流体力学基础知识

流体⼒学基础知识
流体⼒学基础知识
1、什么是流体？什么是可压缩流体与不可压缩流体？
⼀切物质都是由分⼦组成的。

在相同的体积中，⽓体和液体的分⼦数⽬要⽐固体少得多，分⼦间的空隙就⽐较⼤，因此，分⼦之间的内聚⼒⼩，分⼦运动剧烈。

这就决定了⽓体和液体不能保持固定的形状⽽具有流动性，所以，我们称⽓体和液体为流体。

在⼀定温度下，流体的体积随压⼒升⾼⽽缩⼩的性质，称为流体的可压缩性。

流体压缩性的⼤⼩⽤压缩系数K表⽰。

它的意义是当温度不变时，单位压⼒增量所引起流体体积的相对缩⼩量。

液体的压缩系数很⼩，故⼀般称液体为不可压缩流体。

温度与压⼒的改变，对⽓体体积影响很⼤。

由热⼒学可知，当温度不变时，⽓体的体积与压⼒成反⽐，即压⼒增加⼀倍，体积缩⼩为原来的⼀半。

由于压⼒变化对⽓体体积影响明显，故⼀般称⽓体为可压缩流体。

2、什么是流体的粘性与粘度（粘性系数）？
当流体运动时，在流体层间产⽣的内摩擦⼒具有阻碍流体运动的性质，故将这⼀特性称为流体的粘性，将内磨擦⼒称为粘性⼒。

粘性是流体运动时间⽣能量损失的根本原因。

液体的粘性⼤⼩，⽤粘度（粘性系数）表⽰。

粘度有动⼒粘度与运动粘度两种。

所谓动⼒粘度是指流体单位⾯积上的粘性⼒与垂直于运动⽅向上的速度变化率的⽐值。

3、流体粘性⼤⼩与哪些因素有关？
流体粘性的⼤⼩，不仅与流体的种类有关，且随流体的压⼒和温度的改变⽽变化。

由于压⼒改变对流体粘性影响很⼩，⼀般可忽略不计。

温度是影响粘性的主要因素。

温度对粘度的影响，对液体和⽓体是截然不同的。

温度升⾼时，液体的粘度迅速降低，⽽⽓体的粘度则随之升⾼。

这主要是因为，液体的粘性⼒主要是由于分⼦间吸引⼒造成的，当温度升⾼时，分⼦距离加⼤，引⼒减⼩，使粘性⼒减弱，粘度降低。

⽓体的粘性⼒主要是由⽓体内部分⼦运动引起的分⼦掺混、碰撞⽽产⽣的，温度升⾼，分⼦运动的速度加快，层间分⼦掺混、碰撞机会增多，使具有不同速度的⽓体层间的质量与动量交换加剧。

所以，粘性⼒加⼤，粘度升⾼。

液体粘度随温度升⾼⽽降低的特性，对电⼚燃料油的输送与雾化是有利的。

因此，锅炉燃油在进⼊锅炉前要加热到⼀定温度以降低其粘度。

但这⼀特性对润滑油不太有利。

因为温度升⾼使粘度降低，会妨碍润滑油膜的形成，引起轴承温度升⾼，甚⾄会烧坏轴⽡。

因此，⼀般要控制轴承温度不超过65℃。

4、⼯业实⽤流体的粘度是如何测定的？
⼯业实⽤流体⽤粘度计来测定其粘度。

粘度计有许多种，⽬前我是多采⽤恩格尔粘度计，使⽤⽅法较简单，测定时先测出在⼀定温度（⼀般润滑油为50℃，燃油为80℃）下，从恩格尔粘度计的孔⼝中流出200cm3的液体所需的时间t,再测出20℃同体积的蒸馏⽔流出的时间t0，t与t0的⽐值称为恩格尔粘度，简称恩⽒粘度，以°E t表⽰，下⾓标t表⽰测定时的温度（℃）。

5、什么叫流速？什么叫流量？
流体运动的速度称为流速。

实际流体在管道中流动时，由于流体本⾝的内磨擦⼒及流体与管壁之间的磨擦⼒，使流体质点在管道各处的流速是不⼀样的，即沿管壁流速最低，管中⼼流速最⾼。

通常⼯程上计算流速时，都是采⽤平均流速。

在锅炉上，还常应⽤质量流速的概念。

所谓质量流速，是指单位时间通过单位流通截⾯
的流体质量。

单位时间通过单位流通截⾯的流体量称为流体流量，简称为流量。

流量⼜有体积流量和质量流量之分。

6、什么是液体静压⼒？液体某点的静压⼒如何计算？
静⽌液体内任⼀点承受的压⼒，称为该点处液体的静压⼒。

液体某⼀点的静压⼒等于液体表⾯上的压⼒加上该点距离液⾯深度的重位压头。

7、运动着的流体具有哪⼏部分能量？
稳定运动的流体，因其具有质量、压⼒、运动速度、所处位置相对⾼度，使其具有三种能量：压⼒能、动能、位能。

8、什么是伯努⾥⽅程式？
伯努⾥⽅程是能量守恒定律在流体⼒学中的表现形式。

单位质量的理想流体在流动过程中，位能、压⼒能和动能之和守恒。

伯努⾥⽅程式可以确定流体在不同断⾯时的参数关系，在⼯程技术上有着⼴泛的应⽤。

像实际使⽤的⽪托管、⽂丘利管、U形差压计等，都是以该⽅程为理论基础的。

9、什么叫连通器？连通器原理在⼯程上有何⽤途？
所谓连通器，是液⾯以下相互连通的两个或⼏个容器。

盛有相同液体、液⾯上压⼒相等的连通器，其液⾯⾼度相等。

（1）连通器盛有相同液体，但液⾯上压⼒不等，则液⾯的压⼒差等于连通器两容器液⾯⾼差所产⽣的压差。

（2）连通器液⾯上压⼒相等，但两侧有互不相混的不同液体，⾃分界⾯起两液⾯之⾼度与液体密度成反⽐。

连通器原理在⼯程上有着⼴泛的应⽤。

如各种液⾯计（⽔位计、油位计等），⽔银真
空计，液柱式风压表，差压计等，都是应⽤连通器原理制成的。

10、锅炉汽包⽔位计指⽰的⽔位与汽包内实际⽔位⼀致吗？
汽包和⽔位计可作⼀连通器，连通器两液⾯上压⼒相等。

但由于⽔位计本⾝及⽔连通管的散热，使⽔们计中的⽔与汽包内的锅⽔相⽐，温度低、密度⼤，所以⽔位计指⽰的⽔位要⽐汽包内实际⽔位低。

11、什么是紊流与层流？锅炉中常遇到哪些形式的流动？
流体在运动过程中，各质点完全沿着管轴⽅向直线运动，质点之间互不掺混、互不⼲扰的流动状态称为层状流动，简称层流。

若运动着的质点不仅沿着管轴⽅向的直线运动，还伴有横向扰动，质点之间彼此混杂，流线杂乱⽆章，这种流动状态称为紊流。

锅炉中，实际流体（如⽔，蒸汽，烟⽓，空⽓等）的流动状态⼏乎都是紊流，只有粘性较⼤的液体（重油，润滑油）在低速流动中才会出现层状流动。

液体的流动状态，在不同场合会有不同的利与弊。

如流体为紊流状态时，由于分⼦间扰动强烈，对增强传热有利。

但由于是紊流，必然要增⼤流动阴⼒⽽增加能量损失。

12、什么是雷诺数？雷诺数有何实⽤意义？
流体的流动状态属于层流或紊流，在⼀些实验装置中可以直观地看出。

但实际上流体在管道中的流动状态，是⽆法靠直观来叛别的。

雷诺通过长期试验研究，发现流体的流动状态与流速、管道直径和流体运动粘性等因素有关，并总结出判断流体状态的数值，称为雷诺数。

因此，雷诺数是⽤来判断流体流动状态的标准。

⽤Re表⽰。

对⼀般⽆扰动因素的直
管段来说，当雷诺数Re<2300时，流体流动状态为层流；当Re>（3000—4000）时，流动状态为紊流。

13、什么是流动阻⼒与损失？
实际流体在流动过程中，其总能量是沿着流动⽅向逐渐减⼩。

这是由于流体本⾝具有粘性，流动时有内摩擦⼒产⽣；流道边界不可能完全光滑，也要产⽣摩擦⼒；同时流动过程中还会有流道的形状、流动⽅向的变化与其它障碍，这些都会使流体在流动过程中受到阻⼒。

这种阻⼒称⽔⼒阻⼒或流动阻⼒。

流体流动就需克服这些阻⼒，从⽽使⼀部分能量转化为不能做功的热能⽽损失掉，使流体总量沿流程逐渐减⼩。

这种由流动阻⼒所引起的能量损失称为阻⼒损失。

14、流体流动阻⼒有哪⼏种形式？
（1）没程阻⼒粘性流体流动时，流体层间内磨擦⼒及流体与流道壁⾯的磨擦⼒总是阻滞流体前进，这种沿流程出现的磨擦阻⼒称为沿程阻⼒。

流体克服沿和阻⼒⽽损失的⼀部分能量，称为沿程阻⼒。

（2）局部阻⼒流体的流道中会有阀门、挡板、弯头、三通等装置及流通截⾯突然变化等情况。

流体流经这些局部位置时，流速将重新分布，流体质点殖民地质点之间因惯性⽽发⽣碰撞、产⽣旋涡等情况，使流体流动受到阻碍。

这种阻碍发⽣在局部区段，故称局部阻⼒。

流体为克服局部阻⼒⽽损失的能量，称为局部损失。

另外，在锅炉通风系统中，还需要考虑流体横向冲刷管束时的阻⼒。

因为烟⽓（空⽓）横向流过受热⾯管束时，会与管壁产⽣磨擦以及沿管⼦绕流，使流体了⽣涡流⽽产⽣阻⼒。

这种横向冲刷管束时的阻⼒，实质上是磨擦⼒与局部阻⼒的综合。

在锅炉通风计算时应单独考虑这种阻⼒。

15、沿程阻⼒如何计算？
流体沿程阻⼒损失的⼤⼩，与管道长度、管壁粗糙程度、流体流动状态及粘性等因素有关。

单位质量流体沿程损失称为沿程⽔头损失，单位体积流体的沿程损失称为沿程压⼒损失。

16、局部阻⼒损失如何计算？
局部阻⼒损失的⼤⼩，与引起局部阻⼒的原因（即装置情况及流体流速）有关。

与沿程阻⼒⼀样，局部阻⼒也有局部⽔头损失、局部压⼒损失之分。

17、怎样计算输⽔管道的压⼒损失？
计算管道的压⼒损失，需要综合计算其沿程阻⼒和局部阻⼒。

为了计算⽅便，要把管道系统分成若⼲段，每⼀段按⼀个不变的直径和不变的流量计算其压⼒损失，然后将各段计算结果叠加，得出整个系统的压⼒损失。

18、怎样计算蒸汽管道的压⼒损失？
蒸汽管道压⼒损失与输⽔管道压⼒损失的计算⽅法是⼀样的。

19、如何减⼩管道的压⼒损失？
（1）选⽤合理的⼯质流速。

从流体阻⼒损失计算中可知，不论是沿程阻⼒或局部
阻⼒，都与流速平⽅成正⽐，流速⾼，压⼒损失⼤。

但流速低，耗⽤⾦属材料多。

所以，必须经过经济⽐较，选⽤合理的⼯质流速。

⑵尽可能减少管道中的连接件和附件。

在汽、⽔管道系统中，为了便于调节、切换和事故处理，需设置必要的阀门、弯头、三通、⼤⼩头等附件，这些附件⼜是局部阻⼒的根源，因此，在保证操作⽅便及⽣产安全的前提下，应尽量减少管道附件，以减⼩不必要的局部阻⼒损失。

（3）保持管道系统中阀门的完好性。

系统中除调节阀门外，⼤多数阀门是处于全开或全关位置，当阀门因故障不能完全开启时，必然形成对汽、⽔的节流作⽤，⽽增⼤⼯质的局部阻⼒损失。

（4）应尽可能缩短管道总长度。

20、什么是压⼒管道的⽔击（⽔锤）现象？有何危害？如何消除？
在压⼒管道中，由于液体流速的急剧改变，从⽽造成瞬时压⼒显著、反复、迅速变化的现象，称为⽔击，也称⽔锤。

引起⽔击的基本原因是：当压⼒管道的阀门突然关闭或开启时，当⽔泵突然停⽌或启动时，因瞬时流速发⽣急剧变化，引起液体动量迅速改变，⽽使压⼒显著变化。

管道上⽌回阀失灵，也会发⽣⽔击现象。

在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏⽔不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成⽔，体积突然缩⼩，造成局部真空，周围介质将⾼速向此处冲击，也会发出巨⼤的⾳响和振动。

⽔击现象发⽣时，压⼒升⾼值可能为正常压⼒的好多倍，使管壁材料承受很⼤应⼒；压⼒的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。

消除或减轻⽔击危害的基本⽅法有：
（1）缓慢开启或关闭阀门；
（2）尽量缩短阀件与容器间的管道长度；
（3）⽌回阀应动作灵活，不应出现忽开忽关现象；
（4）管道就装设安全阀、空⽓阀或蓄能器；
（5）蒸汽管道送汽前要充分暖管，彻底疏⽔，然后缓慢开启阀门送汽。

21、什么是⾃⽣通风压头？在锅炉通风中，⾃⽣通风压头起什么作⽤？
沿烟道（或热风道）⾼度，由于烟⽓（或热空⽓）与外界⼤⽓密度差所产⽣的压头，称⾃⽣通风压头，也称⾃⽣通风⼒或⾃拨风。

⾃⽣通风压头的符号是这样规定的：当烟⽓（或热空⽓）向上流动时取正号，向下流动时取负号。

由于⾃⽣通风压头有⽅向性，在锅炉通风过程中，如果烟⽓（或热空⽓）是向上流动，它将成为流动的推动⼒；如果向下流动，它将成为流动的阻⼒。