第一章 流体力学基础

第一节流体的主要物理性质一、密度与重度（一）密度（二）重度需要说明的是：流体的密度与它在地球上的位置无关，而流体的重度与它所处的位置有关，因为地球上不同地点的重力加速度不同，所以重度也就不一样。二、压缩性和膨胀性流体的压缩性是指流体的体积随压力的增加而缩小的性质。流体的膨胀性是指流体的体积随温度的升高而增大的性质。三、黏性1．黏性的概念黏性是指流体流动时，流层（或内部质点）间因相对运动产生内摩擦力而阻碍相对运动的性质。黏性是流体本身的物理性质，但静止流体不显示黏性，只有流体运动时才有内摩擦力，才显示其黏性。2．牛顿内摩擦力定律3.流体黏性的度量黏度通常有动力黏度、运动黏度和相对黏度三种度量方法。（1）动力黏度（2）运动黏度

（3）相对黏度恩氏黏度是把加热并保持恒定温度（一般为50℃）的200cm3被测液体，靠自重从恩氏黏度计中流出需要的时间，与同体积20℃蒸馏水从该恩氏黏度计中流出的时间t（约为51s）的比值，用°E表示。恩氏黏度与运动黏度的换算关系：4．压力、温度对流体黏性的影响流体的黏性随压力的升高而增大。液体的黏性随温度的升高而降低，温度越高，气体分子的热运动加剧，分子之间的碰撞加剧，内聚力增大，黏性增大。第二节流体静力学流体静力学是研究流体在静止和相对静止状态下的力学规律以及这些规律在工程上的应用。一、流体静压力及其特征作用于流体上的力按其性质分为：表面力和质量力两类。（一）流体静压力流体静压力是指流体处于静止状态时，单位面积上所受的法向作用力。若法向作用力F均匀地作用在面积A上，则静压力p为（二）流体静压力的特性流体静压力有两个重要特性。（1）流体静压力的作用方向总是沿作用面的内法线方向，即垂直指向作用面。（2）静止流体内任一点各方向的静压力均相等。说明在静止流体中，任一点的流体静压力的大小与作用方向无关，只与该点的位置有关。二、流体静力学基本方程流体静力学基本方程式。方程式表明：（1）在重力作用下，液体内的静压力随着深度的增加而增大；（2）静压力由两部分组成，即液面压力p0和单位面积上的重力γh；（3）h=常数时，p=常数。即同一容器内深度相同的各点静压力也相等。等压面在静止液体中，由压力相等各点组成的面称为等压面。在静止、同种、连续的流体中，水平面就是等压面，如果不能同时满足这三个条件，水平面就不是等压面。三、流体静压力的度量（一）静压力的计算基准压力的计算基准有两种：一是以绝对真空为基准，二是以大气压力为基准。绝对压力：以绝对真空为基准（零点）算起的压力称为绝对压力，用p表示。相对压力：以大气压力pa为基准（零点）算起的压力称为相对压力，用pb表示。绝对压力、相对压力和大气压力三者之间的关系为：

相对压力为负值时称为负压。负压的绝对值称为真空度，用pz表示。（二）静压力的度量单位1．应力单位用单位面积上的作用力表示。其国际单位是帕（Pa或N/m2），也用千帕（kPa或kN/m2）和兆帕（MPa或MN/m2）表示。有时，工程上也用公斤（kgf/cm2）表示。２．液柱高度常用的单位有米水柱（mH2O），毫米水柱（mmH2O），毫米汞柱（mmHg）等。３．大气压单位1atm=101325Pa=10.33mH2O=760mmHg。1at=98100Pa=10mH2O=735mmHg。（三）液柱式测压计1．测压管及U形管测压计（1）测压管（2）U形管测压计2．U形压差计（四）金属测压计金属测压计共有两种：弹簧式和薄膜式。压力表量程：压力表量程：最大压力通常不应超过压力表测量上限的2/3以上；但是，为了减少读数误差，使用压力也不宜小于测量上限上的1/3四、流体静压力的传递（帕斯卡定律）静止液体表面上的压力变化将等值传递到液体中的任意点。这就是静压力的等值传递规律，也称帕斯卡定律。第三节流体动力学理想流体：不存在黏性和压缩性的流体一、基本概念（一）稳定流和非稳定流稳定流与非稳定流：当流体质点在流经某一空间坐标点时，它的运动要素不随时间改变称这种运动为稳定流。否则称之为非稳定流。（二）过流断面过流断面是指与流体流动方向垂直的横断面，用符号A表示，单位m2。（三）流量与断面平均流速流量是指单位时间内通过过流断面的流体的体积，用Q表示，单位m3/s。断面平均流速是指流量除以过流断面得到的商，用v表示，单位m/s。二、流体流动的连续性方程流体的连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种应用型式。三、流体的能量方程（伯努利方程）流体内部的能量转换规律称为能量方程式，又叫伯努利方程式。它是能量守恒与转换定律在流体力学中的具体应用（一）能量方程的推导根据动能定理，外力在dt时间内所做的功等于该时间段的动能的增量。压力所做的功：重力所做的功：动能的增量：（二）能量方程式的意义z是单位重力流体所具有的位置势能，简称单位位能或比位能。p/γ是单位重力流体所具有的压力能，简称单位压能或比压能。αv2/2g是单位重力流体所具有的速度能，简称单位动能或比动能。E1=E2+hw流体总是从高能量的断面流向低能量断面。（三）能量方程的应用条件第四节流动状态与能量损失一、流体的流动状态流体流动时存在层流和紊流两种不同的状态雷诺数工程上用下临界雷诺数来判别流体的流动状态，即Rek≤2320层流Rek>2320紊流二、能量损失能量损失有两种形式，一是沿程阻力损失，二是局部阻力损失沿程阻力损失是指流体流经管路直线部分因克服流动阻力而产生的能量损失，用hf表示，单位m。局部阻力损失

是指流体流经管路的局部管件如弯头、闸阀等因克服流动阻力而产生的能量损失，用hj表示，单位m。1．沿程阻力损失2．局部阻力损失3．流体流动的总能量损失第五节水击与气蚀现象一、水击现象有压管路中运动着的液体，由于某种原因(如阀门突然关闭等)，使得速度和动量发生急剧变化．从而引起液体压力在瞬间突然升高，这种现象称为水击。二、气蚀现象气穴现象：在排水系统或液压系统中，由于压力降低到有气泡形成的现象统称为气穴现象气蚀