流體力學基礎(chǔ)知識

流體力學基礎(chǔ)知識流體力學基礎(chǔ)知識流體力學基礎(chǔ)知識xxx公司流體力學基礎(chǔ)知識文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度第一章流體力學基本知識學習本章的目的和意義：流體力學基礎(chǔ)知識是講授建筑給排水的專業(yè)基礎(chǔ)知識，只有掌握了該部分知識才能更好的理解建筑給排水課程中的相關(guān)內(nèi)容。§1-1流體的主要物理性質(zhì)本節(jié)教學內(nèi)容和要求：本節(jié)教學內(nèi)容：流體的4個主要物理性質(zhì)。教學要求：掌握并理解流體的幾個主要物理性質(zhì)應用流體的幾個物理性質(zhì)解決工程實踐中的一些問題。教學難點和重點：難點：流體的粘滯性和粘滯力重點：牛頓運動定律的理解。2．教學內(nèi)容和知識要點：易流動性（1）基本概念：易流動性——流體在靜止時不能承受切力抵抗剪切變形的性質(zhì)稱易流動性。流體也被認為是只能抵抗壓力而不能抵抗拉力。易流動性為流體區(qū)別與固體的特性密度和重度（1）基本概念：密度——單位體積的質(zhì)量，稱為流體的密度即：ρ=M——流體的質(zhì)量，kg;V——流體的體積，m3。常溫，一個標準大氣壓下Ρ水=1×103kgΡ水銀=×103kg基本概念：重度：單位體積的重量，稱為流體的重度。重度也稱為容重。γ=G——流體的重量，N;V——流體的體積，m3。∵G=mg∴γ=ρg常溫，一個標準大氣壓下γ水=×103kgγ水銀=×103kg密度和重度隨外界壓強和溫度的變化而變化液體的密度隨壓強和溫度變化很小，可視為常數(shù)，而氣體的密度隨溫度壓強變化較大。2..3粘滯性（1）粘滯性的表象基本概念：流體在運動時抵抗剪切變形的性質(zhì)稱為粘滯性。當某一流層對相鄰流層發(fā)生位移而引起體積變形時，在流體中產(chǎn)生的切力就是這一性質(zhì)的表現(xiàn)。為了說明粘滯性由流體在管道中的運動速度實驗加以分析說明。用流速儀測出管道中某一斷面的流速分布如圖一所示設(shè)某一流層的速度為u,則與其相鄰的流層為u+du,du為相鄰流層的速度增值，設(shè)相鄰流層的厚度為dy，則du/dy叫速度梯度。由于各流層之間的速度不同，相鄰流層間有相對運動，便在接觸面上產(chǎn)生一種相互作用的剪切力，這個力叫做流體的內(nèi)摩擦力，或粘滯力。平板實驗（2）牛頓內(nèi)摩擦定律基本概念：牛頓在平板實驗的基礎(chǔ)上于1867年在所著的《自然哲學的數(shù)學原理》中提出了流體內(nèi)摩擦力的假說——牛頓內(nèi)摩擦定律：當切應力一定時，粘性越大，剪切變形的速度越小，所以粘性又可定義為流體阻抗剪切變形速度的特性。μ——是比例系數(shù)，稱為動力粘度，μ越大，流體越粘，流動性越差。單位為Pa..sν——運動粘度，m2/s;ν=μ/ρ液體的粘度隨溫度升高而減小——分子間的引力即內(nèi)聚力是形成粘性的主要因素；氣體的粘度是隨溫度的升高而增大——分子間的熱運動而引起的動量交換是形成粘滯性的主要因素。需要強調(diào)的是：牛頓內(nèi)摩擦定律只適用于牛頓流體和層流運動，牛頓流體是指在溫度不變的情況下切應力τ與流速梯度成正比，這時粘滯系數(shù)μ為常數(shù)。對于靜止液體，液體質(zhì)點之間沒有相對運動，因而也就不存在粘滯性。（3.）理想流體基本概念：所謂理想流體是指無粘滯性，即μ=0。例一平板在油面上作水平運動，已知平板的運動速度為40cm./s，有層厚度為5mm,油的動力粘度μ=..s，求作用于平板單位面積上的粘性阻力壓縮型和膨脹性（1）液體的壓縮性和膨脹性基本概念：壓縮性是流體受壓，分子間距離縮小，體積縮小的性質(zhì)。液體的壓縮性通常用壓縮系數(shù)來表示膨脹性當作用于流體上的溫度升高，體積膨脹，溫度降低體積收縮稱為流體的膨脹性。液體的膨脹性通常用膨脹系數(shù)來表示液體的壓縮性和膨脹性都比較小。如水壓強增加一個大氣壓，體積壓縮率約為1/20000，在常溫下，溫度升高1℃，體積膨脹率約為100000（２）氣體的壓縮性和膨脹性氣體的壓縮型和膨脹性比較顯著，在常溫下符合理想氣體狀態(tài)方程，即P/ρ=RT.?！?-2流體靜壓強及其分布規(guī)律本節(jié)教學內(nèi)容和要求：本節(jié)教學內(nèi)容：（１）靜水壓強的兩個特性及有關(guān)基本概念。（２）重力作用下靜水壓強基本公式和物理意義。（３）靜水壓強的表示和計算。教學要求：（１）正確理解靜水壓強的兩個重要的特性和等壓面的性質(zhì)。（２）掌握靜水壓強基本公式和物理意義，會用基本公式進行靜水壓強計算。（３）掌握靜水壓強的單位和三種表示方法：絕對壓強、相對壓強和真空度；理解位置水頭、壓強水頭和測管水頭的物理意義和幾何意義。（４）掌握靜水壓強的測量方法和計算。教學難點和重點：難點：靜水壓強的兩個特性及有關(guān)基本概念。重力作用下靜水壓強基本公式和物理意義。靜水壓強的表示和計算。重點：重力作用下靜水壓強基本公式和物理意義。2．教學內(nèi)容和知識要點：流體靜壓強及其特性（１）基本概念：取靜止流體中的隔離體，設(shè)作用于隔離體上某一微小面積△w上的總壓力為△P，則△w面上的平均壓強為：p=△P/△w（N/m2）當所取的面積無限縮小為一點，則平均壓強的極限值為這個極限值稱為該點的靜壓強。（2）流體靜壓強的單位是帕（牛/米2），以Pa表示。1Pa=1N/m2，105Pa稱為1巴（bar）.（3）流體靜力學的兩個特征：a..流體靜壓強必定沿著作用面的內(nèi)法線方向。b.任一點的流體靜壓強只有一個值，它不因作用面的方位改變而改變。流體靜壓強的分布規(guī)律在靜止流體中去上表面與流體自由表面相重合的微小柱體，其底面積為△w，高為h，其自由表面的壓強p0,則該微小柱體沿垂直方向的受力分別為自由面的壓力，重力，下底面的靜水壓力。側(cè)面的靜水壓力與軸垂直，在軸向投影為零。此鉛直小圓柱體處于靜止狀態(tài)，故其軸向力平衡為：化簡后的：——靜止液體中任一點的壓強；——表面壓強；——液體的容重；——所研究的點在自由表面下的深度。此方程式為靜水壓強的基本方程式，又稱靜水力學基本方程式。該方程式的含義：靜水壓強與水深成正比的直線分布規(guī)律；作用于液面上的表面壓強是等值地傳遞到靜止液體的每一點上；方程適用于靜止氣體壓強的計算，p=p0.；壓強只與深度有關(guān)，而與受壓面的大小，形狀無關(guān)應用靜水壓強方程式分析問題時，要抓住等壓面這個概念。等壓面——流體中壓強相等的點組成的面叫等壓面。推論：靜止連續(xù)的同種液體的水平面是等壓面；靜止的互不混雜的兩種液體的交界面是等壓面。壓強的計量單位與表示方法(1)壓強的計量單位：a從壓強的定義出發(fā)——單位面積上的力，N/m2b大氣壓強的倍數(shù)1個標準大氣壓（0度，緯度為45度的海平面上的壓強,用atm表示）1atm=760mm汞柱對底部產(chǎn)生的壓強1atm=*105Pa1個工程大氣壓（海拔200m的正常大氣壓，用at表示）1at=736nn汞柱對底部產(chǎn)生的壓強。1at=*104Pac用液柱的高度表示——常用水柱高度或汞柱高度表示(2)壓強的表示方法;絕對壓強——以完全真空作為壓強的起點叫絕對壓強。（p’）相對壓強——以當?shù)卮髿鈮簭妏a作為壓強起點記的壓強叫響度壓強p.p=p’–pa以后所指的壓強均為相對壓強，除非給出特殊說明。絕對壓強永遠為正，而相對壓強可正可負。真空壓強——指流體中某點的絕對壓強小于大氣壓強的部分，而不是指絕對壓強本身（也就是該點點相對壓強的絕對值）（pv）Pv=pa-p’§1-3流體運動的基本知識本節(jié)教學內(nèi)容和要求：本節(jié)教學內(nèi)容：(1)液體運動的基本概念，包括流線和跡線，元流和總流，過水斷面、流量和斷面平均流速，恒定流和非恒定流，均勻流和非均勻流，漸變流和急變流。（2）恒定總流連續(xù)性方程。（3）恒定總流的能量方程。教學要求：（1）理解液體運動的基本概念，包括流線和跡線，元流和總流，過水斷面、流量和斷面平均流速，恒定流和非恒定流，均勻流和非均勻流，漸變流和急變流。（2）掌握并會應用恒定總流連續(xù)性方程。（3）掌握并會應用恒定總流的能量方程解決一些工程實踐中的問題。教學難點和重點：難點：恒定總流的能量方程。重點：恒定總流連續(xù)性方程，恒定總流的能量方程。2．教學內(nèi)容和知識要點：流體運動的基本概念:a.壓力流和無壓流壓力流：流體在壓差作用下流動，流體整個周圍都和固體筆相接觸，沒有自由表面。無壓流：液體在重力作用下流動時，液體的部分周界與固體壁面相接處，不分界面與大氣相接觸，形成自由表面。b.恒定流域非恒定流恒定流：流場中液體質(zhì)點通過空間點時所有的運動要素都不隨時間而變化的流動稱為恒定流；非恒定流：反之，只要有一個運動要素隨時間而變化，就是非恒定流。非恒定流的流速、壓強等運動要素是時間的函數(shù)，由于描述液體運動的變量增加，使得水流運動分析更加復雜和困難。雖然自然界的水流絕大部分是非恒定流，但在一定條件下，常將非恒定流簡化為恒定流進行討論。本課程主要討論恒定流運動。c.跡線與流線跡線：跡線是液體質(zhì)點運動的軌跡，它是某一個質(zhì)點不同時刻在空間位置的連線，跡線必定與時間有關(guān)。流線：流線是某一瞬間在流場中畫出的一條曲線，這個時刻位于曲線上各點的質(zhì)點的流速方向與該曲線相切。對于恒定流，流線的形狀不隨時間而變化，這時流線與跡線互相重合；對于非恒定流，流線形狀隨時間而改變，這時流線與跡線一般不重合。流線有兩個重要的性質(zhì)，即流線不能相交，也不能轉(zhuǎn)折，否則交點（或轉(zhuǎn)折）處的質(zhì)點就有兩個流速方向，這與流線的定義相矛盾。也可以說某瞬時通過流場中的任一點只能畫一條流線。流線的形狀和疏密反映了某瞬時流場內(nèi)液體的流速大小和方向，流線密的地方表示流速大，流線疏處表示流速小。d.均勻流與非均勻流均勻流：流線是相互平行的直線的流動稱為均勻流。這里要滿足兩個條件，即流線既要相互平行，又必須是直線，非均勻流：其中有一個條件不能滿足，這個流動就是非均勻流。均勻流的概念也可以表述為液體的流速大小和方向沿空間流程不變。流動的恒定、非恒定是相對時間而言，均勻、非均勻是相對空間而言；恒定流可是均勻流，也可以是非均勻流，非恒定流也是如此，但是明渠非恒定均勻流是不可能存在的，請注意區(qū)分。均勻流具有下列特征：1）過水斷面為平面，且形狀和大小沿程不變；2）同一條流線上各點的流速相同，因此各過水斷面上平均流速v相等；3）同一過水斷面上各點的測壓管水頭為常數(shù)。e.元流、總流、過水斷面、流量與斷面平均流速元流：元流是橫斷面積無限小的流束，它的表面是由流線組成的流管?？偭鳎河蔁o數(shù)個元流組成的宏觀水流稱為總流。過水斷面：與元流或總流的所有流線正交的橫斷面稱為過水斷面。過水斷面的形狀可以是平面（當流線是平行的直線時）或曲面（流線為其它形狀）。流量：單位時間內(nèi)流過某一過水斷面的液體體積稱為流量，流量用Q表示，單位為（m3/s）。引入元流概念的目的有兩個：1）、元流的橫斷面積dA無限小，因此dA面積上各點的運動要素（點流速u和壓強p）都可以當作常數(shù)；2）、元流作為基本無限小單位，通過積分運算可求得總流的運動要素。元流的流量為dQ=udA，則通過總流過水斷面的流量Q為Q=∫dQ=∫AudA（3—1）斷面平均流速：一般情況下組成總流的各個元流過水斷面上的點流速是不相等的，而且有時流速分布很復雜。為了簡化問題的討論，我們引入了斷面平均流速v的概念。這是恒定總流分析方法的基礎(chǔ)，也稱為一元流動分析法，即認為液體的運動要素只是一個空間坐標（流程坐標）的函數(shù)。斷面平均流速v等于通過總流過水斷面的流量Q除以過水斷面的面積A，即V＝Q/A。恒定一元流的連續(xù)性方程根據(jù)質(zhì)量守恒定律可以導出沒有分叉的不可壓縮液體一維恒定總流任意兩個過水斷面的連續(xù)性方程有下列形式。Q1=Q2或v1A1=v2A上式說明：任意兩個過水斷面的平均流速與過水斷面的面積成反比。對于有分叉的恒定總流，連續(xù)性方程可以表示為：∑Q流入=∑Q流出連續(xù)性方程是一個運動學方程，它沒有涉及作用力的關(guān)系，通常應用連續(xù)方程來計算某一已知過水斷面的面積和斷面平均流速或者已知流速求流量，它是水力學中三個最基本的方程之一。恒定總流能量方程式a.將恒定元流能量方程沿總流的2個過水斷面進行積分，并且引入過水斷面處水流是均勻流或者漸變流的條件，就可得到恒定總流的能量方程（稱為伯努利方程）請注意：積分過程中用到均勻流和漸變流條件，表明同一過流斷面上各點的測壓管水頭具有=c的性質(zhì)；用斷面平均流速v替代過水斷面上的實際流速，計算單位重量液體具有的動能并不相等，因此就必須引進動能修正系數(shù)α，在式（3—4）中，表示過水斷面上單位重量液體具有的平均動能，同樣hw表示單位重量液體從1斷面流到2斷面平均的水頭損失。恒定總流能量方程是水力學的三個基本方程之一，是最重要最常用的基本方程，它與連續(xù)方程聯(lián)合求解可以計算斷面上的平均流速或平均壓強，它們與后面討論的恒定總流動量方程聯(lián)解，可以計算水流對邊界的作用力，在確定建筑物荷載和水力機械功能轉(zhuǎn)換中十分有用。b.恒定總流能量方程的意義恒定總流能量方程各項的量綱都是長度量，因此可以用比例線段表示位置水頭、壓強水頭、流速水頭的大小。各斷面的位置水頭、測壓管水頭和總水頭端點的連線分別稱為位置水頭線、測壓管水頭線和總水頭線。位置水頭線與測壓管水頭線、測壓管水頭線與總水頭線之間的距離分別表示該過水斷面上各點的平均壓強水頭和平均流速水頭。所以畫出水流的水頭線可以清楚地反映沿流程各個斷面上位能、壓能和動能的變化關(guān)系，它在分析有壓管道各個斷面的壓強變化十分重要。假如水流從1斷面流到2斷面的平均水頭損失為hw，流程長度為l，則將單位長度上的水頭損失定義為水力坡度J，它也表示總水頭線的斜率：J是沒有單位的純數(shù)，也稱為無量綱數(shù)。根據(jù)水頭線表示的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，恒定總流能量方程的幾何意義可以這樣來描述：對于理想液體（hw=0），總水頭線是一條水平線；對于實際液體（hw＞0），總水頭線總是一條下降的曲線或直線，它下降的數(shù)值等于兩個過水斷面之間水流的水頭損失。請注意：測壓管水頭線不一定是下降的曲線，需要由位能與壓能的相互轉(zhuǎn)換情況來確定其形狀。對于均勻流，流速水頭沿程不變，總水頭線與測壓管水頭是相互平行的直線。c..應用恒定總流能量方程的條件和注意事項在推導恒定總流能量方程的過程中曾經(jīng)引入過一些條件，這些條件限制了恒定總流能量方程的使用范圍，同時在應用能量方程解決工程實際問題時還必須處理好一些具體事項，現(xiàn)歸納說明如下。1）恒定總流能量方程的應用條件a）液體流動必須是恒定流，而且是不可壓縮液體（ρ=常數(shù)）；b）作用在液體上的質(zhì)量力只有重力；c）建立能量方程的兩個過水斷面都必須位于均勻流或漸變流段，但該兩個斷面之間的某些流動可以是急變流d）在推導能量方程的過程中，兩個計算斷面之間沒有流量的匯入或流出。如果有流量的匯入或分流，也可以建立相應的能量方程式，參見書上第80頁。這時必須強調(diào)能量方程的兩側(cè)都是單位重量液體具有的能量，但確定相應的水頭損失非常困難。2）應用恒定總流能量方程需要注意的具體問題a）為了計算能量方程中的位置水頭，必須確定基準面?；鶞拭婵梢匀我膺x擇，但盡可能使所選的基準面能簡化能量方程，便于求解。例如所選基準面使z=0，這樣能量方程項數(shù)減少。還必須強調(diào)，同一個能量方程只能選擇同一個基準，否則能量方程就不能成立。b）計算壓強水頭，既可選擇絕對壓強也可選用相對壓強，但兩個斷面必須選用一致。實際工程計算中一般采用相對壓強更為方便。c）在過水斷面上要選好計算點，便于計算測壓管水頭d）選取過水斷面除了滿足漸變流條件外，還應使所選斷面上未知量僅可能少，這樣可以簡化能量方程的求解過程。e）求解能量方程必須確定動能修正系數(shù)α。α值與斷面流速分布有關(guān)，流速分布越均勻，α值趨向于1，斷面流速分布不同，α值也不同。嚴格地講兩個斷面上的α1與α2是不相等的，但是實際工程中的動能修正系數(shù)大多在~之間，一般可以取α1=α2=1計算。對于流速分布相當不均勻的水流（例如層流運動），動能修正系數(shù)遠大于1。f）能量方程中水頭損失hw是十分重要又非常復雜的一項，不能正確地計算液體流動的hw，能量方程難以解決實際問題。關(guān)于hw的討論和計算也將在第四章專門討論。g)當一個問題中有2~3個未知數(shù)的時候，能量方程需要和連續(xù)方程、動量方程組成方程組聯(lián)合求解。【思考題】1.什么是流線和跡線什么是過水斷面和斷面平均流速為何要引入斷面平均流速2..應用能量方程判斷下列說法是否正確：（1）水一定從高處向低處流動；（2）水一定從壓強大的地方向壓強小的地方流動；（3）水總是從流速大的地方向流速小的地方流動§1-4液流形態(tài)及水頭損失1、本節(jié)教學內(nèi)容和要求：本節(jié)教學內(nèi)容：（1）水流阻力和水頭損失產(chǎn)生的原因及分類。（2.）理解雷諾實驗現(xiàn)象和液體流動兩種流態(tài)的特點，掌握層流與紊流的判別方法及雷諾數(shù)Re的物理含義。（3）圓管均勻?qū)恿鞯牧魉俜植?，沿程水頭損失的計算及沿程水頭損失系數(shù)的確定。（4）尼古拉茲實驗中沿程水頭損失系數(shù)λ的變化規(guī)律。（5）局部水頭損失產(chǎn)生的原因及計算教學要求：（1）理解雷諾實驗現(xiàn)象和液體流動兩種流態(tài)的特點，掌握層流與紊流的判別方法及雷諾數(shù)Re的物理含義。（2）掌握圓管均勻?qū)恿鞯牧魉俜植?，掌握沿程水頭損失的計算及沿程水頭損失系數(shù)的確定。（3）掌握局部水頭損失產(chǎn)生的原因，能正確選擇局部水頭損失系數(shù)進行局部水頭損失計算。教學難點和重點：難點：沿程阻力系數(shù)的確定。重點：沿程阻力系數(shù)的確定。2．教學內(nèi)容和知識要點：水流阻力和水頭損失的兩種形式水流阻力和水頭損失是兩個不同而又相關(guān)聯(lián)的重要概念，確定它們的性質(zhì)、大小和變化規(guī)律在工程實踐是有十分重要的意義。（1）基本概念：水流阻力是由于液體的粘滯性作用和固體邊界的影響，使液體與固體之間、液體內(nèi)部有相對運動的各液層之間存在的摩擦阻力的合力，水流阻力必然與水流的運動方向相反?；靖拍睿核髟谶\動過程中克服水流阻力而消耗的能量稱為水頭損失。其中邊界對水流的阻力是產(chǎn)生水頭損失的外因，液體的粘滯性是產(chǎn)生水頭損失的內(nèi)因，也是主要原因。（2）根據(jù)邊界條件的不同，可以把水頭損失分為兩類：對于平順的邊界，水頭損失與流程成正比，我們稱為沿程水頭損失，用hf表示；由于局部邊界急劇改變，導致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布調(diào)整并產(chǎn)生旋渦區(qū)，從而引起的水頭損失稱為局部水頭損失，用hj表示。（3）對于在某個流程上運動的液體，它的總水頭損失hw遵循疊加原理即hw=∑hf+∑hj液體流動的兩種型態(tài)和流態(tài)的判別1883年英國科學家雷諾（Reynolds）通過實驗發(fā)現(xiàn)液體在流動中存在兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同的流態(tài)：層流和紊流。（1）雷諾試驗當流速較小時，各流層質(zhì)點互不混雜，這種型態(tài)的流動叫層流。當流速較大時，各流層質(zhì)點形成渦體互相混摻，這種型態(tài)的流動叫做紊流。試驗結(jié)果：液流型態(tài)不同,沿程水頭損失的規(guī)律也不同。相應于液體運動型態(tài)轉(zhuǎn)變時的流速叫做臨界流速。雷諾數(shù)Re=vd/ν,上、下臨界雷諾數(shù)。液流型態(tài)的判別：圓管中液流的下臨界雷諾數(shù)是一個比較穩(wěn)定的數(shù)值，上臨界雷諾數(shù)是一個不穩(wěn)定的數(shù)值，因此判別液流型態(tài)要以下臨界雷諾數(shù)為標準。實際雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)時就是紊流，小于下臨界雷諾數(shù)時一定是層流。液體流態(tài)的判別是用無量綱數(shù)雷諾數(shù)Re作為判據(jù)的。對于明渠水流Re明渠水流臨界雷諾數(shù)Rek=500，當Re＜500為層流，Re＞500為紊流。對于圓管水流Re圓管水流臨界雷諾數(shù)Rek=2000，當Re＜2000為層流，Re＞2000為紊流。沿程水頭損失沿程阻力系數(shù)如何確定的問題。層流情況紊流情況尼古拉茲實驗和沿程阻力系數(shù)λ的變化規(guī)律尼古拉茲實驗是本章又一個重要的內(nèi)容。通過尼古拉茲實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)沿程阻力系數(shù)λ在層流和紊流三個不同流區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，并且層流內(nèi)的λ變化規(guī)律與前面理論分析的成果相一致。據(jù)