基础理论知识x(20210511004826)

1、力学中逆卡诺循环原理解释制冷循环中所遇到的问题。 第一章、基础理论知识 课程授课建筑工程技术 工程造价 工程监 建筑设备 名称对象理专业学生 授课章节第一章、建筑给水排水工程 授课学时数 备后面学习查阅 基本教材或 教材: 中国建筑工业出版社建筑设备 主要参考书 贾永康主编 参考书：流体力学、传热学、热力学中国建筑工业出版社 教学 目的与 通过学习，使学生了解流体力学基本知识以及热力学和传热学的 基础知识 会用流体力学的知识解决给排水和采暖工程屮遇到的水力计算问 题； 会用传热学的基础知识解释采暖工程屮遇到的传热现彖； 会用热力学屮逆卡诺循环原理解释制冷循环屮所遇到的问题。 教学内容与 绪论

2、时间安排 第一章基础理论知识 第一节、流体力学基本知识 第二节、热工学基本知识 勤莹审占m 难点 会用流体力学的知识解决给排水和采暖工程中遇到的水力计算问 会用热 题；会用传热学的基础知识解释采暖工程中遇到的传热现象; 第一章、流体力学与热工学基础 1.1流体主要的力学性质 从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是 处于随机运动状态。 从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。 所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自 由程。 这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，称为连 续介 质。

3、 1 易流动性 流体这种在静止时不能承受切应力和抵抗剪切变形的性质称为易流动性 2 质量密度 单位体积流体的质量称为流体的密度，即P二m/V 3. 重量密度 流体单位体积内所具有的重量称为重度或容重，以Y表示。Y二G/V 质量密度与重量密度的关系为： Y 二 G /V=m g/V = P g 4. 粘性 表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或流层间相对运动的特性 称为粘性，内摩擦力称为粘滞力。 粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。 平板间液体速度变化如图1 1所示。 实际流体在管内的速度分布如图1.2所示。 实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比，与两

4、 层之间的垂直距离dy成反比，与两层间的接触面积A成正比，即 F= n Adu/dy(W ) 通常情况下，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以T表示，单位为Pa,则式（1Y）变为 T = u du/3y（ 1-5 ） 式（）、式（1巧）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯 度成正比。 5. 压缩性和膨胀性 流体体积随着压力的增大而缩小的性质，称为流体的压缩性。 流体体积随着温度的增大而增大的性质，称为流体的膨胀性。 液体与气体的压缩性和膨胀性的区别： （1）液体是不可压缩流体，液体具有膨胀性 （2）气体具有显著的压缩性和膨胀性。 图1.1平板间液体速度变化 图1.2实际流

5、体在管内的速度分布 处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其他外力的作用，在流体内部及 流体与容器壁面之间存在着垂直于接触面的作用力，这种作用力称为静压力。 单体面积上流体的静压力称为流体的静压强。 若流体的密度为P ,则液柱高度h与压力p的关系为： P二 Pgh 以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压 力称为表压或真空度、相对压力，它是在把大气压强视为零压强的基础上得出来的。 绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准计量的压强；表压强简称表压，是 指以当时当地大气压为起点计算的压强。两者的关系为： 绝对压二大气压+表压 图1.3绝对

6、压力、表压与真空度的关系 假如一容器内装有密度为P的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压 力变化。在静 止的液体中取一段液柱，其截面积为A,以容器底面为基准水平面，液柱的上、下端面与基准水 平面的垂直距离分别为zl和z2,那么作用在上、下 两端面的压力分别为pl和p2。 1.2.2.1 静力学基本方程 重力场中在垂直方向上对液柱进行受力分析： (1) 上端面所受总压力Pl=plA,方向向下； (2) 下端面所受总压力P2=p2A,方向向上； (3) 液柱的重力G-P gA八2),方向向下。 液柱处于静止时，上述三项力的合力应为零，即 p2AplA-p gA (zl-z2)=0 整理并消

7、去A,得 p2=pl+ P g (zl-z2)(压力形式)(1-8 ) 变形得 pl/ P +zlg=p2/ P +z2g (能量形式)(1-9 ) 若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为 pa,液柱高 度为h,则式(1七)可改写为 p2=pa+ p gh( 1-10 ) 式(1_8)式(1T)及式(1-10)均称为静力学基本方程，其物理意义在 于：在静止流体中任 何一点的单位位能与单位压能之和(即单位势能)为常数。 静压强的方向性流体具有各个方向上的静压强。 流体内部任意一点的静压强的大小与其作用的方向无关。 流体的静压强仅与其高度或深度有关，而与容器的形状及放置位置、方式无

8、关。 1.222 静压强的特性 1. 流线和迹线 流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向线。 迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点 在不同时间的速度的方向。 图1.4 2. 流管、过流断面、元流和总流 在流场内作一非流线且不自闭相交的封闭曲线，在某一瞬时通过该曲线上各 点的流线构成一个管状表面，称流管。 在流体中取一封闭垂直于流向的平面，在其中划出极微小面积，则其微小面 积的周边上各 点都和流线正交，这一横断面称为过流断面。 若流管的横截面无限小，则称其为流管元，亦称为元流。 过流断面内所有元流的总和称为总流。 3. 流量 流体流动时，单位时间内通

9、过过流断面的流体体积称为流体的体积流量，一般用Q表示, 单位为Lb o 单位时间内流经管道任意截面的流体质量，称为质量流量，以H1S表示，单 位为檢心或 kg/h o 体积流量与质量流量的关系为： m s=Q P 体积流量、过流断面面积A与流速u之间的关系为: Q =Au 1. 根据流动要素(流速与压强)与流行时间来进行分类 (1) 恒定流 流场内任一点的流速与压强不随时间变化，而仅与所处位置有关的流体流动 称为恒定流。 (2) 非恒定流 运动流体各质点的流动要素随时间而改变的运动称为非恒定流。 2. 根据流体流速的变化来进行分类 (1) 均匀流 在给定的某一时刻，各点速度都不随位置而变化的流

10、体运动称为均匀流。 (2) 非均匀流 流体中相应点流速不相等的流体运动称为非均匀流。 3. 按液流运动接触的壁面情况分类 (1) 有压流 流体过流断面的周界为壁面包围，没有自由面者称为有压流或压力流。一般 供水、供热管 道均为压力流。 (2) 无压流 流体流断面的壁和底均壁面包，但有自由液面者称无流或重力 流，如河流、明渠排水管网系等。 射流 流体由孔口或管嘴射到某一空，由于运的流体脱离了原来的限制它的固体界， 在充流体的空流的种流体运称射流，如泉、消火栓等射的水柱。 4. 流体流的因素 (1) 流断面 流体流，与其方向垂直的断面称 流断面，位m2。在均匀流中，流断面一平面。 (2) 平均流速

11、 在不能和无粘滞14的理想均勻流中，流速是不的。 如1咗所示的定流系，流体地从1-1截面入，从2-2截面流出，且充全部管道。 以1-1、2-2截面以及管内壁衡算范，在管路中流体没 有增加和漏失的情况下，位入截面1- 1的流体量与位流出截面2-2的流体量必然相 等，即 m sl=m s2(1 15) 或 qlulA 1 二 q 2u2A2(1-16) 推广至任意截面，有 ms=p lulA 1=p 2u2A2=- =puA 二常数(1-17) 式(1 式17)均称 性方程，表明在定流系中，流体 流各截面的量流量恒定。 不可流体，常数，性方程可写： Vs=ulAl 二 u2A2 二二uA 二常数(

12、1-18) 于形管道，式(1-18)可形 U1A12 二 A 2/A 1= (d2/dl)2(1-19) 【例1.1】如1-6所示，管路由一段089mm X 4m m的管1、一段0108m m X 4m m的管2 和两段57m m X 3.5m m的分支管3a及3b接而成。若水以9 X 10-3m 3/s的体流量流， 且在两段分支管内的流量相等，求水在各段管内的速度。 图1-6 【解】管1的内径为：dl二89吃X 4=81 (him) 则水在管1中的流速为：ul二1.75血 管 2 的内径为：d2=108-2X 4=100 (him) 由式仃T9),则水在管2中的流速为：u2=1.15血/s)

13、 管3a及3b的内径为：d3=57-2X3.5=50(mm )因水在分支管路3已、3b中的流量相等， 则有 u2A2=2u3A3 即水在管3a和3b中的流速为：u3二2.30血Q 【例1.2如图1-7所示，要用水泵将水池中的水抽到用水设备，已知该设备的用水量 为60m 341,其出水管高出蓄水池液面20m，水压为200kPao如果用直径d =100mm的管道输送到用水设备，试确定该水泵的扬程需要多大才可以达到要求？ 图1T 【解】(1)取蓄水池的自由液面为11断面，取用水设备出口处为2-2断面。 (2)以11断面为基准液面，根据伯努利方程列出两个断面的能量方程： 式中 Z1 = 0, P1 =

14、 0, ul=0Z2=20m , P2 = 200kPa,且 u 2=Q A=4Q/(n D ) =60 X 4/(3.14 X0.01 X3600)=2.12(inA) 故水泵的扬程为： 如图18所示，流体在水平等径直管中作定态流动。在1一 1截面和22截面间 列伯努利方程，得 图1_8 因是直径相同的水平管，ul二u2,Zl二Z2,故 W 匸 01 于 2)/P( 1- 22) 若管道为倾斜管，则 W 匸 Ql/P +Zlg)-(P2/P +Z2g) (1-23) 由此可见，无论是水平安装还是倾斜安装，流体的流动阻力均表现为静压 能的减少，仅当水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差

15、。 1. 沿程损失 流体在直管段中流动时，管道壁面对于流体会产生一个阻碍其运动的摩擦 阻力(沿程阻力)，流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程损失。 通常采用达西-维斯巴赫公式计算，即 2. 局部损失 流体运动过程中通过断面变化处、转向处、分支或其他使流体流动情况发生改变时，都会有 阻碍运动的局部阻力产生，为克服局部阻力所引起的能量损失称为局部损失。计算公式为： hj=Zu2/ (2g) 流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所产生的所有沿程损失和局部损失之和，即 Zhj 【例1.3】如图1-7所示，若蓄水池至用水设备的输水管的总长度为30m,输水 管的直径均为100mm,沿程阻力系数

16、为入二0.05,局部阻力有：水泵底阀一个， =7.0 ；90。弯头四 个，二15；水泵进出口一个，A=1.0 ；止回阀一个，二2.0;闸阀两个，=1.0;用水设备处管 道出口一个，E=1.5o试求： (1) 输水管路的局部损失； (2) 输水管道的沿程损失； (3) 输水管路的总水头损失； (4) 水泵扬程的大小。 【解】由于从蓄水池到用水设备的管道的管径不变，均为100mm,因此，总的局部水头损失为： hj二刀 u2/ (2g) =4.47 血) 整个管路的沿程损失为： h 入 Lu2/ (d2g) =3.45 (m ) 输水管路的总损失为： h二hfh4.47+3.45二7.92 (m )

17、 水泵的总扬程为： hb=40.92+h 二 40.92+7.92=48.84 血） 图IT 2.1稳态传热的基本概念 物质具备某种宏观性质，当各物体的这一性质不同时，它们若相互接触，其间将 有净能 流传递；当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。通常把这一宏观物理性质称为温度。 从微观上看，温度标志物质分子热运动的激烈程度。 2.1.1.1 温度 这种由于温差作用而通过接触边界传递的能量，称为热量。 热量通常用Q表示。 1焦耳=1牛顿米(1J =1Nm ) 1 瓦=1 焦耳 / 秒(lW = lj/s) 根据热功当量值可知，两种单位制的换算关系为 ： 1千卡=4.19千焦耳(氐81 = 4.1

18、9kJ) 2.1.1.2 热量 热量传递过程分为稳态过程和非稳态过程两大类。 凡物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程称为稳态热传递过程；反之则 称为非稳态热传递过程。 各种设备在持续稳定运行时的热传递过程属于稳态过程，而在起动、停机和工况改变时 的热传递过程则属于非稳态过程。大多数设备都可认为在稳定运行条件下工作。 2.2传热的基本方式 热量传递过程中要经历三个阶段(如图1T所示)： (1) 热量由室内空气以对流换热和物体间的辐射换热的方式传给墙壁的内 表面。 (2) 墙壁的内表面以固体导热的方式传递到墙壁外表面。 (3) 墙壁外表面以对流换热和物体间辐射换热的方式把热量传递给室外环 境

19、。 图19 当物体内有温差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位 移的情况下，物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动传递了热量，使热量 从高温物体传向低温物体，或从同一物体的高温部分传向低温部分，这种现象被称为热 传导，简称导热。 设有如图1-10所示的一块大平壁，壁厚为5, 侧表面面积为A ,两侧表面分别维 持均匀 恒定温度twl和tw2。实践表明，单位时间内从表面1传导到表面2的热量 （热流量）与导热面积A和导热温差（twl-tw2）成正比，与厚度6成反比，写 成等 式为： 图 1-10 在流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫做热 对流。 流

20、体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流；而由于机械（泵或风机 等）的作用或其他压差而引起的相对运动称为强迫对流（或受迫对流）。 工程上经常遇到的流体流过固体壁时的热传递过程就是热对流和导热作用的热量传递过 程，称为表面对流传热，简称对流传热。 当温度为tf的流体流过温度为tw （twHtf）、面积为A的固体壁（见图1-11）时， 对流传热的热流量c与面积A、流体和壁面的温差t成正比，即 c 二 hcA t（ 1 乜 8 ） 这就是牛顿冷却公式。 流体被加热（twtf）时， 取t = lw-tf ；当物体被冷却 （tw tf）时，取 t = tf 一 tw O 图 1-11 物质是由分子、原子、电子等基本粒子组成的，原子中的电子受激或振动时会产 生交替 变化的电场和磁场，能量以电磁波的形式向外传播，这就是辐射。电磁波的分类和名称 如图1-12所示。 图1-12电磁波谱 通常把投射到物体上能产生明显热效应的电磁波称为热射线，其中包括叮见光线、部分 紫外线和红外线。 物体发岀和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的