船舶管理（电子电气员）2.传热学、力学、流体力学的基本知识

传热学、力学和流体力学的基本知识第二章传热学、力学和流体力学的基本知识第一节传热学传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学。（1）强化传热。即在一定的条件下（如一定的温差、体积、流量、功率等）下增加所传递的热量，例如电动机的外表面铸有肋片并配以风扇以增强传热。（2）削弱传热，亦称热绝缘。即在一定的温差下使热量的传递减小，例如蒸汽管路包扎隔热材料以削弱传热。（3）温度控制。即为使设备能安全经济地运行，或者为制造出优质的产品，对热量传递过程中的物体关键部件的温度进行控制。例如通过蒸汽流量调节阀自动控制进分油机之前燃油的温度。1.传热的三种基本形式

热力学第一定律，即能量守恒定律，其表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热量传递过程的动力是温差，热能总是由高温物体传递到低温物体，或从物体的高温部分传递到低温部分。热量传递的三种基本方式是：热传导、热对流和热辐射。在实际中发生的传热过程，往往是三种传热方式的共同作用的总和。2.热传导指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体之间直接接触时，依靠物体分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而进行的热量传递现象，简称导热；傅里叶定律：导热量与导热系数成正比，与垂直热流的截面积成正比，与壁面两侧表面温差成正比，与其厚度成反比；式中：Q——导热热流量，W；

A——为垂直于导热方向的截面面积，m2；

δ——物体厚度，m；

λ——导热系数，与材料的性质有关，W/(m·K)；表征材料导热性能优劣的参数；与物质状态、构造、晶体、分子状态等因素相关：导热系数是指：在稳定的传热条件下，1米厚的材料，两侧表面的温差为1K（℃），在单位时间内，通过1m2面积所传递的热量，单位为W/m·K，此处的K也可用℃代替；3.导热系数金属的导热系数最大，且纯金属大于合金，合金大于非金属固体；其次为液体，气体最小；一般的，导电性好的材料，导热性也好；导热系数与状态有关，例如冰的导热系数为2.22W/(m·K)，水的导热系数为0.599W/(m·K)，而水蒸气的导热系数仅为0.0194W/(m·K)。热对流是流体（液体和气体）各部分发生宏观运动而引起的热量传递现象。对流换热是指运动着的流体与固体表面接触时的换热过程；对流换热是热传导与热对流同时存在的复杂热传递过程。必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动，也必须有温差。4.热对流Q=αAΔt式中：Q为换热量；

α为表面传热系数，单位是W/m2·K；A为换热面积，单位是m2，Δt为传热温差。

自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的。流体的流动是由于水泵、风机或其它压差作用所造成的，则称为强制对流。

液体在热表面上的沸腾以及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热现象，分别称为沸腾换热和凝结换热。

牛顿冷却公式，热流量Q与传热接触面积A和传热温差Δt之间的关系为不同换热状态下表面传热系数的大致数值范围对流换热的强烈程度就介质而言，水比空气强烈；就对流换热方式而言，强制对流大于自然对流，有相变大于无相变过程。液体或气体流动时在壁面附近扰动程度越强烈，放热系数也越大。过程、状态和流体W/（m2·K）自然对流：

空气1‒10水200-1000强制对流：

气体20‒100高压水蒸气500‒3500水1000‒15000水的相变换热：

沸腾2500‒35000蒸汽凝结5000‒25000热辐射是指物体通过电磁波中的可见光线和红外线来传递热量。热辐射区别于导热、对流换热的基本特点是无须物质之间的相互接触，也不需要传热介质来传递热量，热辐射可以在真空中进行。物体间通过辐射来实现热量交换的过程称为辐射换热。辐射换热不仅产生能量的转移，同时伴随着能量形式的转变，即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。5.热辐射传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热。在轮机工程中也有很多换热设备，如大气冷凝器、中央冷却器等，进行热量交换的冷、热流体也是分别处于固体壁面的两侧。传热过程是导热、对流、辐射三种传热方式的复合过程；例如，锅炉中高温燃气与水的传热过程，就同时具有导热、对流换热和辐射换热三种方式。其中高温燃气对炉胆壁面的传热以辐射和对流两种方式换热；炉胆下壁面向炉胆上壁面的传热是以导热方式进行；而炉胆上壁面向水的传热过程是对流换热方式。6.影响传热的基本途径（一）强化传热的基本途径强化传热主要有增加传热面积、加大传热温差和提高传热系数等三种途径。热阻大（传热系数小或换热面积小）的子环节决定整个传热过程中的传热量，所以强化传热时，增强传热过程中传热热阻大的一侧的传热系数最有效。（1）增加传热面积一般采用在对流换热系数较小的一侧加肋壁的方法，例如暖气片的肋壁加在空气侧。（2）加大传热温差例如开大冷却器冷却水管路上的阀门，可加大冷却水流量，以达到加大传热温差增强传热的效果。（3）提高传热系数1）清除污垢，减少导热热阻

例如对换热器进行清洗，对废气锅炉进行吹灰，对冷库蒸发器融霜。2）改变流体流动状况

例如壳管式换热器内装有折流挡板，使流体横向掠过管子，以及在换热器中加隔板，提高流体的流速。3）改变流体的物性

例如个人计算机PC中为提高CPU等芯片的冷却效果，经历着从空气冷却（风冷）向液体冷却（水冷）的技术发展。4）改变换热面的表面状况

板式换热器（二）削弱传热的基本途径通常是应用热绝缘层，以增加导热热阻来削弱热量传递。一般把导热系数小于0.23W/(m·K)的材料称为热绝缘材料，也叫保温材料。热绝缘材料的特点之一是空隙多，空隙中充有空气，空气导热系数小，因此保温性好。热绝缘材料吸收水分后，由于水分子的迁移方向与传热方向相同，会使导热系数迅速提高，所以防水层必须设置在热绝缘层的外侧，即所形成的结构依次为空气侧、防水层、热绝缘层、需隔热物体等。第二节力学基础一、静力学的基本概念力的定义力是物体相互间的机械作用，这种作用使物体的机械运动状态发生改变，或者使物体产生形变。确定力的必要因素力的三要素大小

方向作用点力的效应外效应—改变物体运动状态的效应。内效应—引起物体变形的效应。力的标准单位：牛顿，N1.力的概念基本概念力系——作用于同一物体或物体系上的一群力。等效力系——对物体的作用效果相同的两个力系。平衡力系——能使刚体维持平衡的力系。分力——一个力等效于一个力系，则力系中的各力称为这个力（合力）的分力。合力——能和一个力系等效的一个力。即，合力为原两力的矢量和。A公理一

力平行四边形公理

作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。F1F2FR矢量表达式：FR=F1+F2公理二二力平衡公理

作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是： 这两个力大小相等|F1

|=|F2

|

方向相反F1

=–F2

作用在同一条直线上。力对物体可以产生移动效应--取决于力的大小、方向 转动效应--取决于力矩的大小、方向FF2.力矩力可以使物体转动：用扳手拧螺丝、用杆秤称重、跷跷板、拉门把手开门；取决于力的大小和力臂的长度；力矩为力对物体产生转动作用的物理量，可以分为力对点之矩和力对轴之矩。用扳手转动螺母时，作用于扳手一端的力F使扳手绕O点转动，其转动效果不仅与力F的大小有关，而且还与O点到F作用线的垂直距离d有关。力矩（Mo(F)）：1.定义：力F和力臂d的乘积作为度量力F使物体绕O点转动效应的物理量，这个量称为力F对O点之矩，简称力矩。Mo(F)=±F·d式中，O点称为力矩中心，简称矩心；在平面问题中，力对点之矩是一个代数量,其绝对值等于力的大小与力臂的乘积，其正负号规定为：力使物体绕矩心做逆时针转动时力矩为正，反之为负。所以正负号表示力使物体转动的两种方向。由力矩公式可知：（1）力F对O点之矩不仅取决于F的大小，还有矩心的位置有关。（2）力沿作用线方向移动时，力和力臂的大小均未改变，力矩的大小不变；（3）力F的作用线通过矩心时，力矩等于零；（4）互成平衡的一对力对同一点之矩的代数和等于零；力对轴之矩则用来度量力对刚体所产生的绕某轴转动的效应。力对轴之矩为代数量，其正负号按右手规则确定。①定义：大小相等、方向相反、作用线平行且不共线的两个力称为力偶。②力偶作用面：由两力作用线所决定的平面称为力偶作用面。③力偶臂：两力作用线间的垂直距离h称为力偶臂。3.力偶的概念力偶矩M(F，F’)：1.定义：以力的大小F与力偶臂的乘积作为度量力偶对物体的转动效应的物理量，称为力偶矩。力偶矩的单位与力矩相同。力偶对物体的作用效应取决于三个要素：力偶矩的大小；力偶的转向；力偶的作用平面。力偶的基本性质力偶无合力；力偶对物体的作用效应仅取决于力偶的三要素，而与力偶的作用位置无关，即力偶可在作用平面内任意移动；在力偶的三要素不改变条件下，可以任意选定组成力偶的两个等值、反向、平行力的大小或力偶臂的长短；摩擦力之定义：两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力。物体之间产生摩擦力必须要具备以下三个条件:第一，物体间相互接触、挤压第二，接触面不光滑第三，物体间有相对运动趋势或相对运动。二、摩擦的概念及应用摩擦分类滑动摩擦滚动摩擦静（滑动）摩擦动（滑动）摩擦皮带传动摩擦的种类(2)动滑动摩擦：定义:两个相互接触的物体发生相对运动时产生的摩擦力。动滑动摩擦力与法向力成正比。(3)滚动摩擦：定义:一物体在另一物体表面作无滑动的滚动或有滚动的趋势时，由于两物体在接触部分受压发生形变而产生的对滚动的阻碍作用，叫“滚动摩擦”。

(1)静滑动摩擦：定义:静摩擦是指相互接触的物体间具有相对滑动趋势时的摩擦。大小随外力的变化而变化，在零和最大静摩擦力之间。

摩擦定律：a.摩擦力与接触面之面积大小无关，但与接触面之性质有关。b.动摩擦力与法向力成正比，但摩擦系数不因法向力之增减而变化。c.动摩擦系数小于最大静摩擦系数。d.改变运动方向，会增大摩擦力。速度越高，则动摩擦系数越小。f.温度之变化对摩擦力之影响甚小。滚动轴承的摩擦系数远小于滑动轴承，传动效率高，所以在机械应用较广泛，例如离心泵泵轴轴承、制冷压缩机曲轴轴承、电机转子轴承等。但滑动轴承结构简单、工作可靠、在机械中也有一定应用，例如柴油机的主轴承、轴系的中间轴承等。滚动摩擦系数的大小与接触材料、表面状况有关。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转；外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用；滚动体是借助于保持架均匀的分布在内圈和外圈之间滑动轴承（slidingbearing），在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。推力轴承是用来专门承受轴向力的专用轴承，就是轴平行的方向的力的轴承。运动学是从几何的观点研究物体的机械运动。在运动学中通常将实际物体抽象化为两种力学模型：点和刚体。为了表示物体运动的快慢程度和方向，引入了速度的概念。为了反映物体运动速度变化的快慢，引入了加速度的概念。1.速度三、速度与加速度的概念、线速度与角速度速度的物理意义——速度是描述物体运动快慢的物理量。平均速度定义：运动物体的位移和时间的比值。表征物体单位时间内移动的距离。若物体做直线运动，在Δt时间间隔内，物体移动了Δx的距离，则物体的平均速度可表示为瞬时速度定义：运动物体在某一时刻（或某一位置）的速度。取∆t非常小时，可以近似为匀速直线运动，所得的平均速度，就是该点处瞬时速度。矢量：方向沿轨迹的切线。大小：称为速率。单位：m/s加速度1.定义：速度的变化量跟发生这一变化所用时间的比值。2.定义式：3.物理意义：描述速度变化的“快慢”5.矢量性：是矢量，其方向Δv方向相同。4.单位：在国际单位制中，加速度的单位是m/s26.又称：速度变化率在物理学中，把质点的运动轨迹是圆或圆弧的一部分的运动叫做圆周运动。两物体均做圆周运动，怎样比较它们运动的快慢？比较物体在一段时间内通过的圆弧的长短比较物体在一段时间内半径转过的角度大小比较物体转过一圈所用时间的多少比较物体在一段时间内转过的圈数2、定义：质点所在的半径转过圆心角Δθ和所用时间Δt的比值叫做角速度。1、物理意义：描述质点转过圆心角的快慢。

3、大小：4、单位：rad/sΔθΔθ采用弧度制说明：匀速圆周运动是角速度不变的运动。角速度2、定义：质点做圆周运动通过的弧长Δl和所用时间Δt的比值叫做线速度。1、物理意义：描述质点沿圆周运动的快慢。3、大小：4、单位：m/s5、方向：质点在圆周某点的线速度方向沿圆周上该点的切线方向。Δl是弧长并非位移当Δt很小很小时（趋近零），弧长Δl就等于物体的位移，式中的v，就是直线运动中学过的瞬时速度。矢量∆l线速度匀速圆周运动vvo定义1：物体沿着圆周运动，并且线速度的大小处处相等，这种运动叫做匀速圆周运动。匀速圆周运动中的“匀速”指速度不变吗？注意：匀速圆周运动是一种变加速曲线运动加速度方向在变化定义2：质点沿圆周运动，如果在相等的时间里通过的圆弧长度相同——这种运动就叫匀速圆周运动。定义3：质点沿圆周运动，如果在相等的时间里通过的弧度（圆心角）相同——这种运动也可以叫做匀速圆周运动。转速周期T、频率f、角速度ω和线速度v的关系？线速度和角速度关系：v=ωr角加速度：工程上常用转速n

(r/min)表示转动的快慢，n与ω之间的关系为定轴转动物体上的各点都做圆周运动，R为转动半径，各点的加速度包括切向加速度和法向加速度，它们的大小分别为：切向加速度的方向垂直于转动半径，方向与瞬时角加速度α相同，法向加速度方向指向圆心。相对转动的非惯性系中的物体，所受离心力可表示为

其方向为沿半径背离圆心。第三节流体力学知识船舶动力装置主要采用水、油、水蒸气、空气和燃气等流体作为工质。流体力学是研究流体的平衡和运动规律，以及流体与固体之间相互作用关系的科学。流体与固体的主要区别在于流体的易流动性。液体和气体的主要区别是液体的压缩性和膨胀性都很小。丹尼尔·伯努利在1726年首先提出：“在水流或气流里，如果速度小，压强就大；如果速度大，压强就小”。我们称之为“伯努利原理”。列车(地铁)站台的安全线有人测定过，在火车以每小时50公里的速度前进时，竟有8公斤左右的力从身后把人推向火车。船吸现象1912年秋天，“奥林匹克”号轮船正在大海上航行，在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米处，有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号正在向前疾驶，两艘船似乎在比赛，彼此靠得比较近，平行着驶向前方。忽然，正在疾驶中的“豪克”号好像被大船吸引似地，一点也不服从舵手的操纵，竟一头向“奥林匹克”号撞去。最后，“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上，撞出个大洞，酿成一件重大海难事故。伯努利方程：理想流体在重力场中作稳定流动时，能量守衡定律在流动液体中的表现形式。含义：对于理想流体作稳定流动，在同一流管中任一处，每单位体积流体的动能、势能和该处压强之和是一个恒量。流体的概念

流体：在任何微小剪切力作用下都会产生连续变形的物质。通俗地说，流体即流动的物质。流体的基本特征：流动性

气体：分子间距离大，分子间作用力小，分子可自由运动，因而不能保持一定的形状和体积，充满整个空间。液体：分子间距离小，分子间作用力大，不能保持一定的形状，能保持一定的体积。1.流体的密度ρ定义：单位体积的流体所具有的质量，单位为kg/m3。2.比容ν定义：单位质量的流体所占的体积称为比容ν

，是流体密度的倒数，单位为m3/kg。3.重度γ定义：单位体积的流体所具有的重力

，单位为N/m3。

γ=ρg

g为重力加速度，9.8m/s2流体的主要物理性质密度与温度和压强有关液体密度随温度略有变化，受压强影响不大。1000100098096094040608020

tºC水的密度随温度的变化

气体密度受压强和温度影响的变化较大。4.压缩性定义：流体分子间有一定的间隙，当温度不变，流体所受压力增加时，其体积缩小的性质，称为流体压缩性。5.膨胀性定义：在一定压强下流体的体积随温度的升高而增大的特性。(1/K)或(1/℃)通常用体积膨胀系数来表示，定义为压强不变的情况下，温度每升高1K所引起的体积相对变化量。由实验得知，气体的体积膨胀系数很大，而液体的体积膨胀系数非常小。船舶概论IntroductiontoShip第二章轮机工程概述家用电热水器上的安全阀当水压突然增高，或者加热过热，内胆承受压力过大，安全阀就会自动泄压，以免内胆爆裂。原理：一个调整好压力的弹簧，压着一个阀芯。如果水的压力异常升高，高于弹簧压力时，阀芯被压开，排出水泄压。6.液体的表面张力定义：液体表面相邻两部分之间的相互吸引力。处于液体表面的分子受到内部分子的吸引力远大于外部气体分子对它的吸引力，表面处分子所受合力垂直于液面指向内部，具有自发收缩表面积的趋势。表征这一趋势的为表面张力系数，它表示液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。表面张力系数随温度的升高而减小。7.毛细现象内聚力：液体分子间相互吸引、相互制约的吸引力；附着力：液体与固体壁面间的吸引力。不浸润现象―内聚力>附着力,则液体就抱成团,与固体不浸润，即不湿润固体，这种现象就叫不浸润现象（例如，玻璃板上滴一滴水银）。浸润现象―内聚力<附着力，则液体就能湿润固体表面，这种现象称为浸润现象（例如，干净的玻璃板上滴一滴水滴，水滴便很快向四周扩展）。水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡。水银不能浸润玻璃，但能浸润锌。7.毛细现象毛细作用，是液体表面对固体表面的吸引力。毛细管插入浸润液体中，管内液面上升，高于管外；毛细管插入不浸润液体中，管内液体下降，低于管外的现象。在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子。植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，它能把土壤里的水分吸上来。砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象。在这些物体中有许多细小的孔道，起着毛细管的作用。8.液体含气量定义：液体中所含空气按体积百分比计的数量叫做含气量。液体中所含空气体积的百分数叫做含气量，空气可溶解在液体中，也可以气泡的形式混合在液体之中。混入的空气会呈气泡状态悬浮于油液中，它对油液的体积弹性系数和粘性均产生影响，尤其是对体积弹性系数的影响极大。而溶入气体则对油液的体积弹性系数和黏性的影响极小。9.液体的空气分离压在一定温度下，当液体压力低于某一压力值时，溶解在液体中的空气将会迅速从液体中分离出来，产生大量的气泡，这个压力称为液体在该温度下的空气分离压。

牛顿经过大量实验研究，在1686年提出了确定流体内摩擦力的公式即牛顿内摩擦定律。匀速运动F’固定不动10.黏滞性流动具有下列特点(1)与上板接触的流体粘附在上板上，并以速度u随上板运动；与下板接触的流体粘附在下板上，速度为零，两板间的流体速度呈线性分布，即u是y的一