第4章-流體基本知識

第四章流體力學基本知識第一節(jié)流體力學基本概念定義：能夠流動的物質。根據其力學特征(mechanicalcharacteristics)可以定義為：受到任何微小剪切力(shearforce)的作用都能夠導致其連續(xù)變形的物質。流體是液體(liquid)和氣體(gas)的總稱。一、流體的主要特征

易流動性（力學特征，易變形）(Fluidity)靜止狀態(tài)的流體(staticfluid)不能承受剪切應力；流體只能承受壓力(compressivestresspressure)，不能承受拉力(tensilestress,tension)；液體隨其所在容器的形狀而變，氣體總能充滿它所到達的全部空間。二、流體密度與重度：密度定義：單位體積的流體所具有的質量物理意義：表示流體在空間分布的密集程度。對于均質流體，各點密度相同，即：對于非均質流體，各點密度不相同，在流體的空間中某點密度：重度：對于均質流體對于非均質流體1、壓縮性：定義：在一定的溫度下，流體的體積隨壓強升高而縮小的性質表示方法：體積壓縮系數β(Thecoefficientofcompressibility)

（1/Pa）三、流體的壓縮性與膨脹性2、膨脹性：定義：在一定的壓強下，流體的體積隨溫度的升高而增大的性質表示方法：溫度膨脹系數α(thecoefficientofexpansibility)（1/K）實驗表明:液體不具有明顯的壓縮性與膨脹性--------

可以不考慮氣體的壓縮性與膨脹性不同于液體，具有明顯的壓縮性與膨脹性的壓縮性大得多，這是由于氣體的密度隨著溫度和壓強的改變將發(fā)生顯著的變化。對于理想氣體，其密度與溫度和壓強之間的關系用熱力學中的狀態(tài)方程式表示，即四、流體的黏性2、定義：流體在流動過程中由于流體之間的內摩擦力而引起的阻礙流體運動的性質稱為流體的黏性。1、實驗內摩擦力的表示：用剪切應力τ（單位接觸面積上的力）。

實驗表明：剪切應力τ的大小同速度梯度du/dy成正比。即：式中μ——黏度或黏滯系數(viscosityorabsoluteviscosity)。ABydyduUN/m2（牛頓內摩擦定律）黏度的單位是：N.s/m2或Pa.s黏度μ的物理意義：表征單位速度梯度作用下的切應力，反映了流體黏性的動力性質，所以μ又被稱為動力黏度。

與動力黏度μ對應的是運動黏度υ(kinematicviscosity)，二者的關系是運動黏度υ物理意義：單位速度梯度作用下的切應力對單位體積的質量作用產生的阻力加速度。（m2/s）原因：分子之間的內聚力對液體黏性起主要作用。當溫度升高時，分子間距離變大，內聚力相應變小，因而黏度下降。液體黏度：隨溫度升高急劇下降。3、黏性與溫度的關系氣體黏度：隨溫度的上升而增大。原因：相鄰流層之間分子動量的交換對氣體黏性起主要作用。當溫度升高時，氣體的熱運動加強，動量交換增多，各層之間的制動作用加大，因而黏度增大。書上表4-1

第二節(jié)流體靜力學

流體靜力學-----研究流體在外力作用下的靜止平衡規(guī)律及其在工程上應用的科學。流體相對于慣性參考坐標系沒有運動時，稱為流體處于靜止（或平衡）狀態(tài)。流體相對于非慣性參考坐標系沒有運動時，稱為流體處于相對靜止（或相對平衡）狀態(tài)。流體處于靜止或相對靜止狀態(tài)，流層間沒有相對滑動，粘性作用表現不出來-------流體靜力學為無黏性流體的力學模型。注：不是流體沒有粘性一、流體的靜壓強定義：流體的壓強(pressure)

：在流體內部或固體壁面所存在的單位面積上的法向作用力流體靜壓強（staticpressure)：流體處于靜止狀態(tài)時的壓強。平均靜壓強：壓強單位(Units)

國際單位（SI）制：Pa；

工程單位制：Kgf/m2

其它，如大氣壓（atm），

1atm=101325Pa特性1.流體的靜壓強必須垂直于其所作用的面積，并指向作用面的內法線方向特性2、某一點上的流體靜壓強的大小與作用面的方向無關，只與該點的位置有關。即px=py=pz=pn注：研究流體靜力學得根本問題就是研究流體靜壓強問題。二、流體的靜壓強特性：PPnτΔA液體與氣體交界面上各點的壓強p。是相等的，（這樣的等壓面稱為自由表面）令自由表面的坐標為z0，或

是靜止流體中任意點在自由液面下的深度。

式中該式為自由表面以下任意深度h處的壓強式，它說明了平衡液體中壓強的分布規(guī)律。（2-2-3）二流體的靜力學基本方程式

由此得到三個重要結論：

(1)在重力作用下的靜止液體中，靜壓強隨深度按線性規(guī)律變化，即隨深度的增加，靜壓強值成正比增大。

(2)在靜止液體中，任意一點的靜壓強由兩部分組成：一部分是自由液面上的壓強p0

；另一部分是該點到自由液面的單位面積上的液柱重量γh。

(3)在靜止液體中，位于同一深度(h=常數)的各點的靜壓強相等。流體中壓強相等的點所組成的面稱為等壓面。這表明任一水平面都是等壓面。特別注意：流體靜壓強的分布規(guī)律只適用于靜止、同種、連續(xù)的流體。第五節(jié)測量壓強的儀器流體的壓強可用液柱高度表示，因此液柱式測壓計(manometer)是測量流體壓強常用的儀器，其工作液體一般為水、酒精、四氯化碳或水銀等。應用液體平衡原理可以測量流體的壓強。所使用的這類儀器叫液壓計。

分類：機械式壓力傳感器：電氣式壓力傳感器：液柱式壓力計彈簧管式壓力計活塞凈重式壓力計壓電壓力計壓阻壓力計第三節(jié)流體動力學一、幾個基本概念理想流體流動：流體流動不考慮粘性力影響。粘性流體流動：流體流動考慮粘性力影響。1、理想流體和實際流體2、流量單位時間內，經橫截面積上流過的流體體積，稱為體積流量，簡稱流量Qv，單位是m3/s。質量流量：3、流體運動要素和平均流速流體運動的基本要素：壓力和流速流速高——壓力小流速低——壓力大平均流速：由于液體都有黏性，液體在管中流動時，在同一截面上各點的流速是不相同的。為方便計算，引入一個平均流速的概念，即假設過流斷面上各點的流速均勻分布。流速是指在單位時間內流過單位過流斷面的液體體積：

4、穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流穩(wěn)定（定常）流動非穩(wěn)定（非定常）流動定常流動(steadyflow):流動物理參數不隨時間而變化非定常流動(unsteadyflow):流動物理參數隨時間而變化二.連續(xù)性方程對象：管道橫截面與流體流速依據：物質不滅原理不可壓縮流體三.能量方程目的：給出穩(wěn)定流動內任一點流速、壓力和位置高度之間的關系速度能頭：單位重量流體具有的動能壓力能頭：單位重量流體具有的壓力能位置能頭：單位重量流體具有的勢能1.方程P/γ-----單位重量流體所具有的壓力勢能Z----單位重量的流體對于基準面所具有的位能。Z1P1/γP2/γ在管道截面1－1、2－2上插入測壓管。在流體壓強的作用之下，測壓管內出現高度為p1/γ、p2／γ的流體柱，-----單位重量流體所具有的動能，相當于流體以初速度u1和u2向上垂直時所上升的高度

測速管的管嘴正迎向流過來的流體，故不但感受到流體靜壓強的作用，還能感受流體速度的作用。因而流體在測速管內上升的高度比測壓管高。Z1P1/γP2/γ該式表示單位重量流體的機械能之和，在理想流體微細流的各個截面上，全部機械能保持不變。機械能之間是可以互相轉換的，某種形式的機械能的變化必然導致其它形式的機械能發(fā)生相應的變化。Z1P1/γP2/γ2、幾何意義柏努利方程式中各項均表示流體柱的高度，故均稱之為壓頭。

Z=hz-------位置高度，稱為幾何壓頭或位壓頭。-----壓力勢能所產生的流體柱的高度，稱為靜壓頭。

上述三種壓頭之和也可以用一總的流體柱高度H表示，稱為總壓頭。因此，柏努利方程式可寫為：H=hz+hp+hd=常數

----是動能所產生的流體柱的高度，稱為速度壓頭或動壓頭。Z1P1/γP2/γ2.實際流體的能量方程于是對于粘性流體的整體，作恒定流動時，在由截面1－1流向截面2－2之間流體的柏努利方程式是：取α=1，則：注：理想流體的總水頭線是一條水平線實際流體的總水頭線是一條斜線綜上所述，柏努利方程式的應用條件：恒定流動；質量力僅有重力；流體為不可壓縮流體，對于氣體，所取過流斷面截面處為緩變流二、應用舉例1、在生產過程中利用設備位置的高差來使流體以一定的流速或流量流動，如水塔、高位槽及虹吸等。這時，需要根據高度差來求流量，或求出欲達到某一流量須保持若干高度差。

第四節(jié)管流損失和水擊其中hl1-2是因克服截面1－1與2－2之間的阻力即單位重量的流體所消耗的機械能（或壓頭），稱為壓頭損失單位：為焦／牛(或米)，。本章將著重討論該項。伯努利方程式Z1P1/γP2/γ微細流一、沿程阻力損失粘性阻力造成的粘性損失——沿程損失hf沿程損失：m或Pa1、流體沿程阻力影響因素（1）、流體運動狀態(tài)層流運動：有規(guī)則的紊流運動：不規(guī)則、雜亂無章的二、流態(tài)的判別準則——雷諾數(ReynoldsNumber)3、進一步的實驗證明，除了流速v對流態(tài)有影響之外，管道直徑D、流體密度ρ和粘度μ對流態(tài)也有影響。D、ρ愈大，μ愈小，流態(tài)就愈容易從層流轉為湍流。判斷流態(tài)的準則采用雷諾準數(ReynoldsNumber)，用符號Re表示，即通常對于在平直的圓管中流動的流體;當Re＜2300時，流態(tài)屬層流；當Re＞4000時，流態(tài)屬湍流；在2300＜Re＜4000這一范圍內，屬過渡流。（無量綱）層流底層的厚度在紊流水流中通常只有十分之幾毫米層流底層的厚度與Re成反比當層流底層厚度δ>K（管壁絕對粗糙度）時，則管壁的粗糙突出的高度完全被層流底層所掩蓋，這時管壁的粗糙度對流