1.1流体力学基础知识

(四)流体的粘滞性 所有的流体都有粘滞性 所有的流体都有粘滞性,这是由于分 粘滞性,这是由于分 子之间的引力造成的,粘滞性会影响流体 流动的性质,粘滞性的大小可以用粘度 流动的性质,粘滞性的大小可以用粘度来 粘度来 衡量.粘度越大的流体其流动的时候阻力 越大.
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例子:水,食用油,热沥青的粘性和流 动性比较. 理想流体:粘滞性会使得流体流动复杂 理想流体:粘滞性会使得流体流动复杂 化,为了简化问题分析,引入理想流体的 概念:没有粘滞性的流体即是理想流体. 概念:没有粘滞性的流体即是理想流体. 对于粘滞性较小的流体,比如水,在很多 情况下可以忽略其粘滞性,将其视作理想 流体.但是在涉及较远距离输送的时候则 必须考虑粘滞阻力造成的影响.
v=
(二)重度 单位体积物质具有的重量称作重度 单位体积物质具有的重量称作重度,用希腊字母γ表示 重度,用希腊字母γ
G 单位( N / m3 ) 重度与密度的关系为: γ= ρg V γ=
1 ρ
单 位 ( m 3 / kg )
(三)流体的压缩性和热胀性 一定量的流体所受外界压力增大的时 候,其体积将缩小,密度会增大,该性质 称为流体的压缩性 称为流体的压缩性. 压缩性. 一定量的流体受热温度升高的时候, 其体积将增大,密度会减小,该性质称为 流体的热胀性 流体的热胀性. 热胀性. 气体的压缩性必液体显著的多,一般 将液体视为不可压缩流体.在一些情况下 (如空气沿通风管道前进)也将气体视作 不可压缩流体.于此同时,我们对于液体 的热胀性要给予足够的认识和重视.如高 楼水系统种一般设置膨胀水箱.
qV = ωA
单位(m / s )
3
质量流量与体积流量的关系是:
qm = ρqV
qm 或 qV = ρ
(二),伯努利方程 伯努利方程的本质是一个能量方程,列出 这个方程的基础是机械能守恒定律. 对于理想流体,由于没有粘滞阻力损失, 所以在流动过程中应当满足机械能守恒, 即动能和势能的总和不变.对于流体来说, 其中的动能部分自然和流体的流速有关, 而势能部分则和流体的静压力有关. 由于动能和势能在一定条件下可以相互转 化,所以对应的,流体的流动速度和流体 的静压力也可以按照一定条件进行相互转 化,同时可以建立等量关系,列出相应的 方程.
(一),流动阻力及能量损失的两 ),流动阻力及能量损失的两 种形式
1.沿程阻力和沿程损失 1.沿程阻力和沿程损失 流体在直管中流动时,由于流体的粘 滞性和管壁对流体的阻滞作用所受的摩擦 阻力,称为沿程阻力.为了克服沿程阻力 而消耗的单位重量的流体机械能,称为沿 而消耗的单位重量的流体机械能,称为沿 程损失,用h 程损失,用hf表示.沿程损失分布在整个管 段的全程,与管段的长度成正比,所以也 称为长度损失,或称摩擦阻力.
(四)减少流动阻力损失的措施
减少沿程阻力 1.设计时尽量减少管程; 1.设计时尽量减少管程; 2.采取更粗的管道;(会增加成本) 2.采取更粗的管道;(会增加成本) 减少局部阻力 1.进口处理,流线型最佳; 1.进口处理, 2.用渐扩和渐缩代替突然的扩大和缩小; 2.用渐扩和渐缩代替突然的扩大和缩小; 3.减少转弯,转弯处用圆弧代替直角,加装导流叶片; 3.减少转弯,转弯处用圆弧代替直角,加装导流叶片; 4.改善三通的性能; 4.改善三通的性能; 5.管件的布置与衔接更合理,管道与泵和风机的连接要合理 5.管件的布置与衔接更合理,管道与泵和风机的连接要合理 采用更光滑的管道 在流体种加入少量添加剂改善流体粘滞性
二,流体的静压力
静止流体内部单位面积上的法向表面里叫做静压力 静止流体内部单位面积上的法向表面里叫做静压力,即物 静压力,即物 理学上所说的静压强. 流体静压力是具有能量意义 流体静压力是具有能量意义的,和静压力相关的是流体的 能量意义的,和静压力相关的是流体的 压力势能. 分子势能,也叫做压力势能 分子势能,也叫做压力势能. 液体静压力分布规律: 1.液体内部静压力大小p=p0+γh 或 p=p0+ρgh,其中p0为液面 1.液体内部静压力大小p=p +ρgh,其中p 处压力大小. 2.取流体内部任意一点,该点处各个方向上 的静压力大 2.取流体内部任意一点,该点处各个方向上 小相等. 3. p0一定时,流体内部同一深度各点静压力大小相等,构 成一个等压面,该等压面为水平面. 4.静压力分布与容易形状无关,连通器内等压面仍然是水 4.静压力分布与容易形状无关,连通器内等压面仍然是水 平面. 5.p0变化时,液体内部各点静压力将做同样变化,说明外界 压力可以等值的在液体内部向各个方向进行传递. 对于气体,高度差不大时,一般忽略公式中后一项,认为 气体内部压力与所受外界压力相等,即p=p 气体内部压力与所受外界压力相等,即p=p0 .
六,泵与风机
有关离心式水泵的结构和工作原理的内容在 高中物理中已经有讲授,这里不在赘述.需 要注意的是离心式泵与风机是中心进入边沿 要注意的是离心式泵与风机是中心进入边沿 流出,离心式水泵开机前要将机壳中注满水. 流出,离心式水泵开机前要将机壳中注满水. 水泵和风机在工程中是一种能量转换装置, 它消耗原动机的能量,提高流体的全压力 它消耗原动机的能量,提高流体的全压力. 全压力. 泵与风机的主要性能参数:流量, 泵与风机的主要性能参数:流量,扬程和压 流量 功率,效率,转速请同学们自行了解. 头,功率,效率,转速请同学们自行了解.
第一章 制冷与空调技 术理论基础
第一部分 工程流体力学基础知识
一,流体的主要物理性质
(一)密度和比体积 单位体积物质具有的质量,称为该物质的密度 单位体积物质具有的质量,称为该物质的密度,用希 密度,用希 腊字母ρ 腊字母ρ表示.
ρ= m V
单位(kg / m3 )
密度的倒数称为比体积 密度的倒数称为比体积,也叫做比容,用字母v表示, 比体积,也叫做比容 比容,用字母v 含义是单位质量物质所占的空间体积.
四,伯努利方程及其应用
一元稳定流动和伯努利方程是工程流体力 学种非常基础和重要的知识,但是相对于 楼宇专业,其作用不是太大,而且难度较 高,因此本部分知识不做太深入的讲解, 只选取其中对于与我们专业比较有用的内 容进行讲授.
(一),一元稳定流动 有关一元稳定流动的相关概念作为了解性内容 由同学们自己学习了解.需要强调的是: 流量和平均流速 单位时间内流过过流截面的流体量称作流量 单位时间内流过过流截面的流体量称作流量. 流量. 分质量流量q 和体积流量q 分质量流量qm和体积流量qV. 由于流体具有粘滞性,过流截面上各点流速大 小一般不等,工程上为简化计算,引入平均流速 小一般不等,工程上为简化计算,引入平均流速的 平均流速的 概念.体积流量q ,截面面积A,平均流速ω 概念.体积流量qV,截面面积A,平均流速ω之间 的关系为:
2.局部阻力和局部损失 2.局部阻力和局部损失 管道中的弯头,三通,阀件和过流截 面有变化(例如管径突然增大或者缩小) 时的连接件等统称为管道局部构件.流体 流经管道局部构件时,由于构件边壁的阻 碍或扰动作用及流体自身的惯性,将发生 撞击,旋涡等现象,流速的大小和方向会 有急剧的改变,形成较大的流动阻力,称 为局部阻力.局部阻力造成的能量损失比 较集中.为克服局部阻力而消耗的单位重 量流体的机械能,称为局部损失 量流体的机械能,称为局部损失,用hj表示. 局部损失,用h 整个管道的能量损失应该分段计算沿 程损失和局部损失,再进行叠加.
*动压力,静压力和全压力 动压力,
在液体内部取一个边长很小的立方体分析其六面 受力情况.显然,对于静止的流体,六个面受力 相等,但是对于向一定方向稳定流动的流体,迎 着流动方向一面受力要大于其他五个面.
狂风可以吹倒大树,洪水可以冲垮房屋,说明告 诉流动的流体可以对阻碍物产生巨大的作用力. 如果对流体种向这阻碍物冲过去的一个分子的运 动情况进行分析,发现其速度在与阻碍物接触后 会明显的减小甚至于静止下来,而与此同时,巨 大的压力产生了. 将盛满谁的桶底部钻一 个洞,会有水流喷出, 测量其压力,发现小于 同等高度的桶的内部. 显然,流体的静压力转 变为流体的速度了.
三,绝对压力与表压力
由p=p0+γh表示的流体静压力是流体的绝对压力, +γh表示的流体静压力是流体的绝对压力, 它是以绝对真空为压力零点计算的流体静压力,代 表流体内部某一点的实际压力. 工程上使用的测压仪表自身也处于大气压力的作用 下,他们在当地大气压力下示数为零.用仪表测量 流体压力得到的读数只反应流体压力比当地大气压 力高或者低多少,其实是一个压力差,因此叫做表 压力. 绝对压力p,表压力p ,大气压力p 绝对压力p,表压力pe,大气压力pa之间关系为: pe=p-pa 或 p=pe+pa =p-
hf = kω
m
对于层流m=1,对于湍流m=1.75~2.0.很 对于层流m=1,对于湍流m=1.75~2.0.很 显然,湍流状态的损失要大的多,因此在 成本允许的情况下,输送管道要尽量粗一 些,保证以层流的形态进行输送.
(三),影响流动阻力损失大小的 ),影响流动阻力损失大小的 因素
流体的沿程阻力损失跟管道长度成正比; 流体的沿程阻力损失跟管道长度成正比; 管道长度成正比 跟平均流动速度的平方成正比, 跟平均流动速度的平方成正比,跟管径大 小成反比. 小成反比. 流体的局部阻力损失跟平均流动速度的平 流体的局部阻力损失跟平均流动速度的平 方成正比. 方成正比. 显然,流体的流动阻力损失还跟流体本身 显然, 的粘滞性和管道跟局部构件的粗糙程度有 关系. 关系.
动压力具有方向性,其方向和速度方向相同. 动压力具有方向性,其方向和速度方向相同. 静压力和东压力的和称作全压力 静压力和东压力的和称作全压力. 全压力.
伯努利方程应用举例: 伯努利方程应用举例:毕托管测流速
五,流动阻力损失
在制冷与空调系统中,制冷剂,空调用水 及空气在管道中流动时,都会受到流动阻 力作用.流体克服流动阻力运动必然有部 分机械能转换为热能耗散掉,产生能量损 失.这些能量损失会明显的降低设备的效 率.在设计制冷与空调系统的各种管路和 选择泵与风机时,必须考虑各种流动阻力 产生的能量损失.
*水泵的安装高度问题
水泵有高于水面,平于水面,和低于水面三种安 水泵有高于水面,平于水面,和低于水面三种安 装方式.其中平于水面和低于水面的水泵需要用 密封良好的电动机拖动,代价较昂贵,而高于水 面的水泵既可以用一般电动机拖动也可以用汽油 机或者柴油机拖动,所以使用较为广泛. 泵的气蚀: 泵的气蚀: 当泵的位置高于水面的时候,水从水面上升到泵 的过程中由于位置的升高和向动压的转化,水的 静压力会减小,低压下水极易汽化,水中溶解的 其他气体也会分离出来形成气泡,这些气泡进入 水泵高压区后将消失,因此在水流过水泵的过程 中会对水泵内部的零件造成冲击和腐蚀.破坏泵 内构件,这种现象叫做泵的气蚀.水泵安装的位 置越高,气蚀现象就越严重
结论: 流体的静压力和流体的速度可以在一定 条件下相互转化,这种转化是基于机械能 守恒条件下,势能和动能之间的转化. 1 2 1. 动能与势能转化满足 mgh = mv
2
2. p0=0时静压力 p=ρgh =0时静压力 p=ρ 将方程1等式两边消去m,再乘以ρ 将方程1等式两边消去m,再乘以ρ得到:
1 2 p = ρgh = ρv 2
实际上,同学们高中学习物理的机械能守恒定律 的方程表达式:
1 2 1 2 mgh1 + mv1 = mgh2 + mv2 2 2
也可以按照刚才的做法化简,得到:
1 2 1 2 ρgh1 + ρv1 = ρgh2 + ρv2 2 2 很明显,其中 ρgh1和ρgh2是静压力, 1 2 1 2 而其中的 ρv1 和 ρv2 则称作动压力 则称作动压力 2 2
(二),流体的两种流态及其对能 ),流体的两种流态及其对能 量损失的影响
流动阻力及能量损失既与流动的外部边界 条件(如管壁) 条件(如管壁)的情况有关,还与流体自身的 流动状态有关.流动状态主要可划分为层 流和湍流(或称紊流) 流和湍流(或称紊流)两种.
工程上一般使用雷诺数判断流体流态,当 雷诺数大于2000时认为时湍流状态,小于 雷诺数大于2000时认为时湍流状态,小于 2000时认为时层流状态. 2000时认为时层流状态. 沿程损失h 与平均流速ω 沿程损失hf与平均流速ω关系可表示为: