当ｐ为负时时，称称负压压，其其绝对对值为为真空空度（（即真真空表表读数数）。ｐ’=ｐ+ｐａ3.真空值值流体中中某处处的低低于大大气压压强的的部分分。ｐｙ=ｐａ-ｐ’4.图解ｐ、ｐｐ’、、ｐｙ、ｐａ的关系系绝对压压强基基准0压强p大气压压强pa相对压压强基基准0A绝对压压强p’AAA相对压强pABB真空度PB=-pByB绝对压强p’Bpa三、单位1.pa或N/m22.液柱高度mH2O;mmH2O。四、静压力力分布图垂面、折面面、斜面。。第三节流流体动力力学基础一、流体动动力学基本本概念1.动水压力流动液体中中，垂直于于液流方向向所测得的的压力。2.稳定流：流体流动动时，流速速、压力、、密度等不不随时间而而变。非稳定流：流体流动动时，流速速、压力、、密度等随随时间而变变化。3.流线：流体连续续质点在某某一瞬时的的流动方向向线。它是是光滑曲线线，不相交交，它的疏疏密可反映映流速大小小。迹线：流体某一一质点在连连续时间内内的流动轨轨迹。稳定定流可用迹迹线代替流流线。4.元流：通过微元面面积上各点点作流线所所形成的微微小流束。。总流：无数元流的的总和。5.过流断面：处处与流流线垂直的的横断面。。流速：质点运动动的速度。。流量：单位时间间内通过过过流断面的的流体体积积。6.湿周：过流断面面与边界接接触的长度度。水力半径：过流断面面与湿周之之比。7.压力流：流体充满满整个流动动的空间并并依靠压力力作用而流流动的液流流或气流。。特点：无自自由表面，，对壁面有有压力。无压流：具有与气气相接触的的自由表面面，只依靠靠自身重力力作用而流流动的液流流。特点：部分分周界不与与固面接触触，自由面面上的压力力等于大气气压。二、稳定流流的连续方方程即质量守恒恒方程：常数三、稳定流流能量方程程伯努利方程程：适用条件：：不可压缩缩稳定流，，过流断面面应为均匀匀流或渐变变流，无惯惯性力作用用，流量不不变等。第四节水水流阻力力和水头损损失一、水头损损失的形式式1.产生水头损损失的原因因：流体流流动时，由由于克服了了流动阻力力，一部分分机械能不不可逆转地地转化为热热能散失而而产生的损损失。2.沿程损失ｈｆ：受固体边边界阻滞而而产生。3.局部损失ｈｊ：由于受到到局部阻碍碍的影响，，流态急剧剧变化，形形成涡旋而而产生损失失。4.水头损失ｈｗ：二、流态1.层流:流层间互不不掺混，流流线平行。。2.紊流：各质点间间强烈掺混混，运动轨轨迹极不规规则。3.雷诺实验：：揭示了沿沿程损失与与流态有关关。判别：：Ｒｅ＜ＲＲｅｋ＝2300（圆管），，即为层流流。非圆管Reｋ＝500。三、水头损损失1.沿程损失ｈｈｆ：hf＝f(v,Re