流体力学 泵与风机1流体的物理性质.ppt.ppt

LIUTI LIXUE BENG YU FENGJI 高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材 1 主 编 白 桦 鲍东杰 副主编 赵云鹏 王 京 主 审 刘家春 流流体体力力学学 泵泵泵泵与与风风风风机机 2 内 容 简 介 本书为高等职业技术教育建筑设备专业规划教材，全 书共12章，主要内容有：流体静力学，一元流体动力 学，流动阻力与能量损失，管路计算，孔口、管嘴出 流和气体射流，流体测量，明渠流动、堰流和渗流， 泵与风机的构造及工作原理，泵与风机的基本理论， 泵与风机的运行和选型与使用管理，其它常用泵与风 机等。 本教材适用于高职高专院校建筑环境与设备工程技术 、供热通风与空调工程技术、制冷工程技术、给排水 工程技术等专业，也可供相关专业的师生及工程技术 人员参考。 内 容 简 介 3 本教材从培养高等素质技能型人才的目标出发，以工 学结合为主线，以学生的实际水平和职业要求为出发 点，精选教学内容，减少数理论证，着重于基本概念 的理解和基本原理的应用，不追求体系完整和内容全 面，突出实用性和实践性。 内容叙述力求结构合理，层次分明，深入浅出，通俗 易懂，各章除配有“知识点”“能力目标”外，还配有“小 结”，“思考题与习题”，同时，为便于自学，书末附有 部分习题的参考答案。 本教材流体力学引言、第1、7章由徐州建筑职业技术 学院白桦编写，第4、8章由邢台建筑职业技术学院鲍 东杰编写，第2、3、6章由徐州建筑职业技术学院刘 前 言 4 红侠编写，第5章由广西建筑职业技术学院周舟编写，泵 与风机引言、第9、10章由黑龙江建筑职业技术学院赵云 鹏编写，第11、12章由邯郸建筑职业技术学院王京编写 。 本书由白桦、鲍东杰担任主编，赵云鹏担任副主编，由 徐州建筑职业技术学院刘家春教授担任主审。全书由白 桦统编定稿。 本教材编写过程中，参考引用了有关院校编写的教材和 生产科研单位的技术资料及研究成果，在此一并表示感 谢！ 由于编者水平有限，书中不妥之处，恳请读者批评指正 。 前 言 LIUTI LIXUE BENG YU FENGJI 高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材 5 第一部分 流体力学 流流体体力力学学 泵泵泵泵与与风风风风机机 6 1 流体力学及其研究对象 流体力学是一门应用性广、基础性强的学科，它研究 的对象主要是流体的内部及其与相邻固体和其它流体 之间的动量、热量及质量的传递和交换规律。 流体是气体和液体的总称。 流体力学是力学的基本原理在液体和气体中的应用。 力学原理包括质量守恒、能量守恒和牛顿运动定律。 流体力学的基本内容可以分为：研究流体处于平衡状 态时的压力分布和对固体壁面作用的流体静力学；研 究不考虑流体受力和能量损失时的流体运动速度和流 线的流体运动学；研究流体运动过程中产生和施加在 流体上的力和流体运动速度与加速度之间关系的流体 动力学。 流 体 力 学 7 2 流体力学的发展 流体力学是人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步 发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说； 秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还在 发挥着作用；大约与此同时，古罗马人建成了大规模 的供水管道系统等等。对流体力学学科的形成作出第 一个贡献的是古希腊的阿基米德，他建立了包括浮力 定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论，奠定了流体 静力学的基础。 流 体 力 学 8 3 流体力学的应用 流体及流体力学现象充斥在我们生活的各个方面，如云彩的 漂浮、鸟的飞翔、水的流动、天气变化、管道内液体的流动 、风道内气体的流动、空气阻力和升力、建筑物上风力的作 用、土壤内水分的运动、石油通过地质结构的运动等，都存 在于我们日常生活及生产各个方面；血液在血管中的流动， 心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送等使流 体力学与生物工程和生命科学相联系；水从地下、湖泊或河 流中用泵输送到每家每户的供水系统，再进入废水的排放系 统，液体和气体燃料送到炉堂内燃烧产生热水或蒸汽用于供 热的供热系统或产生动力的动力系统，提供流体携带将热量 从低温送到高温空气中的制冷系统，在炎热的夏季将室内热 量送到室外的制冷与空调系统，废液和废气的处理与排放系 统等，使流体力学现象与日常生活密切相关。 流 体 力 学 9 4 流体的力学模型 客观上存在的流体的流动及其物质结构和物理性质是 非常复杂的。如果考虑所有因素，将很难推导出它的 力学关系式，为此，在分析研究流体力学问题时，对 流体加以科学的抽象，建立力学模型，以便列出流体 运动规律的数学方程式。下面介绍几个主要的流体力 学模型。 （1）连续介质与非连续介质模型 （2）不可压缩流体与可压缩流体的力学模型 （3）理想流体与粘性流体（实际流体）的力学模型 流 体 力 学 10 5 流体力学的研究方法 目前，解决流体力学问题的方法有现场观测、实验室 模拟、理论分析、数值计算四种。 （1）现场观测 （2）实验室模拟 （3）理论分析 （4）数值计算 流 体 力 学 11 6 流体力学的学习 首先，流体力学包含很多内容，在分析和讨论时必须 对内容作一定限定，分清研究对象和适用条件。 学习流体力学时需要注意力学原理的应用，把握质量 守恒、能量守恒、动量守恒和热力学定律在流体中应 用的形式。流体力学中许多理论和概念是建立在这些 基本原理和定律以及实验观察之上的。 总之，在学习流体力学中，要注意基本概念、基本原 理和基本方法的理解与掌握，只有深刻地理解流体力 学原理和掌握这些原理的应用方法才能够解决工程实 际中遇到的各种流动问题。所以，将流体力学理论应 用到工程实际中是流体力学学习的基本目的之一。 流 体 力 学 LIUTI LIXUE BENG YU FENGJI 高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类类专业规划教材 12 第一部分 流体力学 1 流体的物理性质 流流体体力力学学 泵泵泵泵与与风风风风机机 13 【知识点】 流体的基本特征，流体的惯性和重力特性，流体的压 缩性和热胀性，流体的黏性，表面张力，汽化压强 【能力目标】 充分理解：各物理量的定义、产生的原因，外界因素 变化对流体的影响，如流体的密度、容重、压缩性、 热胀性、黏性、表面张力、汽化压强，特别是黏性必 须加以深刻理解。 领会：牛顿黏性内摩擦定律的意义，动力黏性系数和 运动黏性系数的关系。 熟练掌握及运用：液体和气体黏性随温度的变化规律 ，流体各主要物理量的计算和查用。 1 流体的物理性质 14 流体的物理性质取决于其分子结构，有些物理性质对 流体受力和流体运动有着非常显著的影响，所以学习 流体力学及其在工程实际中应用时必须首先了解流体 的物理性质。本章介绍与流体运动密切相关的流体主 要物理性质。 物质通常有三种存在状态：气态、液态和固态。固体 分子通常比较紧密，由于分子间吸引力很大而使其保 持固定形状。而流体分子间吸引力小，分子间粘附力 小，因此流体没有一定的形状。静止流体在非常微小 的切向力作用下将会流动，并且只要切向力存在流动 必将持续，因此流动性是流体最基本的特性。这是它 便于用管道、渠道进行输送，适宜作供热、供冷等工 作介质的主要原因。 1 流体的物理性质 15 1.1 液体的惯性和重力特性 1 1.2 流体的压缩性和热胀性 2 1.3 液体的黏性3 1.4 表面张力 4 1 流体的物理性质 1.5 汽化压强 5 16 惯性是流体保持原有运动状态的性质。质量是用来度 量物体惯性大小的物理量，质量愈大，惯性也就愈大 。流体和固体一样，也具有质量。通常用密度来表示 其特征。 单位体积流体的质量称为流体的密度，以符号表示 ，单位是kg/m3。在连续介质假设的前提下，对于均 质流体，其密度的表达式为： 1.1 流体的惯性和重力特性 1.11.1.1 .1 流体的惯性流体的惯性 17 式中 V流体的体积，m3； m流体的质量，kg。 密度对流体的影响主要体现在单位体积流体的惯 性力和加速度的大小。低密度流体，如气体，惯性力 小，达到相同加速度时需要的力也小，因此，物体在 空气中的运动比在液体（如水）的运动要容易，同样 提升相同容积的空气比水要容易的多。 1.1 流体的惯性和重力特性 18 流体处于地球引力场中，它所受的重力是地球对流体 的引力。 单位体积流体的重量称为流体的容重，以符号表示 ，单位是N/m3，对于均质流体，其容重的表达式为： 式中 V流体的体积，m3； G流体的重力，N。 由于物体的重力等于质量与重力加速度的乘积，即重 力为G=mg，故密度与容重的关系为： 1.11.1.2 .2 流体的重力特性流体的重力特性 1.1 流体的惯性和重力特性 19 不同流体的密度和容重各不相同，同一种流体的密度 和容重则随温度和压强而变化。一个标准大气压下， 常用流体的密度和容重见表1.1。 【例题1.1】 试求在标准状态下，3m3空气的重量和 质量是多少？ 【解】 根据式（1.2），查表1.1，得 根据重量与质量的关系式，得 N kg 1.1 流体的惯性和重力特性 20 名称水水银纯乙醇煤油空气氧氮 密度kg/m31 00013 590790800-8501.21.431.25 容重N/m39 807133 31877457 848-8 33811.7714.0212.27 测定温度（ ） 4015152000 表1.1 常用流体的密度和容重（标准大气压下） 1.1 流体的惯性和重力特性 21 【例题1.2】 试设计一个可容纳100t水的蓄水池，若 底面积A为25m2，问蓄水池的有效高度为多少？ 【解】 由式（1.1）知蓄水池的体积为： m3 故水池的有效高度为： m 1.1 流体的惯性和重力特性 22 温度不变，流体的体积随压强的增加而缩小，这种特 性称流体的压缩性。 压强不变，流体的体积随温度的升高而增大，这种特 性称流体的热胀性。 液体的压缩性一般用体积压缩系数或体积弹性模量来 度量。在一定温度下，液体原有的体积为V，在压强 增量dp作用下，体积改变了dV，则压缩系数为： 1.2 流体的压缩性和热胀性 1.21.2.1 .1 液体的压缩性和热胀性液体的压缩性和热胀性 23 式中 液体体积压缩系数，m2/N； V压缩前液体的体积，m3； dV液体体积变化量，m3； dp压强的增加值，N/m2。 式中的负号是由于dp0，dV0,为使压缩系数为正值 而加的。 压缩系数的倒数为液体弹性模量，用E表示，单位是 N/m2 。即 值愈大或E愈小，则液体的压缩性也愈大。 1.2 流体的压缩性和热胀性 24 表1.2为0时水在不同压强下的压缩系数。 从表中可以看出，水的压缩系数是很小的。如压强由 4000kPa增加到8000kPa时相对体积的变化为： 该数值表明，此时水的相对体积的变化大约为0.2%。所 以工程上一般可将液体视为不可压缩的，即认为液体的 体积（或密度）与压强无关。 压强（kPa）5001 0002 0004 0008 000 压缩 系数m2/N0.53810-90.53610-90.53110-90.52810-90.51510-9 表1.2 水在不同压强下的压缩系数 1.2 流体的压缩性和热胀性 25 液体的热胀性一般用体积热胀系数来度量。在一定 的压力下，液体原有的体积为V，当温度升高dT时， 体积变化为dV，则热胀系数为： 式中 液体的体积热胀系数，1/； V热胀前液体的体积，m3； dV液体体积变化量，m3； dT温度的增加值，。 水的密度在4时具有最大值，高于4后，水的密度 随温度升高而下降，液体热胀性非常小，表1.3列举了 水在一个大气压下，不同温度时的容重及密度。 1.2 流体的压缩性和热胀性 26 温度 （） 容重 （N/m.3） 密度 （kg/m3） 温度 （） 容重 （N/m.3） 密度 （kg/m3） 温度 （） 容重 （N/m.3） 密度 （kg/m3） 09806999.9209790998.2609645983.2 19806999.9259778997.1659617980.6 298071000309775995.7709590977.8 398071000359749994.1759561974.9 498071000409731992.2809529971.8 598071000459710990.2859500968.7 109805999.7509690988.1909467965.3 159799999.1559657985.71009399958.4 表1.3 一个大气压下水的容重及密度 1.2 流体的压缩性和热胀性 27 气体和液体在这方面大不相同，压强和温度的改变对 气体密度的影响很大，当许多实际气体远离其液相状 态时，这些气体可以近似地看作理想气体。理想气体 的压强、温度、密度间的关系应服从理想气体状态方 程，即： 式中 p绝对压强，Pa； T绝对温度，K； 密度，kg/m3 R气体常数，Nm/（kgK），其值取决于不同 的气体， ，n为气体的分子量，对于空气R为 287。 1.21.2.2 .2 气体的压缩性和热胀性气体的压缩性和热胀性 1.2 流体的压缩性和热胀性 28 理想气体从一个状态到另一个状态下的压强、温度和 密度间的关系为： 对压强不变的定压情况，则p1= p2，状态方程为： 式（1.9）表明，气体的密度与温度成反比关系。即温 度增加，体积增大，密度减小；反之，温度降低，体 积缩小，密度增大。这里应指出，当气体的温度降低 到气体液化温度时，式（1.9）的规律就不能再应用了 。 （式1.8） （式1.9） 1.2 流体的压缩性和热胀性 29 表1.4中，列举了标准大气压（760mmHg）下，空气在 不同温度时的容重及密度。 温度 （） 容重 （N/m3） 密度 （kg/m3） 温度 （） 容重 （N/m3） 密度 （kg/m3） 温度 （） 容重 （N/m3） 密度 （kg/m3） 012.701.2932511.621.1856010.401.060 512.471.2703011.431.1657010.101.029 1012.241.2483511.231.146809.811.000 1512.021.2264011.051.128909.550.973 2011.801.2055010.721.0931009.300.947 表1.4 标准大气压下空气的容重及密度 1.2 流体的压缩性和热胀性 30 【例题1.3】 已知压强为98.07kN /m2，0时锅炉烟 气容重为13.13 N /m3，求排烟温度为200时烟气的 容重和密度。 【解】 据题意，锅炉烟气升温过程为等压过程 由式 （1.9）可求出排烟容重和密度 kg /m3 kg /m3 所以所以 因为 1.2 流体的压缩性和热胀性 31 由此可见，当温度变化较大时，气体的容重和密度有 较大变化。 对温度不变的等温情况，则T1=T2，状态方程为： 式（1.10）表明，气体的密度与压强成正比关系。即 压强增加，体积缩小，密度增大。根据这个关系，如 果使气体密度增大一倍，则需使压强也增大一倍。但 是，气体密度存在一个极限值，当压强增加到使气体 密度增大到这个极限值时，若再增大压强，气体的密 度也不会再增加，这时，式（1.10）不再适用。对应 极限密度下的压强为极限压强。 N /m3 （式1.10） 1.2 流体的压缩性和热胀性 32 1.3 流体的黏性 黏性是流体固有的，是有 别于固体的主要物理性质 。当流体相对于物体运动 时，流体内部质点间或流 层间因相对运动而产生内 摩擦力（切向力或剪切力 ）以反抗相对运动，从而 产生了摩擦阻力。这种在 流体内部产生内摩擦力以 阻抗流体运动的性质称为 流体的粘滞性，简称黏性 。 1.3 流体的黏性 图1.1 平板间速度分布 33 为了说明流体的粘滞性，现分析两块忽略边缘影响的 无限大平板间的流体。如图1.1所示，平板间距离为 ，中间充满了流体，下平板静止，上平板在力F的作 用下以速度u做平行移动，平板面积为A。在平板壁面 上，流体质点因黏性作用而粘附在壁面上，壁面处流 体质点相对于壁面的速度为0，称为黏性流体的不滑 移边界条件。因此，上平板处流体质点的速度为u， 下平板处流体质点的速度为 0，两平板间流体质点速 度的变化称为速度分布。如果平板间距离不是很大， 速度不是很高，而且没有流体流入和流出，则平板间 的速度分布是线性的。 1.3 流体的黏性 34 对于大多数流体，实验结果表明：平板拉力F与平板 面积A，平板平移速度u成正比，与平板间距离成反 比，即 根据相似三角形，可以用速度梯度du/dy代替u/，并 引入与流体性质有关的比例系数，可以得到任意两 个薄平板间的切向应力为： （式1.11） 1.3 流体的黏性 35 式（1.11）称为牛顿内摩擦定律，是常用的粘滞力的 计算公式。式中，称为流体动力黏性系数，一般又 称为动力粘度，其单位为Ns/m2或Pas。不同的流体 有不同的值，值愈大，表明其黏性愈强。 项，是流体在垂直其流速方向上的速度梯度，实 际上是流体微团的角变形速率，表明粘滞性也具有抵 抗角变形速率的能力。 工程中还经常用到动力粘度与密度的比值来表示流体 的黏性，其单位是m2/s，具有运动学的量纲，故称为 运动粘滞系数，以符号表示。即： （式1.12） 1.3 流体的黏性 36 实际使用中或都是反映流体粘滞性的参数。或值愈 大，表明流体的粘滞性愈强。但两个粘滞系数也是有 差别的，主要表现在：工程中遇到的大多数流体的动 力黏性系数与压力变化无关，只是在较高的压力下， 其值略高一些。但是气体的运动粘度随压力显著变化 ，因为其密度随压力变化。因此，如果要确定非标准 状态下的运动粘度可先查得与压力无关的动力粘度， 再通过计算得到运动粘度。气体的密度可以由状态方 程得到。温度则是影响和的主要因素，图1.2反映了 一般流体的黏性取决于温度的情况。当温度升高时， 所有液体的黏性是下降的，而所有气体的黏性是上升 的。 1.3 流体的黏性 37 原因是黏性取决于分子间 的引力和分子间的动量交换 。因此，随温度升高，分子 间的引力减小而动量交换加 剧。液体的粘滞力主要取决 于分子间的引力，而气体的 粘滞力则取决于分子间的动 量交换。所以，液体与气体 产生粘滞力的主要原因不同 ，造成截然相反的变化规律 。 图1.2 粘度随温度变化趋势 1.3 流体的黏性 38 表1.4列出了水在（一个大气压下）不同温度下的黏性 系数。 温度（ ） （kpas）（106m2/s）温度（）（kpas）（106m2/s） 01.7811.785400.6530.658 51.5181.519450.5890.595 101.3001.306500.5470.553 151.1391.139600.4660.474 201.0021.003700.4040.413 250.8900.893800.3540.364 300.7980.800900.3150.326 350.6930.6981000.2820.294 表1.4 水的粘滞系数（一个大气压下） 1.3 流体的黏性 39 表1.5列出了空气在（一个大气压下）不同温度下的黏 性系数。 温度（ ） （kpas）（106m2/s）温度（）（kpas）（106m2/s） 00.017213.7900.021622.9 100.017814.71000.021823.6 200.018315.71200.022826.2 300.018716.61400.023628.5 400.019217.61600.024230.6 500.019618.61800.025133.2 600.020119.62000.025935.8 700.020420.52500.028042.8 800.021021.73000.029849.9 表1.5 空气的黏性系数（一个大气压下） 1.3 流体的黏性 40 最后需指出：牛顿内摩擦定律不是对所有流体都适用 ，有些特殊的流体不满足牛顿内摩擦定律，如人体中 的血液、油漆、粘土和水的混合溶液等。对这些流体 称为非牛顿型流体。能满足牛顿内摩擦定律的流体称 为牛顿型流体，如水、空气和许多润滑油等。本课程 仅涉及牛顿型流体的力学问题。 【例题1.4】如图1.3所示，在两块相距20mm的平板 间充满动力粘度为0.065Ns/m2的油，如果以1m/s的 速度匀速拉动距上平板5mm处，面积为0.5 m2的薄板 ，求所需要的拉力。 1.3 流体的黏性 41 【解】 根据 N /m2 N /m2 N 图1.3 平板间薄板受力 1.3 流体的黏性 42 1.4 表面张力 液体具有附着力和粘附力，两者都是分子的吸引力， 附着力使液体能够附着到另一个物体上，而粘附力使 液体抵抗切向应力。在液体和气体的交界面处和在两 种互不相容液体的界面处，分子间附着力和粘附力产 生的向外的平衡吸引力使液体形成了一个明显的表面 液膜并在液膜表面内产生了张力，液体的这个特性称 为表面张力，用符号表示，其单位是N/m。水的表面 张力在结冰点和沸点之间的变化范围为0.0075 0.0589 N/m。 对液体来讲，表面张力在平面上并不产生附加压力， 它只有在曲面上才产生附加压力，以维持平衡。 1.4 表面张力 43 在实际工程中，液体只要有曲面的存在就会有表面张 力的附加压力的作用。例如，液体中的气泡、气体中 的液滴、液体的自由射流、液体表面和固体表面相接 触等，所有这些情况，都会出现曲面，都会引起表面 张力，从而产生附加压力。不过在一般情况下，这种 影响是比较微弱的。 由于表面张力的作用，如果把两端开口的玻璃管竖立 在液体中，液体就会在细管中上升或下降h高度，如 图1.4所示。这种现象称毛细现象，其形成是由于粘附 力和附着力的作用。当附着力大于粘附力时，液体将 浸润与它接触的固体表面，并在接触点处上升；反之 ，液体表面在接触点处收缩。毛细现象使作用在玻璃 管内的水位上升，使水银收缩并低于实际高度。 1.4 表面张力 44 图1.4 表面张力与毛细现象 1.4 表面张力 45 管内上升的毛细高度，可由表面张力形成的提升力和 重力相平衡得到。即： 所以 式中 表面张力，N/m； 浸润角； 液体密度，kg/m3； r管半径，m； h毛细高度，m。 （式1.13） 1.4 表面张力 46 式（1.13）可以用来计算管内液体的上升或下降的毛 细高度。如果管子是干净的，水的浸润角为0，水银 的浸润角为140。管子的直径越大，毛细高度越小。 对于直径大于12mm的管子，可以忽略毛细现象。 表面张力的影响在实际工程中是被忽略的，但在水滴 和气泡的形成、液体的雾化、气液两相流的传热与传 质的