建筑设备流体力学,排水

建筑设备 主讲教师 黄正华 东南大学 黄正华通讯方式uangzhh 绪论 一 建筑设备工程 的课程地位 1 建筑设备工程是房屋建筑不可缺少的组成部分 给水 排水 消防 热水供应 供暖 通风 空调 燃气 供电 配电 照明 建筑防雷与接地等 2 建筑设备工程知识对建筑工程人员是十分重要的 建筑学 建筑规划 土木工程 工程管理 物业管理 一般用户 二 建筑设备工程是发展中的科学 1 新材料 新品种的发展 引发技术改革 以塑代钢 新型配电器材 2 新设备的出现 使设备更节能和高效 泵与风机 空调 供配电 气压供水 发展趋势 体积小 重量轻 噪声低 效率高 集成化 3 新能源及电子技术的应用 光控 声控设备 空调的自控 新型电光源 4 新型施工技术的发展 整体浴室 电缆施工 管道连接 5 智能化建筑进一步促进了建筑设备工程的发展 三 建筑设备工程是多学科交叉的专业技术课 给水排水工程 建筑环境与设备工程 暖通工程 电气工程 四 学习要求 1 掌握建筑设备工程技术的基本知识 2 综合考虑建筑主体与设备的关系 3 掌握一般的水暖电设计原则和方法 五 学习方法 掌握好书本知识观察 考察周围的建筑设备了解相关的国家规定和技术规程适当阅读参考书 更新知识通过作业 设计巩固所学知识 六 教学安排说明 本课程学习中应通过课程的教学外 每位学生完成一个大型设计作业题 题目是 住宅给水排水设计 每位学生设计或收集 住宅电气线路设计图 一份 考试方式期终考查 笔试 学生必须完成习题 作业 否则不得参加考试 3 课内外学时比1 24 教材及教学参考书 建筑设备工程 第三版 高明远建筑工业出版社 第一章流体力学基本知识 流体是液体和气体的统称 流体力学是研究流体的平衡和机械运动及其在生产中的应用的一门科学 第一节流体的主要物理性质 一 固体和流体的区别 固体的分子间距小 引力大 受外力作用时 有恢复原形的倾向 液体分子间距大 引力较小 它的形状随容器形状而变化 气体分子间距更大 容易压缩 并不具有一定的形状 二 流体的连续介质假设 流体力学研究流体的宏观机械运动规律 认为流体由无数流体 质点 组成的 它没有空隙地充满所占空间 各种物理量的变化是连续的 都可视为空间坐标和时间的连续函数 我们可以用连续函数的理论来分析液体运动 三 流体的主要物理性质 1 密度和重度 对于均质流体 单位体积流体的质量称为流体的密度表达式 M V常用单位 kg m3 对于均质流体 单位体积流体的重量称为流体的重度表达式 G V常用单位 N m3关系 g G mg g 重力加速度 g取9 8m s2 流体的密度和重度随外界压力和温度而变化 水在标准大气压下4 时 1000kg m3 9 8kN m340 时 992 2kg m3100 时 958 4kg m3干空气在温度20 760mmHg时 1 2kg m3 11 80N m3 2 流体的粘滞性 流体具有在运动状态下抵抗剪切变形的能力 称为流体的粘滞性 液体的粘滞性随温度的增加而减小 空气的粘滞性随温度的升高而增大 流体的运动要克服粘滞性 耗能 静止状态 粘滞性不显示 3 流体的压缩性和热胀性 流体压缩增加体积减小的性质 称为流体的压缩性 流体温度升高 体积膨胀的性质 称为液体的热胀性 不可压缩模型 一般认为液体是不可压缩的 速度较低的气体流动过程中 可视密度为常数不可压缩 特例 水下爆炸 水击水的热胀性的危害 热水的体积膨胀 管道中水的结冰 四 作用在流体上的力 1 质量力 作用在流体的每个质点上 和质量成正比的力 称质量力 重力 惯性力 2 表面力 作用在液体的表面上 表面力又可分为垂直于作用面的压力 压应力 和平行于作用面的切力 切应力 3 隔离体 例1 1 计算1升水的重量和质量计算1m3空气的重量和质量 第二节流体静压强及其分布规律 流体静止 不显示其粘滞性 流体静力学重点确定流体对固体边界的作用力 流体静压强及其分布规律 计算静水总压力 一 流体静压强 N m2 Pa 二 流体静压强特性 1 垂直性流体静压强的方向必定沿着作用面的内法线方向2 各向同性任意点的流体静压强只有一个值 它不因作用面的方位改变而改变 三 流体静压强的分布规律 四 等压面 流体中压强相等的点所组成的面 称之为等压面 连续液体的水平面 水气交界面 五 压强的表示 1 绝对压强PA 以完全真空为零点计算的压强 用PA表示 以大气压强为零点计算的压强 又称表压用P表示 pA pa 2 相对压强P 3 真空 真空度 相对压强为负值称为负压 这时处于真空状态 真空度 负的相对压强的绝对值 pk pa pA 4 液柱高度 以水柱或汞柱高度表示的相对压强的大小 mH2OmmHg Pa 98KN m2相当于10mH2O或736mmHg 注意 单位不同 注意 单位不同 六 应用 1 测压管 2 静水压强分布图 例1 2 矩形水池10m 10m 高出地面0 5m 池壁3 5m高 最大水深3 0m 地下水位位于地面下0 5m 求 1 满水时池水对底扳的作用力 2 空池时 水池所受的浮力是多少 解 分析受力情况 1 池水对底板压力 P p A rh A 9 8kN m3 3m 100m2 2940 N 2 空池时浮力 P r V 9 8KN m3 2 5m 100m2 2450 N 讨论题 1 池壁所受静水压力大小 方向和合力作用点2 水池抗浮措施 第三节流体运动的基本知识 一 流体运动的基本概念 1 压力流与重力流 没有自由表面的流体流动称为压力流或管流 具有自由表面的液流称为无压流或明渠流 2 恒定流和非恒定流 所有运动要素不随时间而变化的流动称为恒定流 运动要素随时间而变化的流动称为非恒定流 3 流线 迹线 流线是某一瞬时在流场给出的曲线 曲线上所有各质点的流速矢量都和该曲线相切 迹线是流体中某一质点在连续时间内的运动轨迹 流线的特性 1 流线是代表流速方向的矢量线 其疏密度代表流速的大小2 流线一般不能相交 但有滞止点3 流线是光滑曲线 4 均匀流和非均匀流 流线是相互平行的直线的流动称为均匀流 流线不是平行直线的流动称之为非均匀流非均匀流可分为渐变流和急变流 5 元流 总流 在流体中取一微小的封闭曲线C 通过该曲线上的每一个点做流线 这些流线所形成的一个封闭管状曲面称为流管 充满在流管中的一股流束称为元流 流体运动时 无数元流的总和称为总流 总流的边界就是大流管 6 过水断面 流量与断面平均流速 垂直于元流或总流流向的横断面称为过水断面 常用单位 m2 cm2 单位时间通过某一过水断面的流体体积称为流量 常用单位 m3 s l s 体积流量 重量流量 质量流量 过水断面上各点流速的平均值 称为断面平均流速 m s 二 恒定总流连续性方程 Q Q2 1 2 例1 3 水流从DN200管道接入DN100的管道流动 流速变化如何 Q1 Q2 解 例1 4水流从DN100管经过三通等量分流入两DN50的管道 流速如何变化 解 Q1 Q2 Q3 2Q2 三 恒定总流能量方程 1 恒定总流液体能量方程 由能量守恒规律 可推导出恒定总流能量方程 伯努里方程 2 能量方程中各项意义 Z和p r 单位重量的液体所具备的位能和压能 也称单位位能和单位压能 单位重量液体所具有的动能 也称单位动能 hw1 2 总流过水断面1 1和2 2之间的水头损失之和 表示单位重量液体克服液流阻力作功而消耗的机械能 也称单位能损失 是单位位能与单位压能之和称为单位势能 是单位重量液体所具有的机械能总和 称为总单位能 测压管水头 流速水头 hw 水头损失 Z 位置水头 压强水头 总水头 水的流动从总水头高的地方向总水头低的地方流动 3 实际气体恒定总流能量方程 P过流断面相对压强 工程上称静压 工程上称动压 为过流断面的静压与动压之和 工程上称全压 在连续条件下 1 2两断面间压强损失 第四节流动阻力和水头损失 一 层流和紊流 雷诺数 二 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 2 局部阻力和局部水头损失 沿程水头损失公式 达西公式 局部水头计算公式 第五节能量方程应用 一 能量方程应用条件 1 流体是恒定流 不可压缩 2 所取的两个过水断面一般设在渐变流中 3 两个断面间没有能量输入和输出 4 分支流的处理 二 应用能量方程的要点 基准面计算过水断面为渐变流或均匀流过水断面尽可能选择未知量少的断面 如大水面 用相对压强计算 管口射流 相对压强取零计量单位要统一 m N s 例1 5能量转化 水深1 5m 水平截面积3m 3m的水箱 箱底接直径200mm长为2m的竖管 水箱水位恒定 忽略水头损失 求竖管中点处的压强 水箱出水管示意图 解 分析条件 取竖管出口处为过水断面3 3 并作为基准面 水箱水面为过水断面1 1 竖管中点处过水断面为2 2 首先对1 1和3 3断面写能量方程 采用相对压强P1 P3 0 Z1 3 5m Z3 0代入得 对于1 1和2 2断面写能量方程 3 5 0 0 1 P2 r 3 5 0 P2 r 1 0m说明在点2处压强小于大气压强 绝对压强9mH2O真空值 1 0mH2O 真空度1mH2O 分析 静水和动水时各点压强变化 例1 6水泵安装高度计算 水泵的最大许可真空度为7mH2O 工作流量Q 8 3l s 吸水管管径DN80 长度10m 入 0 04 弯头局部阻力系数 弯头 0 7 底阀 8 求 水泵的最大许可安装高度Hs 解 分析 建立基准面和计算断面 Q 1 65m s 对0 0 1 1断面列能量方程 0 0 0 Hs 7 1 652 2 9 8 0 04 10 0 08 8 0 7 1 652 2 9 8 Hs 4 95m 例1 7射流 有一股水柱从直径DN25的喷嘴 垂直向上喷射 出口流速12m s 假如这股射流保持连续的圆截面 并忽略空气阻力造成的水头损失 试求离喷嘴4 5m处 这股水流的直径为多大 解 取喷嘴出口渐变流断面1 1和离喷嘴4 5m处的渐变流断面2 2 基准面和0 0断面重合 写1 1 2 2断面的总流能量方程 P1 P2 0 Z1 0 Z2 4 5 由连续性方程 例1 8水力计算表 为水力计算方便 编制水力计算表 Q DN hf L i mm m 并列于表中 便于查用 解 查钢管 铸铁管水力计算表 Q 0 2l s DN15 1 17m s i 354mm mQ 0 2l s DN32 0 21m s i 5 22mm m查塑料管水力计算表 Q 0 2l s DN15 0 99m s i 93 97mm m 例1 9水泵供水系统 1 按允许真空值算水泵安装高度 2 根据流量确定水泵扬程 3 根据水泵扬程确定流量 第二章室外给水排水 1 水资源和环境保护 2 给水厂工艺原理 3 污水处理厂工艺原理 4 给水排水规划 第三章管道材料 器材及卫生设备 第一节管材 管件 一 水 煤气输送管及镀锌钢管 水 煤气输送管又称焊接钢管 焊接钢管经镀锌处理后 称为镀锌钢管 根据钢管的壁厚 又分为普通焊接钢管和加厚焊接钢管 焊接钢管及锌镀钢管管径表示符号为DN表示 管径常以公称直径表示 例 DN15 二 无缝钢管 耐高压 耐高温 分热轧及冷拔钢管两种 无缝钢管标注均以外径 壁厚表示 例D159 4 5 三 铸铁管 铸铁管具有耐腐蚀 使用期长 价格低等优点 缺点是性脆 重量大 长度小 管径应以公称直径表示 例DN75 给水铸铁管 排水铸铁管 四 塑料管PPR UPVC 室内塑料管道取代镀锌钢管 排水铸铁管 塑料管化学性能稳定 耐腐蚀 物理机械性能好 质轻而坚 但是耐久耐温性能较差 五 混凝土管及钢筋混凝土管 多用于室外排水管道及车间内部地下排水管道 d400以下者 多为混凝土管 优点 节约钢材 缺点 强度低 内表面不光滑 耐腐蚀性差 六 其它管材 陶土管 铜管 铝塑复合管 七 管件 弯头 三通 四通 活接头 内接头 管堵 大小头 八 管材 管件连接 螺纹连接 丝扣连接 焊接 法兰连接 粘接热熔 承插接口 水泥接口 密封胶圈 给水附件 安装在管道及设备上的启闭 调节装置的总称 配水附件 装