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1、建筑设备工程,本章介绍流体静力学，流体动力学，流体运动的基本知识，流体阻力和能量损失，通过本章的学习可以对流体力学有一个大概的了解，但讲到的内容是很基础的。,第1节 流体的主要物理性质,一、密度和容重,质量与密度质量：表征惯性的物理量流体的质量：常以密度来反映,密度()：对于均质流体，单位体积的质量,数学表达式：,重力与容重,物体受到地球引力的特性，称为重力特征，常用容重来表征,定义：对于均质流体，作用于单位体积流体的重量称为容重(),数学表达式：,二、流体的粘滞性,粘滞性：流体内部质点间或层流间因相对运动而产生内摩擦力（切力）以反抗相对运动的性质。,牛顿内摩擦定律：,F内摩擦力,N;S摩擦流
2、层的接触面面积,m2；流层单位面积上的内摩擦力（切应力）,N/m2；,du/dn流速梯度，沿垂直流速方向单位长度的流速增值；,(动力粘滞系数)与流体种类有关的系数；粘滞性的大小还用运动粘滞系数()表达：,三、流体的压缩性和热胀性,压缩性：流体压强增大，体积缩小的性质。热胀性:流体温度升高，体积膨胀的性质。,结论：,三、流体的压缩性和热胀性,1）液体压缩性和膨胀性很小，引起工程误差很小，可忽略不计。,结论：2）气体有显著的压缩性和膨胀性，t与P的变化对影响很大。,三、流体的压缩性和热胀性,当流体的温度不过低，压强不过高时，t、P、三者关系服从理想气体状态方程：,式中：P气体的绝对压强，N/m2；
3、T气体的绝对温度，K；气体的密度，kg/m3；R气体常数，J/kg.K。,当气体v50m/s时，因的变化1%，密度可视作常数，这种气体称为不可压缩气体。当气体v50m/s时，因的变化很大，密度不能视作常数，这种气体称为可压缩气体。,综上所述：建筑设备工程中的水、气流体，可以被认为是一种易于流动的，具有粘滞性的和不可压缩的流体。,第2节 流体静压强及其分布规律,本节学习的目的：学习和讨论流体静止（平衡）状态下的力学规律及其应用。,流体静止时的特点：不显示其粘滞性，不存在切向应力。流体静止是运动中的一种特殊状态。流体静力学研究的中心问题：流体静压强的分布规律。,一、流体静压强及其特性,1.静压强的
4、概念：,N/m2（帕/pa）,2.流体静压强的特性：,（1）流体静压强的方向与受压面垂直并指向受压面。（2）任意点的静压强的大小和受压面的方向无关，或者说作用于同一点上各方向的静压强大小相等。,二、流体静压强的分布规律,1.自由表面及等压面,（1）自由表面是指液面与气体的交界面。在重力作用下，静止液面的自由面为水平面。敞口容器内的液体的自由面上是大气压。,（2）流体中具有相同压强各点所构成的面称为等压面。静止流体的自由面即为等压面。其下相同深度处所组成的面也是等压面。,确定流体等压面的方法，有三个条件：必须在静止状态；在同一种流体中；而且为连续液体。,2.分析静止液体中压强分布：,静止液体中压
5、强分布,分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力有：,上表面压力,分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力有：,下底面的静水压力,分析铅直小圆柱体，作用于轴向的外力有：,柱体重力,柱体侧面积的静水压力其方向与轴向垂直，在轴向投影为零（相互抵消）。,该铅直小圆柱体处于静止状态，其轴向力平衡,化简,3.静水压强基本方程式,特点：,（1）方程表示静水压强与水深成正比的直线分布规律。,特点：,（2）作用于液面上的表面压强p0是等值地传递到静止液体中每一点上。（3）对于气体，由于很小，当h 不大时，可忽略h 项，则p p0,水静压强分布图,三、压强的两种计算基准,绝对压强（pA）：以设想没有大气存在的绝对真空状态作
6、为零点计量的压强。相对压强（p）：以当地大气压Pa作为零点计量的压强。,三、压强的两种计算基准,绝对压强和相对压强的关系：pA p pa或 p pA pa,P可正可负P为正值时：pA pa，称为正压（表压，即压力表读数）P为负值时：pA pa，称为负压（真空度，即真空表读数）真空度pk pa pA P,四、压强的三种量度单位,从压强的基本定义出发，用单位面积上的力表示：力/面积,国际单位：N/m2,以符号Pa表示工程单位：kgf/m2或kgf/cm2,用大气压的倍数表示国际规定标准大气压：1标准大气压101.325KPa工程单位规定大气压：1at1 kgf/cm2 98KN/m2,用液柱高度表
7、示常用水柱高度或汞柱高度，单位：mH2O，mmH2O，mmHghp/,第3节 流体运动的基本知识,主要内容流体运动的基本概念连续性方程能量方程,图 流体的出流,管内流动速度分布图,一、流体运动的基本概念,（一）压力流与无压流,1.压力流：流体在压差作用下流动,流体整个周围都和固体壁相接触，没有自由表面。2.无压流（重力流）：液体在重力作用下流动，液体的部分周界与固体壁相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表面。,（二）恒定流与非恒定流,1.恒定流：流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素都不随时间而变化的流动。如从水位不变的水箱中放水的水流运动。,（二）恒定流与非恒定流,2.非恒定流：
8、流体运动时，流体中任一位置的压强、流速等运动要素随时间的变化而变动的流动。如水位随水放出不断改变的水流运动。自然界中都是非恒定流，建筑设备工程中取为恒定流。,（三）流线与迹线：,1.流线:是流体中同一瞬间由许多质点组成的曲线。在该曲线上所有各点的速度向量都与该曲线相切。,它形象地描绘了该瞬间整个流体的流动情况。,流线的基本特性：恒定流时，流线的形状和位置不随时间而变化。非恒定流时，流线的形状和位置随时间而变化。,2.迹线:流体运动时，流体中某一个质点在连续时间内的运动轨迹。,基本特性：恒定流时，流体质点运动的迹线与流线重合。非恒定流时，流体质点运动的迹线与流线不相重合。,（四）均匀流与非均匀流
9、：,1.均匀流：流体运动时，流线是平行直线的流动称为均匀流。,2.非均匀流：流体运动时，流线不是平行直线的流动称为非均匀流。,过水断面图,它又分为：（1）渐变流：流体运动中流线接近于平行线的流动称为渐变流。（2）急变流：流体运动中流线不能视为平行直线的流动称为急变流。,急变流,缓变流,缓变流,缓变流,缓变流,缓变流,急变流,急变流,急变流,急变流,缓变流和急变流图,（五）元流、总流、过流断面、流量与断面平均流速：,1.元流：水流中一微小面积d上各点引出流线所形成的一个封闭管状曲面。2.总流：流体运动时，无数元流的总和。,3.过流断面：与元流或总流的流线成正交的横断面。单位时间内通过过流断面d的
10、液体体积为ud dQ,4.流量：单位时间内通过某一过流断面的流体体积。一般流量指的是体积流量，单位是m3/s或L/s。,5.断面平均流速：断面上各点流速的平均值。通过过流断面的流量为,该关系式表达了流量（Q）、过流断面（）和平均流速（v）三者之间的关系。,断面平均流速为：,二、恒定流的连续性方程式,如图所示，在恒定总流中任取一元流，元流在11过流断面上的面积为d1,流速为u1;在22过流断面上的面积为d2,流速为u2。,二、恒定流的连续性方程式,应用质量守恒定律，在dt时段内流入的质量与流出的质量相等：1u1d1dt2u2d2dt或 1u1d12u2d2,从元流推广到总流，得：,由于过流断面上
11、密度为常数，以,带入上式，得：,1Q1 2 Q2（111）Qv11v 122v 2（111a）（111）、（111a）质量流量的连续性方程式。,当流体不可压缩时,流体的容重不变，上式得到：Q1 Q2（112）1v 12v 2（112a）（112）、（112a）体积流量的连续性方程式。,连续性方程,说明管道中总流是连续的，过流断面与平均流速成反比，过流断面大，流速小；过流断面小，流速大；过流断面不变，流速亦不变；连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达式。,三、恒定总流能量方程式,应用能量守恒及其转化规律,（一）恒定总流实际液体的能量方程式,下图，取11、22断面，写伯努里方程式：,动能修正系
12、数。1.051.1,常取1.0,h12水头损失。（水从断面11流向断面22）,z1、z2：位置水头，表示单位重量的位置势能。,p1/、p2/：压强水头。P为相对压强（静压）。,1v12/2g、2v22/2g：流速水头（动压）。,以上各项单位为长度，都可以在断面上用铅直线段在图中表示出来。H zp/v2/2g称为总水头。Hp zp/测压管水头。将各断面上的总水头连成一条线，则此线称为总水头线，如图110中虚线所示。总水头线是沿流程下降的倾斜线。,将各断面上的测压管水头连成一条线，则此线称为测压管水头线，如图110中实线所示。测压管水头线沿流程方向可能上升，也可能下降。,（二）实际气体恒定总流的能
13、量方程式,对于不可压缩气体，由于气体容重很小，重力做功忽略不计，z0；一般通风管道中，过流断面流速分布比较均匀，1。,（二）实际气体恒定总流的能量方程式,实际气体总流的能量方程式为：,或：,式中：p 过流断面相对压强，工程上称静压。rv2/2g工程上称动压。,p rv2/2g过流断面的静压与动压之和，工程上称全压。rh1-212两过流断面间压强损失。,第4节 流动阻力和水头损失,一、流动阻力和水头损失的两种形式：,本节的任务：计算水头损失（或压强损失、流动阻力）和计算管段。,水头损失：当流体沿管道流动时，存在沿程阻力损失和局部阻力损失。,计算管段的概念：,任何一个建筑设备的管路系统都由许多串联
14、或并联的计算管段组成。,计算管段的水头损失：hhfhj,（一）沿程（摩擦）阻力和沿程水头损失,因为流体有粘滞性，所以有摩擦阻力。沿程（摩擦）阻力存在于长直管（或明渠）中。流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力。为了克服沿程（摩擦）阻力而消耗的单位重量流体的机械能量，称为沿程水头损失（hf）。,（二）局部阻力和局部水头损失,局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力,局部阻力存在的地方：弯头、闸门、突然扩大、突然缩小、三通、四通。,局部水头损失：为了克服局部阻力而消耗的单位重量流体的机械能量，称为局部水头损失（hj）。,（三）管路的总水头损失（总阻力）,h
15、1-2 hfhj,二、流动的两种型态层流和紊流,二、流动的两种型态层流和紊流,实验研究发现，圆管内流型由层流向湍流的转变不仅与流速u有关，而且还与流体的密度、粘度 以及流动管道的直径d有关。将这些变量组合成一个数群du/，根据该数群数值的大小可以判断流动类型。这个数群称为雷诺数，用符号Re表示，即,雷诺数Re Revd/,当Re2000时为层流；当Re4000时，圆管内已形成湍流；当Re在20004000范围内，流动处于一种过渡状态。,建筑设备工程中，绝大多数为紊流型态。,三、沿程水头损失,对于紊流型态，目前采用理论和实验相结合的方法，建立半经验公式来计算沿程水头损失。,式中：hf 沿程水头损
16、失，m;沿程阻力系数;l管长,m;d管径，m;v管中平均流速，m/s。,四、沿程（摩擦）阻力系数,尼古拉兹实验全面揭示了不同流态下和Re数及相对粗糙度（/d）的关系。不同的流态，有不同的计算值的公式。,1、层流区当Re2300时，流动呈层流状态。在此区域内，沿程（摩擦）阻力系数仅取决于雷诺数Re值。,四、沿程（摩擦）阻力系数,64/Re 在建筑设备工程中，很少遇到层流状态。,1、层流区,2、临界过渡区 在Re23004000范围内，是由层流向紊流的转变过程。沿程（摩擦）阻力系数随雷诺数Re的增大而增大，而与相对粗糙度（/d）无关。,3、紊流区在 Re4000后形成，整个紊流区还可以分为三个区域
17、：,（1）水力光滑管区沿程（摩擦）阻力系数只与雷诺数Re有关而与相对粗糙度（/d）无关。,Re105时，,Re105时，,（2）水力过渡区,流动状态从水力光滑管区过渡到粗糙管区（阻力平方区）的一个区域。沿程（摩擦）阻力系数与雷诺数Re和相对粗糙度（/d）都有关。,（3）粗糙管区（阻力平方区）,在此区域内，沿程（摩擦）阻力系数仅取决于管壁的相对粗糙度（/d）而与雷诺数Re无关。,五、局部水头损失,式中：局部阻力系数。由实验测出，可查阅有关手册。v过流断面的平均流速。g 重力加速度。,流体运动中任意两过流断面间的水头损失为：,孔口、管嘴出流及两相流体简介,孔口出流管嘴出流牛顿型、非牛顿型流体和气液、气固两相流动,
