流体力学基本知识

建筑设备工程主编：王付全主讲：王洪义绪论

建筑设备是为了给人们营造一个安全、合理、舒适的生活与生产环境而设置的一门课程。1、古代的建筑设备①.人类出现以来，就择溪而居，这是因为水是各种生物（包括人类）赖以生存的、不可缺少的物质。当我们游览、参观各种遗址、文物古迹时，我们会发现人类居住的建筑物的是这样逐渐演变为我们今天居住的房子的。即山洞——土穴/地窖）——茅草房——土石、砖瓦房——现代建筑例如：古猿人时代，他们以崖洞，山穴为居。像170万年前的元谋猿人，80～120万年前的蓝田猿人，40～50万年前的北京猿人都是选择天然的，附近有河水的，山洞作为居住的场所。山洞——遮雨②.到了母系社会，开始利用土崖为壁体，建造穴居。再发展为用树木、草泥建造简单的穴居或浅穴居后来发展为地面建筑。例如:6000～7000年前的浙江余姚的河姆渡文化

5000～7000年前的西安半坡文化

4000～6000年前的山东泰安的大汶口文化③.中国自奴隶社会开始，已经出现了大规模的建筑群，有了完善的供水、排水系统。 这种建筑结构的发展，是人们生存条件不断改善的过程。 取排水方面：经历了陶罐、陶制水槽，较完善的水系统的历程。2．现时的建筑设备①．十九世纪爱迪生发明电以来，人们的生活越来越便利。如今人们可以尽情的享受现代文明带给我们的各种便利。自来水、电灯、冰箱、空调、天然气所有这些用具，设备的安装与使用都与《建筑设备》这门课密切相关。②．了解大自然，利用大自然，为人类造福。如若将来能对四季进行人工调节，冬季蓄冷，夏季贮热；进一步开发、利用太阳能，风能等自然能源；改进采光方式，减少电能的消耗。发挥我们的优势。3．讲述内容①．小方面：家庭的上、下水，通风，取暖②．中等方面：一幢建筑，一个小区的供暖，供水，制冷，空调③．大方面：整个城市，一个大型企业的供水，排水等。第一篇建筑设备基础知识第一章流体力学基础知识物质在自然界中按其状态不同分固体、液体和气体，其中液体和气体流动性较大，被称为流体。它和固体截然不同的力学性质，研究流体处于静止状态和运动状态的力学规律称为流体力学。建筑物里的设备有给水排水采暖通风管道，都以流体为介质，因此必须掌握流体力学的基本原理概念和方法，才能解决一些实际工程中问题。第一节流体的主要力学性质流体的性质

1.流体是什么？

流体是无数分子集团组成连续介质。

2.流体包括液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中。

3.流体可分为：不可压缩流体(如液体)、可压缩流体(如气体)

★如果气体的密度随温度、压强变化较小，也可作为不压缩的流体。

流体力学机理可分成三部分：

(1).流体静力学-----它是研究流体在静止时的规律；

(2).流体动力学----它是研究流体在运动时的基本规律；

(3).水力学-------它涉及到流体在运动时，速度和加速度及其力作用之间关系。

二.密度、重度、比重、比容的慨念

1.密度____单位体积流体所具有的质量.

常温下取ρ水=1000kg/m3ρ空气=1.2kg/m3

2.重度____单位体积流体所具有重量.

3.比重____任一流体的密度与4度水的密度之比.

4.比容____单位质量流体所具有的体积.三、流体的粘滞性

粘度的概念

粘度的物理意义

•流体粘性形成原因:(1)两层液体之间的粘性力主要由分子内聚力形成(2)两层气体之间的粘性力主要由分子动量交换形成实验证明，对于一定的液体，内摩力F与两流体层的速度差△u成正比；与两层之间的垂直距离△y成反比；与层间的接触面积S成正比，即：

F∝(Δu/Δy)s

若把上式写成等式，就需引进一个比例系数μ，即:

F∝μ(Δu/Δy)s

式中的内摩擦力F与作用面S平行。单位面积上的内摩擦力或剪应力，以τ表示，于是上式可写成：

τ=F/S=μ(Δu/Δy)

上式只适用于u与y成直线关系的场合。当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是曲线关系，则上式变为：

τ=μ(du/dy)

式中：du/dy-----速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；

μ=τ/(du/dy)-----比例比例系数,其值随流体的不同而异,其单位为Kg/s.m

牛顿粘性定律牛顿在《自然哲学的数学原理》中假设：“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力，同这两部分彼此分开的速度成正比”。即在图中，粘性切应力为

上式称为牛顿粘性定律，它表明：⑴粘性切应力与速度梯度成正比；⑵粘性切应力与角变形速率成正比；⑶比例系数称动力粘度，简称粘度。运动粘度

常温常压下，水和空气的粘度系数分别为

运动粘度的单位是水：空气：流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。

v=μ/ρ

-----运动粘度，其单位为：1/m4.S;

对于液体：温度增加，粘度下降；为什么？

(因为液体温度上升，其分子之间距变大，其内摩擦力下降，)

对于气体：温度增加，粘度上升；为什么？

(对于气体，温度上升，其分子的碰撞增加，内摩擦立增加)

四、流体的压缩性和热涨性流体的可压缩性：在外力作用下流体密度（体积）发生改变的的性质。流体体积随压力变化而改变的性质称为压缩性。实际流体都是可压缩的。液体的压缩性很小，在大多数场合下都视为不可压缩，而气体压缩性比液体大得多，一般应视为可压缩，但如果压力变化很小，温度变化也很小，则可近似认为气体也是不可压缩的。

五、表面张力表面张力通常是指液体与气体交界面上的张应力2.表面张力现象：⑵洗洁剂⑶毛细现象⑷微重力环境行为⑴肥皂泡流体模型分类流体模型按粘性分类无粘性流体粘性流体牛顿流体非牛顿流体按可压缩性分类可压缩流体不可压缩流体其他分类完全气体正压流体斜压流体均质流体等熵流体恒温流体

第二节流体静力学的基本概念一、流体静压强及其特性：静止流体所受的外力有质量力和压应力两种,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。（1）压力单位在国际单位制（SI制）中，压力的单位为N/m2，称为帕斯卡（Pa），帕斯卡与其它压力单位之间的换算关系为：

1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压）

=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O对具有自由液面的液体，压强分布为为自由面上的压强，h为淹深。上式称为均质静止流体液体压强公式。(1)在垂直方向，压强与淹深成线性关系(2)水平方向压强保持常数均质静止液体中压强分布特征：

•静压强分布图

•等压面概念

压强计算方法与单位压强计算方法习惯上压强基准真空度

完全真空绝对压强表压强大气压强2.压强单位标准大气压atm(标准国际大气模型)液柱高：•国际单位制（SI）：帕斯卡Pa毫米汞柱mmHg（血压计）米汞柱mH2O

（水头高）（2）压力的两种表征方法

绝对压力

以绝对真空为基准测得的压力。

表压或真空度

以大气压为基准测得的压力。

二、流体静压强的分布规律压强是一个重要的操作参数，有关压强的计算和测量十分重要，这也是静力学基本方程式的重要应用

流体静力学方程的讨论和应用

公式中每一项的物理意义;

方程式揭示了哪些规律性;

如何利用基本规律来解决生产实际问题;

公式适用条件。

1.静力学方程中每一项的物理意义;

p/ρ-----单位kg质量流体所具有的压力能，J/kg；

沿流束的水头形式常数(沿流线)沿流线的水头形式

(沿流束)

伯努利方程的水力学意义测压管水头速度水头z位置水头压强水头H总水头2.方程式所揭示规律性

（1）.静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压强相等

如图

（2）.液体内部各点压强p随液体深度而改变，液体深度愈深，其压强愈大。而且当液面上方压强改变时，液体内部压强也发生同样大小的改变。(3).压强是可以传递的，而且是以等数值进行传递

如图

第三节流体动力学的基本概念一、流体动力学的一些基本概念

流体线又称染色线、烟线或条纹线脉线定义相继通过某空间点的质点连线

时间线某时刻标记的一串相连的质点连线（一）流管，流束与总流流管：

流线围成的管子流束：

流管内的流体缓变流流束：流线平行或接近平行微元流束：有限截面无限小的流束总流：微元流束的总和在有效截面上取平均值，按一维流动处理（二）速度场•速度场是最基本的场v

=v

(x,y,z,t)

•可用速度廓线（剖面）描述空间线或面上的速度分布二维速度剖面u

＝u(x,y)速度分量：三维速度廓线流量与平均速度Q、指净流出流量封闭曲面时流量体积流量平均速度体积流量不可压缩流体质量流量质量流量不可压缩流体

二、流体运动的类型

层流与湍流2.雷诺数1.经典实验雷诺实验(1883)哈根实验(1839)林格伦实验(1957)V

流速，d特征长度，ρ、μ流体密度、粘度圆管临界雷诺数流场显示阻力测量热线测速

内流与外流管道流（不可压缩流体）喷管流（可压缩流体）明渠流流体机械内流粘性边界层外部势流外流按流场是否被固体边界包围分类

第四节流动阻力与能量损失的基本概念一、流动阻力与能量损失的两种形式：1、沿程阻力和沿程水头损失2、局部阻力和局部水头损失二、流态的判定：三