2热工 流体静力学基础.pptx

1、第一章 流体力学基础,无机材料热工基础,序言 流体的概念,研究流体力学问题的方法：实验研究法、理论分析法和数值计算法。 流体的概念：通俗地讲，凡能够流动的物体统称为流体。用力学术语进行定义，流体是指在任何微小的剪切力下都将发生连续变形的物体。液体、气体统称为流体。 连续介质模型：（1）不考虑分子间隙，认为介质是连续分布于流体所占据的整个空间；（2）表征流体属性的诸物理量，如密度、速度、压强、切应力、温度等在流体连续流动时是时间与空间坐标变量的单值、连续函数。,1. 流体的物理性质1.1 流体的惯性：,质量是惯性大小的度量。 单位体积的质量称为密度，以符号表示，单位为kg/m3。 流体中某点的密

2、度就是该点单位体积流体的质量，若流体的质量为M，体积为V，则密度可表示为： 在均质流体中，各点的密度相同，设其体积为V，质量为M，则： =M / V 水银的密度为13.6103 kg/m3,4水的密度1000kg/m3,0 空气1.293 kg/m3。,气体密度与温度、压力的关系 气体是可压缩流体，密度随温度压力而变化，可近似按照理想气体方程计算 式中 ：为气体在0的膨胀系数，1/273(1/ ) o 是气体的标态密度。 气体混合物的组成通常以体积百分率表示，其混合密度 液体混合物的组成通常以质量分率w表示，其密度,密度的倒数称为比容（v），即单位质量流体所占据的体积，用符号表示，其SI单位为

3、m3/kg。可表示为： 在共同的特定条件下，流体的密度与另一参考流体的密度的比值称为该流体的相对密度，又叫做流体的比重，用符号d表示，即： 单位体积流体的重量称为流体的重度，用符号表示。重度与密度有如下关系： 式中：g重力加速度，其单位为m/s2。,d = f / w, =g,【例1-1】锅炉烟气各组分气体所占体积的百分比分别为 ， ， ， 。 试求烟气的密度。 【解】 由表1-2查得在标准状态下 。将已知数据代入（1-4）式，得标准状态下烟气的密度： =1.9760.136+2.9270.004+1.4290.042+1.2510.756+0.8040.062=1.336(kg/m3),【

4、例1-2】 已知压强为98.07kN/m3，0时锅炉烟气重度为13.13 kN/m3 ，求排烟温度为200时烟气的重度与密度。 【解】 锅炉烟气升温过程为等压过程，由式（1-11）可求得烟气的密度与重度。 由 kg/m3 则 kg/m3 N/m3 由此可见，当温度变化较大时，气体的密度与重度有较大的变化。,1.2 流体的粘滞性,所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力，这是流体的一种固有物理属性，称为流体的粘滞性或粘性。 牛顿剪切定律（粘滞定律）： 流体层之间单位面积的内摩擦力与流体变形速率 即速度梯度成正比。 比例系数 就是代表流体粘滞性的物理量，反映了流体内摩擦力的大小，称为流体的动力粘性系

5、数或粘度。 在数值上等于速度梯度为1时单位面积上内摩擦力的大小，在国际单位制中，其单位为Ns/m2或Pas（帕秒）。 在流体力学的分析计算中，常常把流体的粘度 和密度 这两个物理性质结合在一起以 的形式出现。由此引出另一个参数，来表示这种比值 的单位为m2 /s，将其称为运动粘性系数或运动粘度。,根据流体的粘性不同，可以将实际流体分为不同的类型。,粘性流体与理想流体 自然界中存在的流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为粘性流体或实际流体。完全没有粘性，即 的流体称为理想流体。 牛顿流体和非牛顿流体 凡遵循牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体，否则为非牛顿型流体。 a牛顿型流体；b假塑性流体； c胀塑

6、性流体；d宾汉塑性流体,1.3作用在流体上的力,质量力（体积力） 质量力又叫作体积力，它是某种力场（如重力场、磁力场、电力场）作用于流体各质点（或各微团）上的力（相应的为重力、磁力、电动力）。质量力与周围流体的存在无直接关系。对于均质流体，总质量力的大小与流体的质量（或体积）成正比。 表面力 表面力是周围相接触的物体作用于所研究流体表面且与该表面积大小成正比的力，它与流体的质量力无关，而与周围物体的存在有直接关系。例如，大气压力、水压力与摩擦力都是表面力。 表面力用单位面积上的表面力， 即表面应力来表示。 表面应力可分成两个分量：一个是沿表面切线方向作用的切向应力，如前面讨论的粘性力；另一个是

7、沿表面法线方向作用的法向应力，通常称为压强。 p为A点的法向应力，又称为压强；它的单位在国际单位制中为Pa。,流体静压强的物理意义及量度,(1)静压强的物理意义,(2)静压强的量度,绝对压强、表压强和大气压强,绝对压强=大气压强+表压强,13,静压强的特性,压强的量度单位,压强的大小有三种表示方法：应力单位、流体柱的高度及大气压的倍数。 应力单位即从压强的基本定义出发，直接用单位面积所受力的大小表示，国际单位为N/m2（Pa），工程单位为kgf/cm2或kgf/cm2。 液柱高度是因有一类测压仪表是用水或汞柱的高度表示压力，用液柱高度来表示相应的压力，其单位为mH2O或mmHg。如海平面的标准

8、大气压为760mmHg。 在压力较高的场合多用大气压做量度单位。国际上规定一个标准大气压（用符号atm表示）的值大小为101325Pa。工程单位中用kgf/cm2作为大气压的计量单位，成为工程大气压，用符号at表示，即1at=1 kgf/cm2=98000Pa。,1.4流体静力学基本方程式 单一流体静力学方程式 静力学方程的导出 在一静止流体内，任取一段垂直柱体，按力平衡条件有：,静止流体内任意二个截面上的 静压能与位能之和相等,静力学方程,（2）静力学方程的 讨论 1）流体静力学方程是能量守恒与转化定律在静止流体中的表现形式。,若p1代表作用在液体表面上的静压强，且p1(z1-z2)，则液面

9、之下任一点的静压强为：,作用在液面上的静压强 可以传递到液体内部任何点,帕斯卡定律,位能 静压能,若z1z2，则有p2p1,即：,压强相等的点 组成的面,等压面,判断等压面的条件：只有重力作用下的等压面应是静止、连通而且连通的介质为同一均质流体的同一水平面。,自由液面 互不相混的两液体的分界面 流体与固体的水平接触面,2）令z1=z2,则p1=p2，它说明静止的密度相同且连续的流体中，同一水平面上流体静压强相等。,3）自由液面下任意深度处的压强,4）对可压缩流体,5）静力学方程的其它形式,平衡液体中压强的 分布规律：h，p,静力学方程,【例】封闭水箱如图所示。自由液面上的绝对压强p0122.6

10、kPa，水箱内水深h3m，当地大气压Pa88.26kPa。求（1）水箱内绝对压强和相对压强的最大值。（2）如果78.46kPa，求自由液面上的相对压强、真空度或负压。,相对压强：,【解】（1）求压强的最大值 绝对压强：,据静力学原理知： 水箱底面的压强最大。,(2)当P078.46kPa，其相对压强为:,真空度:,负压的绝对值,二流体静力学方程,窑炉中的热气体 的静力学方程:,或,当z1z2时，有p1p2， 上部截面的静压强大于下部截面,考虑大气 浮力的影响,【例】 蓄水池水深h=3m，当地大气压pa=1 at（98070Pa），求水池底部的相对压强p及绝对压强pabs。 【解】 只考虑重力作

11、用，根据重力场中流体静力学基本方程，水池底部的绝对压强为： pabs = pa+ gh =pa+ gh=98070+9.810003=127.47(kPa) 相对压强为： pg=pabs- pa=127.47 98.07 = 29.4(kPa),【 例】 贮油雄中盛有比重0.96的重油，油面最高时离罐底10.4m，油面上方与大气相通。罐侧壁下部有一直径600mm的人孔，用盖压紧。圆孔的中心在罐底以上800mm。试求作用在人孔盖上的总压力 【解】 先求作用于孔盖内侧的压力，为简便计，设作用于孔盖的压力等于作用于盖中心点的压力。以罐底为基准水平面，压力以表压计，则 z1=10.4m，z2=0.8m

12、，1=0.96103Kg/m3 此为油作用于孔盖内侧的表压力，大气作用于孔盖外侧的表压力为零，故孔盖所受的平均压力即为90400N/m2,作用于孔盖上的总压力：,U形液柱测压计 U形测压计的工作原理如图。 1）测设备中两点的压差 被测流体为液体,2）测设备中的表压强,【例】如图，若被测流体为水，测压计工作介质为水银，水银面高差h0.25m，求压强差p1-p2。,【解】据U形测压计的工作原理可知：,双液体U管压差计,若所测压力差很小，用普通U管压差计难以测准，可改用如图1-13所示的双液体U管压差计。它是在U管的两侧壁上增设两个小室，装入A、C两种密度稍有不同的指示液。若小室的横截面远大于管截面

13、，即使下方指示液A的高差很大，两个小室内指示液C的液面基本上仍能维持等高。 压力差便可用下式计算： 只要选择两种密度差很小的适用的指示液，便可将读数R放大到等于普通U管的几倍或更大。,【 例】 如图1-14所示的U管压差计，水银密度为 2, 酒精密度为1，如果水银面的高度读数分别为z1、z2、z3、z4，则A、B两气体容器的压差表达式为多少？,【 解】 由于气体重度远小于液体重度，因此可认为pA = p1，pB = p4 根据等压面的概念，1-1、2-2、3-3都分别为等压面，则 界面2的压强：p2=pA- 2 g(z2-z1) 界面3的压强：p3=p2+ 1 g(z2-z3)=pA- 2 g(z2-z1)+ 1 g(z2-z3) 界面4的压强 p4=p3 - 2 g(z4-z3)= pA- 2 g(z2-z1)+ 1 g(z2-z3) - 2 g(z2-z1) = pB 整理上式，可得： pA-pB = 2 g ( z2 - z1 + z4 - z3 ) - 1 g(z2-z3),斜管微压计,当测量很微小的流体压力时，为了提高测量的精度，常常采用斜管微压计。 在测压前，斜管微压计的两端与大气相通，容器与斜管内的液面平齐(如图中的00断面)。当测量容器或管道中某处的压力时，将微压计上端的测压口与被测气体容器或管道中