流体力学基本知识

将以上各值代入前式，得
1.652 Hs 7 1.91 4.95m 2 9.81
一般情况下，室内给水管道中局部水头损失不必进行详细计 算，可以按下列给水管网沿程水头损失的百分数估算： 生活给水管网——25%～30%； 生活、消防共用给水管网——20%； 生产、生活、消防共用给水管网——20%； 生产、消防共用给水管网——15%； 消火栓系统消防给水管网——10%。
【解】 风机在实际工程中经常用到，它从大气中吸入空气，进入吸入管段，然后 经过风机加压，送至需要的地方，本题就是关于风机的吸入管段的，因为吸入管段 中的流量为Q=Sv，其中S为已知，故需用气体总量的能量方程式求出流速v。过流 断面1—1取在距进口较远的大气中，流速很小，即是≈0，1--1断面上大气压强为已 知，即相对压强p1≈0。2—2过流断面取在水银测压计的渐变流断面上，则此断面 上压强已知，相对压强为： p2=－γh=－9 800N／m3×0.02m=－196N／m2 此外，若能量方程所需基面取为轴流风机的水平中心轴线，用气体能量方程式：
A R x
1.4恒定流的连续性方程和能量方程 1.4.1恒定流的连续性方程
恒定流连续性方程是流体运动的基本方程之一，它的形式简 单但是应用广泛。
1Q1 2Q2
11 22 2 1
如图所示水箱水管系统，水从水箱流经直径为d=2.5cm的管道流 入大气中。当出口流速为10m／s时，求质量流量Qg=? 【解】根据公式Qg=ρ Av= ρ 1/4π d2v =1000 ×1/4 ×3.14 ×0.0252 × 10=4.9kg／s 答：所以水的质量流量Qg为4.9kg／s。
3.流线和迹线 它上面所有流体质点在该时刻的流速矢量都与这条曲线相切， 这条曲线就称为该时刻的一条流线。 流体中某一个质点在连续时间内的运动轨迹称为迹线，它反映 了流场中某一特定质点在不同时刻的运动轨迹。
4.均匀流和非均匀流 均匀流是流体运动时流线是平行直线的流动。非均匀流是流体 运动时流线不是平行直线的流动。
0 pa

0 Hs
p1


11
2g
hl
式中，
pa p1


pk

是水泵进口断面1—1处的真空度， Q 0.0083 1 1.65m / s S 0.08 2 4
pk
=7mH20
2 2 10 l 1 1.65 hl 底阀 弯头 0.04 8 0.7 1.91mH 2O 0.8 d 2g 2 9.81
p1
12
2g
p2
2 2
2g
hl12
将上列各项数值代入上式，并且忽略过流断面1—1、2—2之间能量损失，在1—2 之间为连续流条件下，可得：
0 0 196 11.8
所以
2 v2
2 9.8
0
v2
2 9.8 196 18m / s 11.80
总水头线:各端面上的总水头顶点连成的一条线(图中虚线)。在 实际水流中由于水头损失的存在，所以总水头线总是沿流程下 降的倾斜线。 总水头坡度或水力坡度：总水头线沿流程的降低值 与沿程长度 的比值 hl ,12
i
l
测压管水头线:各过流断面的测压管水头 连成的一条线(图中实 线)。测压管水头线可能上升，可能下降，也可能水平，可能 是直线也可能是曲线。
封闭水箱如图示，已知自由面压强 Po=130000Pa，箱外当地大气压强 Pa=101325Pa，求A点的绝对压强和相对 压强
如图所示封闭水箱中，水深h=l.5m的A 点上安装一压力表，其中心距A点Z=0.5 m，压力表读数为4.9kN／m2，求水面相 对压强P0=? 【解】：根据公式： P0+γ (hZ)=P表 则：P0=4.9-9.8×(1.5-0.5)=-4.9 kPa。 答：水面相对压强P0为-4.9kPa。
1.2
流体静压强的基本概念
1.2.1流体静压强及其特性 流体静压强具有两个重要特性： 1.流体静压强永远垂直于作用面，并指向该作用面的内法 线方向。 2.静止流体中任一点的静压强只有一个值，与作用面的方 向无关，即任意点处各方向的静压强均相等。 1.2.2流体静压强的分布规律 PB=Po+γh
1.2.3压强的度量和单位 流体静压强有两种表示方法。 1.绝对压强 以绝对真空为零算起的压强，用P表示。绝对压强永远是正值 2.相对压强 以当地大气压强Pa为零算起的压强，一般的压力表测量出的压 强即为此压强，用p表示。相对压强可以是正值，也可以是负值 。当某点的绝对压强高于大气压强时，相对压强值为正，相对压 强的正值称为正压(即压力表读数)；某点的绝对压强低于大气压 强时，相对压强值为负，相对压强的负值称为负压。 相对压强与绝对压强之间的关系用下式表示
5.元流和总流
6.过流断面、流量和断面平均流速 过流断面是流体运动时，与元流或总流全部流线正交的横断面， 用 A表示。 均匀流的 过流断面为平面；渐变流的过流断面可视为平面； 非均匀流的过流断面为曲面。
流量是流体运动时单位时间内通过过流断面的流体的多少。
Q=vA

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湿周：过流断面上流体与固体面接触的周界，用x表示， 单位为m或cm。 水力半径：

内容主要包括建筑设备基本知识、给水、 排水、消防、采暖、燃气、通风与空气调 节、供配电、照明、安全用电与防雷、建 筑弱电系统
第一章 流体力学基本知识
了解流体力学的主要内容；掌握流体的主要物 理性质；掌握流体静压强的分布规律和压强表 示方式；掌握流体运动的基本规律和流体能量 损失。
1.1
流体的主要物理性质
hl ,12 hf hj
1.5.2流动的两种型态——层流和紊流 实际流体的运动存在有两种不同的状态，即层流和紊流。
判断流动状态，雷诺用雷诺数Re来判别，对于圆形管道
Re
vd

1.5.3沿程水头损失
hf
1.5.4局部水头损失
l v2 d 2g
hj
v2 2g
hl hf hj
1.1.5作用于流体上的力 作用于流体上的力包括质量力和表面力两大类 1．质量力 质量力是指作用在流体每个质点上的力，其大小与流体的质量 成正比。常见的质量力有重力和各种惯性力(如直线加速运动时 的直线惯性力和圆周运动时的离心力等)。 2．表面力 表面力是指作用在流体表面上的力，其大小与受力表面的面积 成正比。它包括有表面切向力(摩擦力)和法向力(压力)。
1.1.1流体的密度和容重 单位体积的流体所具有的质量称为密度，用ρ表示(kg／m3)。
m V
单位体积流体的重量(力)称为容重。用γ表示(N／m3)。

G V
由牛顿第二定律G=mg，可知流体的容重和密度有如下的关系
γ=ρg
1.1.2流体的压缩性和热膨胀性 当流体所受压力增大时，其体积缩小，密度增大，这种性质称 为流体的压缩性。流体压缩性的大小，一般用压缩系数β来表示。 流体因温度升高使原有的体积增大，密度减小的性质称为流体 的热膨胀性。热膨胀性的大小用热膨胀系数α来表示。 在建筑设备工程中，除水击和热水循环系统外，一般计算均不 考虑液体的压缩性和热膨胀性。
如图所示的管段，已知dl=2.Ocm，d2=4.5cm，d3=7.5cm，流量 Q=5L／s，求各管段的平均流速
1.4.2恒定总流能量方程式
hl ,1 2 H1 H 2 ( Z1
P 1


2 1v1
2g
) (Z 2
P2


2 2 v2
2g
)
能量方程式中每一项的单位都是长度，位置水头、压强水头 和流速水头可用测压管和测速管测出，它们都可以在断面上 用铅直线段在图中表示出来。这就对方程式各项在流动过程 中的变化关系以更形象的描述。如图所示。
l v2 d 2g

v2 2g
水泵的吸水管装置如图所示。设水泵的最大许可真空度为 pk =7mH20，工作流量Q=8.3L／s，吸水管直径d=80㎜，长度l= lOm，弯头局部阻力系数：ξ 弯头=0.7，ξ 底阀=8，求水泵的最大 许可安装高度Hs。（λ =0.04）
【解】以吸水井的水面为基准面，列断面0-0，与1—1的能量 方程式为： 2
1.3
流体运动基本规律
1.3.1基本概念 1.恒定流动和非恒定流动
2.压力流和无压流、射流 压力流是流体在压差作用下流动时，流体整个周围都和固体壁 面相接触，没有自由表面。 无压流是液体在重力作用下流动时，液体的部分周界与固体壁 面相接触，部分周界与气体相接触，形成自由表面。 射流指流体的整个周界都包围在液体或气体之中。

1 （t-t0 )
0

图示为一采暖系统，水温升高 后引起体积膨胀，为防止管道 及散热器片涨裂设置上部水箱， 已知系统内的水的总体积 V=8m3，加热前后温差为 △t=50℃，水的膨胀系数 α =0.005，求膨胀水箱的最小 容积。

1.1.3黏性

流体的黏性是在流动中呈现出来的。当相邻的流体层有相 对移动时，各层之间因具有黏性而产生摩擦力。摩擦力使 流体摩擦而生热，流体的机械能部分地转化为热能而损失 掉。所以，运动流体的机械能总是沿程减少的。
实际气体的恒定总流能量方程
Pl ,1 2 ( gZ1 P 1
2 v1
2
) ( gZ 2 P2
2 v2
2
)
由于气体密度很小，式中重力位能可以忽略不计，方程简化 为
p1

2 1
2g
p2

2 2
2g
hw12
如图所示一轴流风机。直径d=200mm，吸入管的测压管水柱高 h=20mm，空气的容重ra=11.80N／m3，求轴流风机的风量(假定进 口损失很小，可以忽略不计)。
p=P-Pa
相对压强为负值时，流体处于低压状态，通常用真空度(或真空 压强)来度量流体的真空程度。用pk表示，即
pk=Pa-P=- p
真空度实际上等于负的相对压强的绝对值，有时也称为“负压 ”。某点的真空度愈大，说明它的绝对压强越小。真空度达到 最大值时，绝对压强为零，处于完全真空状态；真空度的最小 值为零,即绝对压强等于当地大气压强。真空度在0～98KN/m2 的范围内变动。 1.2.4压强的测量 ⒈液柱测压计 ⒉压力表和真空表
如图所示，密度为1.2kg／m3的空气由风机吸入，吸风管道的直 径为d=15cm，在喇叭形进口处水柱计测得h=20mm，不考虑损失 ，求空气流量Q=?
1.5 流动阻力和水头损失 1.5.1流动阻力和水头损失的两种形式 1.沿程阻力和沿程水头损失 流体在长直管(或明渠)中流动，所受的摩擦阻力称为沿程阻 力。 2.局部阻力和局部水头损失 流体的边界在局部地区发生急剧变化时，迫使主流脱离边 壁而形成漩涡，流体质点间产生剧烈地碰撞，所形成的阻 力称为局部阻力。
通常用动力黏性系数μ表示流体黏性的大小，它决定于流体的 种类和温度，通常也称为黏度或动力黏度。流体黏性除用动力 黏性系数μ表示外，还常运动黏性系数或运动黏度υ表示，单位 m2／s。 1.1.4表面张力 液体表面，包括液体与他种流体或固体的接触表面，存在着一 种力图使液体表面积收缩为最小的力，称为表面张力。