北航《建筑备》第一章 流体力学基本知识 课堂笔记

北航《建筑设备》第一章流体力学基本知识课堂笔记◆主要知识点掌握程度重点掌握流体运动的基本知识；熟悉流体的静压强及分布；了解流体的主要物理性质；了解流体阻力的流动状态。

◆知识点整理一、建筑设备绪论（一）建筑设备的作用建筑设备对于现代建筑的作用，好比人的五脏对了人的作用相似。

如果把建筑外形、结构及建筑装修比作人的体形、骨路及服饰，那么，建筑设备可比作人的内脏及器官。

空调与通风好比人的呼吸系统。

室内给排水好比人的肠胃系统。

供配电好比人的供血系统。

自动控制与弱电好比人的神经及视听系统。

人的外形与内部器官和建筑外形与设备，均是互为依存。

缺一不可的。

从经济上看，一座现代建筑物的初投资产，土建、设备与装修，大约各占三分之一左右。

现代化程度愈高．设备及装修所占的比例愈大。

从建筑物的使用成本看，建筑设备的设汁及其性能的优劣，耗能的多少，是直接影响经济效益的重要因素。

一座星级宾馆，假如其空调效果很差或供电系统经常故障而停电．或通讯系统不完善、不方便，不可想象其经济效益及使用效果会是令人满意的。

（二）建筑设备的特点1、时代性。

2、节能与低污染。

3、多学科综合性。

（三）建筑设备的种类现代建筑设备内容广泛，种类繁多。

从其作用可分以下四类：1、创造环境的设备：如创造空气温、湿度环境的空调设备等；2、追求方便的设备：如通讯、电梯、卫生器具等；3、增强安全的设备：如报警、防火、防烟、防盗、防振等；4、提高控制性及经济性设备：如自动控制、电脑管理等。

从专业分，—般包括以下各专业：空调通风与采暖、给排水、供配电、弱电、动力、环保、洗衣设备、厨房设备、运输设备等。

（四）建筑设备的内容1、空调与通风设备(1)冷源设备(2)热源设备(3)空调及通风设备(4)防排烟设备2、室内给徘水设备3、供配电设备4、弱电设备5、环保设备6、洗衣设备7、厨房设备8、室内垂直运输设备(电梯)9、娱乐及健身设备二、流体的主要物理性质（一）流体的密度和容重流体单位体积的质量称为流体的密度，用ρ表示，即ρ=（1——1）/m V式中ρ——液体的密度（kg/m 3）；m ——液体的质量（kg ）；V ——液体的体积（m 3）；流体也和固体一样具有重量，这是物质受地球引力产生的。

对于匀质流体，单位体积的重量称为流体的容重。

用γ表示，即/G V γ= （1——2）式中γ——流体的容重(N ／m 3)；G ——流体的重力(N)；V ——流体的体积(m 3)；容重和密度都是流体内在特有的性质，它们之间有着密切的关系。

因为 G mg =所以 g γρ=g （1——3）式中 g ——重力加速度，采用g=9.81（m/s 2）。

式(1—3)表明，流体的容重等于流体的密度和重力加速度的乘积。

不同的流体、其密度和容重各不相同；间一种流体，其密度和容重受外界压力和温度的影响而稍有变化，因此，当指出某种流体的密度和容重值时，必须指明所处外界压力和温度条件。

在一般情况下，液体的密度和容重随外界压力和温度的变化是很小的，在工程计算中常忽略不计，如水的密度常采用1000kg/m 3，容重值采用9800N ／m 3。

对于气体应当考虑外界压力和温度对其密度的影响．其变化规律可按气体状态方程来计算。

（二）流体的粘滞性流体运动时，除受外力作用外，还存在一种阻碍流体流动的力——内摩擦力。

内摩擦力的存在则显示出流体流动时对变形的阻抗作用。

流体的这种阻抗变形的特性称为流体的粘滞性。

流体的粘滞性大小．通常用动力粘滞系数μ和运动粘滞系数ν来表示。

对于粘滞性大的流体，其μ和ν也大。

动力粘滞系数μ的单位为Pa ·s ；运动粘滞系数ν的单位是m 2／s 。

动力粘滞系数和运动粘滞系数与流体的种类有关，不同的流体具有不同的动力粘滞系数和运动粘滞系数。

同一种流体，动力粘滞系数和运动粘滞系数随温度和压力而变化，但实验表明：压力对流体的动力粘滞系数及运动粘滞系数影响较小，而温度影响较大。

流体的粘滞性对流体的运动有很大影响。

从机械能来看，因为流体内摩擦阻力作负功，不断损耗运动流体的机械能。

从而成为实际工程水力计算中必须考虑的一个重要问题。

三、流体的静压力及分布（一）静压强的分布如图示。

单位质量力J 在各轴上的投影为0=X 0=Y g Z -=代入式 dz gdz dz g dp γρρ-=-=-=)(或 0=+dz dp γ图1.2.1 重力平衡液体积分得 c pz =+γ （常数）——静止液体中压强的分布规律，称流体静力学基本方程。

对静止流体中1、2两点，可写成如下形式 γγ2211p z p z +=+由上式看出：（1） 当21p p =时，则21z z =，即等压面为水平面。

（2） 当2z >1z 时，则1p >2p ，即位置较低点处的压强恒大于位置较高点处的压强。

（3） 当已知任一点的压强及其位置标高时,便可求得液体内其它点的压强。

（二）静压强表示压强p 值的大小 ，从不同基准计算就有不同的表达方法。

(1) 绝对压强以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点（起量点）计量的压强，它表示该点压强的全部值。

h p p a γ+=(2) 相对压强以当时当地大气压强a p 作为零点计量的压强，也称为表压强。

h p p p a γ=-='(3) 真空度真空度是该点绝对压强p 小于当地大气压强a p 的数值。

因为 v a p p p -=所以 p p p a v -=图1.2.2 绝对压强、相对压强和真空度的关系（三）静压强的单位1、应力单位N / m 2 ，PaKgf / m 2 .M Pa , 1 M Pa =106 Pa .bar （巴），1bar= 105 Pa2、 大气压的倍数标准大气压： 1atm=101.325KPa ；工程大气压：1at=98.07KPa ；3、 液柱高度以一个工程大气压为例：2398.07109.807/KPa h mH O KN m == 21000098070mmh o Pa =即 219.807mmH O Pa =（四）静压强的测量1、测压管一根玻璃管，一端连接在需要测定的器壁孔口上，另一端和大气相通。

与大气相接触的液面相对压强为零。

这就可以根据管中水面到所测点的高度测得压强。

2、 U 形测压管'0A a P h γ+='A A P h γ=- 或 'V A P h γ=四、流体运动的基本知识（一）流体运动的分类1、按液流运动接触的壁面情况分类1）有压流流体过流断面的周界为壁面包围，没有自由面为有压流或压力流。

——般供水、供热管道均为压力流。

2）无压流流体过流断面的壁和底均为壁面包围，但有自由面者称为无压流或重力流。

如河流、明渠等。

2、根据流动要素(流速与压强)与流行时间分类1）恒定流流场内任一点的流速与压强不随时间变化，而仅与所处位置有关的流体流动称为恒定流。

在这种流动中．流线与质点运动的轨迹相重合。

2）非恒定流运动流体各质点的流动要素随时间而改变的运动则称为非恒定流，水位随水的放出而不断改变的水流运动。

非恒定流的情况较复杂，以后一般问题多为恒定流的。

（二）描述流体运动的几个主要物理参数1、流线液流中同一瞬间由许多质点组成的曲线，该曲线上任一点的切线方向就是该点的流速方向，它形象地描绘了该瞬时整个液流的流动情况(图3.1.1)图3.1.1 流线2、流管在液流中取一封闭垂直于流向的平面，在其中划出权微小面积，则其周边上各点的流线构成流管。

3、流束流管内流线的总和。

4、股流充满流管内的流体。

5、过流断面在股流上垂直于所有流线的截面。

其形状随流线形状而定．可能是平面或曲面。

6、元流与总流过流断面为无限小时的流束称为元流。

过流断面为有限大时的流束称为总流。

（三）恒定流的连续性方程设在某一元流中任取两个过流断而1和2如图3.1.2所示。

两过流断面的面积分别为w 1和w 2，通过两过流段而的流速分别为v 1和v 2，考虑到；(])流体力稳定流，则流速v 1和v 2不随时间而变化； (3) 流体是连续介质和不可压缩的，则12ρρ=；(4) 两过流断面间的流段内部存在输出或吸入流体的“奇点”。

因此、在单位时间内，通过过流断面l 流进的流体体积Q 1，应等于通过过流断面2而流出的流体体积Q 2。

即：Q 1=Q 2。

对于过流段面1有：Q 1=w 1v 1，对于过流段面2有：Q 2=w 2v 2，根据Q 1=Q 2有：w 1v 1= w 2v 2；式Q 1=Q 2称为不可压缩流体稳定流的连续性方程式。

它表明，在稳定流条件下，流量沿程不变。

或者说，水流通过任意两过流断面时，过流断面面积与断面的平均流速成反比，即1221v w v w = 式Q 1=Q 2还可以推广到多出过流段面，即1122......w v w v Q ====常数。

图3.1.2 元流束（四）一元流恒定总流能量方程一元流是水流的流速向量在空间坐标中只和一个空间变量有关，或者说仅与沿流程坐标s 有关，即()u u s =或(,)u u s t =。

显然，在一元流场中，流线是彼此平行的直线，而且同一过水断面上各点的流速是相等的。

（五）理想液体能量方程运用欧拉方程求各种流动问题的解答时，需要对该方程组进行积分，但是，由于数学上的困难，目前还无法在一般情况下进行求解．对于一种特定的情况，即理想液体的稳定流，且流体所受的质量力只有重力的情况下，欧拉方程才好积分求解。

理想液体稳定元流的能量方程为：2211221222p u p u z z g g γγ++=++ （六）实际液体能量方程22'11221222w p u p u z z h g g γγ++=+++ 其中，'w h 表示元流过水断面间的水头损失。

五、流动阻力和流动状态（一）流动阻力和水头损失的两种形式1、沿程阻力流体在直管中流动，受固体边界的阻滞作用而产生的流动阻力，称为沿程阻力。

2、局部阻力当流体流经弯头突然扩大、突然缩小以及阀门等管道配件或附件时，由于局部障碍的影响，便流体流动状况发生急剧变化，流体质点互相碰撞，形式旋涡，因而产生流动阻力，称为局部阻力。

（二）层流和紊流流体在流动过程中，由于流速不同，呈现出两种不同的流态。

这种形态可通过雷诺实验观察到。

层流——实验开始，当阀门微微开启，玻璃管中水的流速很小时，可观察到来自细管的颜色水细流，形成一条整齐的细线，说明玻璃管中的水质点是排列得很整齐的、有次序的、层次分明的。

我们把这种水流状态称为层流。

紊流——将阀门逐渐井大,流速逐渐增大到一定程度时，可观察到颜色水细流发生动荡，继而分散，破裂颜色水不再成一条整齐的细线。

这时水流是紊乱的，各质点的运动轨迹极不规则，质点相互碰撞、混掺。

这种水流状态称为亲流。

（三）流态判别采用雷诺数判别流态。