流體力學基礎知識

1、流體力學基礎知識流體力學基礎知識 v具有流動性的介質具有流動性的介質，如水、空氣、蒸汽等。，如水、空氣、蒸汽等。這些液體和氣體統(tǒng)稱這些液體和氣體統(tǒng)稱流體流體。流體的基本特性。流體的基本特性就是就是流動性流動性。在學習具體內容之前，需了解。在學習具體內容之前，需了解有關流體的基本知識。有關流體的基本知識。第一節(jié)第一節(jié) 流體的主要物理性質流體的主要物理性質一、流體的慣性、密度和容重一、流體的慣性、密度和容重1慣性慣性（1）定義：反抗改變其原有運動狀態(tài)的特性。）定義：反抗改變其原有運動狀態(tài)的特性。 or：保持其原有運動狀態(tài)的特性。：保持其原有運動狀態(tài)的特性。（2）質量越大，慣性越大。）質量越大，慣性

2、越大。2密度密度（1）定義：單位體積的質量。）定義：單位體積的質量。（2）公式：）公式： V其中其中/m3；M；Vm3。其中其中M微小體積微小體積V的流體質量；的流體質量； V包含該點在內的流體體積。包含該點在內的流體體積。3容重容重（1）定義：單位體積的重量。）定義：單位體積的重量。（2）公式：）公式：VMV0limVG對非均質流體，對非均質流體，其中其中 N/m3，GN，Vm34與與的關系：的關系：v液體的液體的和和隨外界壓力和溫度有一定變化，但變隨外界壓力和溫度有一定變化，但變化值不大，一般視為固定值；氣體的化值不大，一般視為固定值；氣體的和和隨溫度、隨溫度、壓強的變化較大。水從壓強的變

3、化較大。水從0升至升至30，密度減小，密度減小0.4%,溫度較低時溫度較低時(1020),每升高每升高1,密度減小密度減小0.15；溫度較高時（；溫度較高時（90100），每升高），每升高1,密度減小密度減小0.7。壓強每升高一個大氣壓，水的密。壓強每升高一個大氣壓，水的密度增加約度增加約1/10000。所以，水的熱膨脹型、壓縮性。所以，水的熱膨脹型、壓縮性很小。但在熱水供應中應考慮水的膨脹體積。很小。但在熱水供應中應考慮水的膨脹體積。v常用：常用：水水=1000/m3（4）；）；水水=9800 N/m3；空氣空氣=1.2/m3(20)。ggVMVGMgG,二、流體的粘滯性二、流體的粘滯性1定

4、義定義：流體質點間或流層間因相對運而產生內摩擦力以反流體質點間或流層間因相對運而產生內摩擦力以反抗相對運動的性質。此內摩擦力稱為粘滯力?？瓜鄬\動的性質。此內摩擦力稱為粘滯力。2粘滯系數(shù)粘滯系數(shù)：動力粘滯系數(shù)：動力粘滯系數(shù)（Pa.s），運動粘滯系數(shù)），運動粘滯系數(shù)（m2/s）。不同流體）。不同流體、不同，溫度較壓力對其影響更大。不同，溫度較壓力對其影響更大。3溫度與粘滯性溫度與粘滯性v粘滯性是分子之間的吸引力與分子不規(guī)則熱運動引起的動量粘滯性是分子之間的吸引力與分子不規(guī)則熱運動引起的動量交換的結果。溫度升高，分子之間的吸引力降低，動量增大；交換的結果。溫度升高，分子之間的吸引力降低，動量增大；

5、反之，溫度降低，分子之間的吸引力增大，動量減小。對液反之，溫度降低，分子之間的吸引力增大，動量減小。對液體，分子之間的吸引力是決定性因素，所以體，分子之間的吸引力是決定性因素，所以液體的粘滯性液體的粘滯性隨溫度升高而減小隨溫度升高而減??；對于氣體，分子之間的熱運動產生對于氣體，分子之間的熱運動產生動量交換是決定性因素，所以動量交換是決定性因素，所以，氣體的粘滯性隨溫度升氣體的粘滯性隨溫度升高而增大高而增大。 三、流體的壓縮性和膨脹性三、流體的壓縮性和膨脹性1壓縮性：壓縮性：T不變時，不變時，P增大，增大，V隨之減小的隨之減小的性質。性質。2膨脹性：膨脹性：P不變，不變，T升高時，升高時，V增大

6、的性質。增大的性質。3液體的壓縮性和膨脹性均很小，氣體則較液體的壓縮性和膨脹性均很小，氣體則較明顯，但通常均視流體為明顯，但通常均視流體為不可壓縮、連續(xù)不可壓縮、連續(xù)的理想流體的理想流體。（。（連續(xù)介質、無粘性流體、連續(xù)介質、無粘性流體、不可壓縮流體不可壓縮流體）第二節(jié)流體靜力學基礎第二節(jié)流體靜力學基礎v流體不能受拉力、剪切力，但能承受較大的壓流體不能受拉力、剪切力，但能承受較大的壓力，便于流動。適于管道輸送，常用作制冷、力，便于流動。適于管道輸送，常用作制冷、供熱的介質。供熱的介質。 一、流體靜壓力及其基本方程式一、流體靜壓力及其基本方程式1. 流體靜壓力流體靜壓力: 由處于靜止或相對靜止的

7、均質流體施加的力。由處于靜止或相對靜止的均質流體施加的力。 Or：作用在整個物體表面積上的稱為流體靜壓：作用在整個物體表面積上的稱為流體靜壓力，而作用在單位面積上的流體靜壓力稱為流力，而作用在單位面積上的流體靜壓力稱為流體靜壓強。體靜壓強。v一水箱，任取一截面，上部分作用其上一水箱，任取一截面，上部分作用其上的力為的力為，面積為，面積為，則，則上的平上的平均流體靜壓強均流體靜壓強 v當當縮小縮小點時，比值趨于某一極點時，比值趨于某一極限值，稱為點的流體靜壓強：限值，稱為點的流體靜壓強： p若為常數(shù)，則若為常數(shù)，則 0limpPp2.流體靜壓強的特性流體靜壓強的特性v流體靜壓力、靜壓強都是壓力的

8、一種量度，流體靜壓力、靜壓強都是壓力的一種量度，其區(qū)別在于：前者是作用在某一面積上的其區(qū)別在于：前者是作用在某一面積上的總壓力，后者是作用在某一面積上的平均總壓力，后者是作用在某一面積上的平均壓力或某一點的壓力。壓力或某一點的壓力。 （1）其）其方向垂直于作用面并指向作用面方向垂直于作用面并指向作用面；否則，就有一個平行于作用面的切向分力，否則，就有一個平行于作用面的切向分力，使流體失去靜止狀態(tài)。使流體失去靜止狀態(tài)。（2）任意點各方向上的流體靜壓強相等任意點各方向上的流體靜壓強相等；任意點的流體靜壓強的大小與作用面方向任意點的流體靜壓強的大小與作用面方向無關，只與該點的位置有關。無關，只與該點

9、的位置有關。3.流體靜壓強的分布規(guī)律流體靜壓強的分布規(guī)律v取靜止流體中的一與軸線垂直的圓柱體作取靜止流體中的一與軸線垂直的圓柱體作隔離體隔離體hG12211221121)()(v水平方向無重力前后左右各方向的水平力處于平水平方向無重力前后左右各方向的水平力處于平衡狀態(tài)，合力為衡狀態(tài)，合力為0。 v取斜圓柱體亦可。沿軸線方向外力平衡。圓柱體取斜圓柱體亦可。沿軸線方向外力平衡。圓柱體端面是任取的，所以該公式為普遍關系式。端面是任取的，所以該公式為普遍關系式。 v其中，其中，液面壓強；液面壓強；液體內部某液體內部某點的壓強；點的壓強； 容重；容重；深度。深度。v它表示靜止液體中，壓強隨深度按直線變化

10、它表示靜止液體中，壓強隨深度按直線變化的規(guī)律。任一點的壓強由的規(guī)律。任一點的壓強由p0和和 兩部分組成。兩部分組成。壓強的大小與容器的形狀無關。壓強的大小與容器的形狀無關。hpp0液面下任一點的壓強液面下任一點的壓強規(guī)律：規(guī)律：.深度相同，壓強相同深度相同，壓強相同。由于液面是水平面，所以這。由于液面是水平面，所以這些壓強相同的點組成的面是水平面，即：水平面是些壓強相同的點組成的面是水平面，即：水平面是壓強處處相同的面。所以，水平面是等壓面。兩種壓強處處相同的面。所以，水平面是等壓面。兩種不相混雜的液體的分界面也是水平面，自由表面是不相混雜的液體的分界面也是水平面，自由表面是水深為的各點組成的

11、等壓面。水深為的各點組成的等壓面。2.液面壓強液面壓強變化變化 ，內部壓強，內部壓強隨之變化隨之變化 。此即水靜壓強等值傳遞的帕斯卡定律。應用于水壓此即水靜壓強等值傳遞的帕斯卡定律。應用于水壓機、液壓傳動、氣動閥、水力閘門等。機、液壓傳動、氣動閥、水力閘門等。3.重度不同，產生的壓強不同重度不同，產生的壓強不同。同一容器裝上不同的。同一容器裝上不同的液體，底面壓強各不相同。液體，底面壓強各不相同。 注意：該規(guī)律是同種液體處于靜止、連續(xù)的條件下注意：該規(guī)律是同種液體處于靜止、連續(xù)的條件下推出，所以，只適用于靜止、同種、連續(xù)的液體。推出，所以，只適用于靜止、同種、連續(xù)的液體。二、流體靜壓強的表示法

12、二、流體靜壓強的表示法1.相對壓強相對壓強v以大氣壓強為零點起算的壓強以大氣壓強為零點起算的壓強。它表示給出。它表示給出的壓強比周圍大氣壓大多少的壓強比周圍大氣壓大多少。2.絕對壓強絕對壓強v以沒有一點氣體存在的絕對真空為零點起算以沒有一點氣體存在的絕對真空為零點起算的壓強。的壓強?；颍簭慕^對零點起算的壓強（一個容器或：從絕對零點起算的壓強（一個容器中的氣體完全抽空時，其壓強為絕對零）。它是中的氣體完全抽空時，其壓強為絕對零）。它是流體的全部壓強。流體的全部壓強。v 不能為負，它和不能為負，它和相比，可大，可小。相比，可大，可小。因此，因此，可正可負。當可正可負。當為正時，稱正壓（即表為正時，

13、稱正壓（即表壓）。當壓）。當為負時，稱負壓，其絕對值為真空度為負時，稱負壓，其絕對值為真空度（即真空表讀數(shù)）（即真空表讀數(shù)）。v=+3.真空值真空值 流體中某處的低于大氣壓強的部分。流體中某處的低于大氣壓強的部分。=-4.圖解圖解、的關系的關系 絕對壓強基準絕對壓強基準0壓強壓強p大氣壓強大氣壓強pa相對壓強基準相對壓強基準0A絕絕對對壓壓強強pAAA相對壓強相對壓強pABB真空度真空度PB=-pByB絕對壓強絕對壓強pBpa三、單位三、單位1. pa 或或N/m22. 液柱高度液柱高度mH2O; mmH2O。四、靜壓力分布圖四、靜壓力分布圖v垂面、折面、斜面。垂面、折面、斜面。第三節(jié)流體動力

14、學基礎第三節(jié)流體動力學基礎 一、流體動力學基本概念一、流體動力學基本概念1.動水壓力動水壓力v流動液體中，垂直于液流方向所測得的壓力。流動液體中，垂直于液流方向所測得的壓力。2.穩(wěn)定流穩(wěn)定流：流體流動時，流速、壓力、密度等不隨時：流體流動時，流速、壓力、密度等不隨時間而變。間而變。v非穩(wěn)定流非穩(wěn)定流：流體流動時，流速、壓力、密度等隨時：流體流動時，流速、壓力、密度等隨時間而變化。間而變化。3.流線流線：流體連續(xù)質點在某一瞬時的流動方向線。它：流體連續(xù)質點在某一瞬時的流動方向線。它是光滑曲線，不相交，它的疏密可反映流速大小。是光滑曲線，不相交，它的疏密可反映流速大小。v跡線跡線：流體某一質點在連

15、續(xù)時間內的流動軌跡。穩(wěn)：流體某一質點在連續(xù)時間內的流動軌跡。穩(wěn)定流可用跡線代替流線。定流可用跡線代替流線。 4.元流：元流：通過微元面積上各點作流線所形成的微小通過微元面積上各點作流線所形成的微小流束。流束。v總流：總流：無數(shù)元流的總和。無數(shù)元流的總和。5.過流斷面過流斷面：處處與流線垂直的橫斷面。：處處與流線垂直的橫斷面。v流速流速：質點運動的速度。：質點運動的速度。v流量流量：單位時間內通過過流斷面的流體體積。：單位時間內通過過流斷面的流體體積。6.濕周濕周：過流斷面與邊界接觸的長度。：過流斷面與邊界接觸的長度。 水力半徑水力半徑：過流斷面與濕周之比。：過流斷面與濕周之比。7.壓力流壓力流

16、：流體充滿整個流動的空間并依靠壓力作：流體充滿整個流動的空間并依靠壓力作用而流動的液流或氣流。用而流動的液流或氣流。 特點：無自由表面，對壁面有壓力。特點：無自由表面，對壁面有壓力。 無壓流無壓流：具有與氣相接觸的自由表面，只依靠自：具有與氣相接觸的自由表面，只依靠自身重力作用而流動的液流。身重力作用而流動的液流。 特點：部分周界不與固面接觸，自由面上的壓力特點：部分周界不與固面接觸，自由面上的壓力等于大氣壓。等于大氣壓。二、穩(wěn)定流的連續(xù)方程二、穩(wěn)定流的連續(xù)方程v即質量守恒方程：即質量守恒方程： 21QQ Qvv2211常數(shù) 2121vv三、穩(wěn)定流能量方程三、穩(wěn)定流能量方程v伯努利方程：伯努利

17、方程：whgvgv222222221111v適用條件：不可壓縮穩(wěn)定流，過流斷面應適用條件：不可壓縮穩(wěn)定流，過流斷面應為均勻流或漸變流，無慣性力作用，流量為均勻流或漸變流，無慣性力作用，流量不變等。不變等。 第四節(jié)水流阻力和水頭損失第四節(jié)水流阻力和水頭損失一、水頭損失的形式一、水頭損失的形式1.產生水頭損失的原因：流體流動時，由于產生水頭損失的原因：流體流動時，由于克服了流動阻力，一部分機械能不可逆轉克服了流動阻力，一部分機械能不可逆轉地轉化為熱能散失而產生的損失。地轉化為熱能散失而產生的損失。2.沿程損失沿程損失：受固體邊界阻滯而產生。：受固體邊界阻滯而產生。3.局部損失局部損失：由于受到局部阻礙的影響，：由于受到局部阻礙的影響，流態(tài)急劇變化，形成渦旋而產生損失。流態(tài)急劇變化，形成渦旋而產生損失。4.水頭損失水頭損失： jfwhhh二、流態(tài)二、流態(tài)1.層流層流:流層間互不摻混，流線平行。流層間互不摻混，流線平行。2.紊流紊流：各質點間強烈摻混，運動軌跡極不：各質點間強烈摻混，運動軌跡極不規(guī)則。規(guī)則。3.雷諾實驗：揭示了沿程損失與流態(tài)有關。雷諾實驗：揭示了沿程損失與流態(tài)有關。判別：判別：2300（圓管），即（圓管），即為層流。為層流。v非圓管非圓管Rv ReRe500。 三、水頭損三、水頭損 失失1.沿程損失沿程損失：h