流体力学基本知识

流体力学基本知识第一节流体的主要力学性质一、流体的特性1、流动性：流体内部分子发生随机运动造成；2、无一定形状，随容器形状发生变化；3、流体是在外力作用下，其内部发生相对运动，从而使流体运动。流体质点是指包含足够多的分子，它比分子自由程长度大得多，但它的形状与容器或管道相比又微不足道的小块流体。第一节流体的主要力学性质二、流体的种类：1、液体：不可压缩流体，流体的体积随压力与温度变化很小；2、气体：可压缩流体，它的体积随压力与温度变化很大；如果压力、温度变化很小，也可视作不可压缩流体。第一节流体的主要力学性质三、流体的密度与比容1、密度的定义：单位体积流体所具有的质量；

ρ=m/V(kg/m3)SI制2、重度：单位体积流体所具有的重量；

γ=W/V(kgf/m3)工程制4℃的水，ρ=1000kg/m3，γ=1000kgf/m3，SI制中密度与工程制中重度相等。3、比重：d=γ/γ水(4℃)=ρ/ρ水(4℃)(相对密度)4、比容：单位质量流体的体积；

υ=V/m=1/ρ(m3/kg)第一节流体的主要力学性质四、流体的粘度与牛顿粘性定律：1、流体的粘性：流体在流动时受外力作用内部作相对运动时产生内摩擦力的性质即为粘性；粘性是流动性的反面。什么是流动流体的内摩擦力呢？运动着的流体内部相邻流体层之间由于分子运动而产生的相互作用力称为流体的内摩擦力或粘滞力；当流体流动时，必须克服内摩擦力而作功，从而将流体的一部分机械能转变为热而损失。第一节流体的主要力学性质2、流体流动时与内摩擦力大小有关的因素——牛顿粘性定律如图所示，距离筒壁y处流体层速度为u，在距离筒壁y+dy处邻近流体层的速度为u+du，则du/dy表示速度沿管径方向的变化率(即速度梯度)；第一节流体的主要力学性质实验证明：两流体层之间单位面积上的内摩擦力(或剪应力)与垂直于流动方向的速度梯度成正比关系，即τ=μ·du/dy，其中μ称为动力粘度系数(简称粘度)，此即为牛顿粘性定律。非单位面积上的内摩擦力：F=τA=μ·du/dy·A单位：[μ]=[τ]/[du/dy]=[N/m2]/[m/s/m]=Pa·s第一节流体的主要力学性质3、粘度的物理意义：(1)粘度与速度梯度相联系，静止流体无需考虑。(2)液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度升高而增大，压力变化一般忽略不计。第一节流体的主要力学性质五、流体的压缩性和热胀性1、流体的压缩性：流体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质为流体的压缩性。2、流体的热胀性：体积增大，密度减小的性质。第二节流体静力学的基本概念

一、流体的压力：流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压强，又称为流体的压力；表达式为：p=F/Ap—流体的静压强(N/m2或Pa)F—垂直作用于流体表面上的力(N)A—作用面的面积(m2)第二节流体静力学的基本概念二、流体静力学基本方程式：1、推导：垂直方向上作用于液柱的力有：(1)作用于上底面的压力F1：F1=p1·A↓(2)作用于下底面的压力：F2=p2·A↑(3)液体柱重力：W=mg=ρVg=ρ(Z1–Z2)Ag↓第二节流体静力学的基本概念流体静止，则F2=F1+W→p2·A=p1·A+ρ(Z1–Z2)Agp2=p1+ρ(Z1–Z2)g=p1+ρgh···流体静力学基本方程式(Ⅰ)p2/ρ+gZ2=p1/ρ+gZ1···流体静力学基本方程式(Ⅱ)p2/ρg+Z2=p1/ρg+Z1···流体静力学基本方程式(Ⅲ)物理意义：表示静止流体内部压强的变化规律，利用此方程可求静止流体内部任一截面的压强。第二节流体静力学的基本概念静止流体内部压强的变化规律指的是：(1)当p1、ρ不变时，h增大，p2增大；(2)当p1、ρ不变时，h相等，则p相等，这就是等压面，找出等压面是解题的关键；(3)当p1改变时，液体内部各处压强发生同样大小的变化，这就是帕斯卡原理；(4)式(Ⅰ)可以改写成h=(p2–p1)/ρg，说明压强差可用流体柱高度表示。第二节流体静力学的基本概念2、流体静力学基本方程式应用条件：(1)静止流体；(2)不可压缩流体；(3)连续的同一种流体；第二节流体静力学的基本概念三、工程计算中压强的表示方法和计量单位1、压强的表示方法(根据不同基准来表示)(1)绝对压强：以绝对零压为起点计算的压强，是流体真实压强；(2)表压强：当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，可用压强表来测量流体的压强，此时压强表上的读数表示流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称表压强。即表压强=绝对压强–大气压强(3)真空度：当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，可用真空表来测量压强，此时真空表上的读数表示流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度。即真空度=大气压强–绝对压强绝对压强越高，表压愈大；真空度越大，绝对压强愈低。第二节流体静力学的基本概念2、压强的计量单位(1)定义式：国际单位制(SI)制：1N/m2=1Pa；1bar=105Pa工程制：1kgf/cm2=1kg×9.8065[m/s2]/10–4[m2]=9.8065×104Pa第二节流体静力学的基本概念(2)用大气压表示：1atm(标准大气压)=1.033kgf/cm2=1.033×9.8065×104Pa=1.0133×105Pa=1.0133bar第二节流体静力学的基本概念(3)用液柱的高度表示：

p=F/A=ρVg/A=ρ(AZ)g/A=ρZgZ水=p/(ρ水·g)=1atm/(ρ水·g)=1.0133×105[N/m2]/(1000[kg/m3]×9.81[m/s2])=1.0133×105[kg·m/s2/m2]/9810[kg/m2·s2]=10.33[m]水柱Z汞=p/(ρ汞·g)=1atm/(ρ汞·g)=1.0133×105[N/m2]/(13600[kg/m3]×9.81[m/s2])=0.76[m]汞柱工程上将1kgf/cm2近似作为1个大气压，称为工程大气压。第三节管内流体流动的基本方程式一、流量与流速1、流量：(1)体积流量V：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位(m3/s)；(2)质量流量G：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，单位(kg/s)；体积流量与质量流量之间的关系为

G=ρVρ—流体密度；气体流量是状态的函数，液体流量不是状态函数，因此气体流量V=f(T，p)，在表明气体流量大小时要注明其操作状态T、p；第三节管内流体流动的基本方程式2、流速：(1)体积流速u：理论上：是指单位时间内流体在流动方向上所流经的距离；它与管道直径有关，是直径d(或半径r)的函数u=f(r)，流速随半径发生变化，呈曲线状；工程上，一般以体积流量除以管道截面积所得的值，是流体在管道中的平均速度，单位m/s，它与体积流量的关系为u=V/A=G/ρA；第三节管内流体流动的基本方程式(2)质量流速ω：单位时间内流体流经管道任一截面单位面积的质量，单位kg/m2·s；它与质量流量的关系为ω=G/A。假若生产流量一定，因为V=πud2/4，所以d=[V/(0.785u)]1/2流体流速范围参阅有关标准及根据经济权衡决定：当V一定时，u增大，则d减小，管材费用少，流动阻力增大，动力消耗增大，操作费用增大；当V一定时，u减小，则d增大，管材费用增加，流动阻力减小，动力消耗减小，操作费用减小；在允许范围内，从长远利益考虑，一般选择管径较大者。第三节管内流体流动的基本方程式二、流体运动的类型1、有压流：流体在压差作用下流动，流体各个过流断面的整个周界都与固体壁相接触，没有自由表面，这种流体流动为有压流。2、无压流：流体在重力作用下流动，流体各个过流断面的部分周界与固体壁相接触，具有自由表面，这种流体流动为无压流。3、稳定流动：流体在管道中流动时，若任一点的流速、压力等有关物理参数都不随时间改变，仅随位置改变，即u=f(x，y，z)，ut=ut+△t，则这样的流动为稳定流动。4、不稳定流动：流体在管道中流动时，若任一点的流速、压力等有关物理参数不仅随位置改变，而且随时间发生部分或全部改变，即u=f(x，y，z，t)，ut≠ut+△t，这样的流动为不稳定流动第四节流体在管道内的流动阻力一、流体的流动类型与雷诺数1、流体的雷诺实验实验表明：流体在管道的流动状态分两种类型：(1)层流：流体在管内流动时，若其质点沿着与管轴平行的方向作直线流动，整个管内流体就如一层一层的同心圆筒在平行流动，这种流动状态称为层流或滞流；(2)湍流：流体在管内流动时，若其质点除沿着管道向前流动外，还作无规则的杂流运动，质点间彼此碰撞互相混合，各质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，这种流动状态称为湍流或紊流。第四节流体在管道内的流动阻力2、雷诺数：(1)影响流体流动状态的因素：根据不同流体和不同管径获得的实验结果表明：影响流体流动类型的因素，除了流体流速外，还有管径d，流体密度ρ和流体的粘度μ；u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。(2)雷诺数：雷诺认为