1.1流体力学基础知识

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.
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.
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.
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:
(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
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:
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.
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Байду номын сангаас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 .
(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:
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-
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)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.
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.
*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
*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.
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.
(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.
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
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.