安徽电气职院流体力学泵与风机教案

流体力学泵与风机教案

绪论

L本章的教学目的及基本要求

目的：使学生了解流体力学泵与风机的任务及应用领域，掌握流体力学泵与风

机在国民经济建设中的应用，掌握流体力学泵与风机的历史和发展方向。

基本要求：了解流体力学泵与风机的研究对象，了解泵与风机在热力发电厂中

的应用，了解流体力学泵与风机在国民经济建设中的作用，了解流体力学泵与风

机的发展趋势及新技术动态；

2.本章各节的教学内容及分钟分配

§0-1流体力学泵与风机的研究对象50分钟

§0-2流体力学泵与风机在国民经济建设中的应用20分钟

§0-3流体力学泵与风机的历史和发展方向30分钟

共100分钟

3.本章教学内容的重点和难点

重点：流体力学泵与风机的研究对象。

4.本章教学内容的深化和拓宽

5.本章的主要参考书目

《工程流体力学》（管楚定北京电力专科学校）

《工程流体力学》（上海电力学院成教院）

《工程流体力学》（毛羽冲江西电力专科学校）

授课序号：一

一、包含教材章节

§0-1流体力学泵与风机的研究对象

§0-2流体力学泵与风机在国民经济建设中的应用

§0-3流体力学泵与风机的历史和发展方向

二、主要内容（具体到各知识点）及课时分配

§0-1流体力学泵与风机的研究对象50分钟

§0-2流体力学泵与风机在国民经济建设中的应用20分钟

§0-3流体力学泵与风机的历史和发展方向30分钟

三、本单元的教学方式（手段）

教学方式：讲授

四、本单元师生活动设计

教师提问一一学生思考一一教师讲授

五、本单元的讲课提纲、板书设计（电子教案）

见电子教案：

六、课后总结

绪论

一、本课程的性质及学习的目的和任务

泵与风机是将原动机（如电动机、汽轮机等）提供的机械能转换成流体的机械能，以

达到输送流体或造成流体循环流动等目的的机械。通常，把提高液体机械能的机械称为泵，

把提高气体机械能的机械称为风机。

《流体力学泵与风机》是电厂热能动力装置、集控运行、城市热能应用等专业的一门

重要的专业基础课，一是一门核心技术课。流体力学是研究流体的机械运动规律及其在生产

实践中应用的一门学科。其内容精深，应用广泛。本课程仅根据高等职业技术学院热动类专

业培养目标的需要，研究流体力学的基础知识及泵与风机的基本原理、设备结构、运行调节。

流体力学部分主要内容是将以水为代表的不可压缩流体（简称液体）选作研究对象，介绍表

示液体机械运动规律和流体流动阻力损失规律的各种数学公式：讨论这些公式的形式、意义

及适用条件：研究它们在分析和解决工程实际问题中，使用的方法、步骤和注意事项。泵与

风机部分的主要内容是结合火力发电厂常用的泵与风机，介绍泵与风机的分类构造、工作原

理和基本性能参数等基本知识；着重讨论泵与风机性能曲线及其变换原理、工作点和调节原

理等基本理论；研究泵与风机结构图的识读、性能曲线的分析比较和变换、工作点和调节方

法的确定以及运行维护等基本应用知识。

流体和泵与风机是国民经济各个部门都广泛应用的工作介质和通用机械。例如，航空

航天事业中的卫星上天、火箭升空和超音速飞机的翱翔蓝天；农业中的排涝、灌溉；石油工

业中的输油和注水；化学工业中高温、腐蚀性流体的排送；其他工业和人们日常生活中的采

暖、通风、给水、排水等都离不开流体和泵与风机。据统计，在全国的总用电量中，有30%

左右是泵与风机耗用的，其中泵的耗电占21%左右。由此可见，流体和泵与风机在我国国

民经济建设中所占的重要地位和作用。热力发电厂更离不开流体和泵与风机。其电能的生产

是依靠汽（气）、水、油等流体介质在泵与风机同其他热力设备用管道连接组成的系统（如

热力系统和一些辅助生产系统）中流动，进而安全经济地实现热功的转换，为发电机提供足

够的机械能，实现机械能与电能间的转换。

在热力发电厂中，泵与风机起着全厂水、气输送的作用。图0—1是热力发电厂的系统

简图。

知识，掌握流体在系统中的流动规律和泵与风机等热力设备的性能特点，在实践中不断提高

自身运行分析和操作技能，这样才能确保系统及有关热力设备在安全经济的状态下运行。另

外，本课程的内容也为学习《汽轮机设备》、《锅炉设备》、《热力设备试验》、《单元

机组运行》、《热力发电厂》等后续课程提供了必备的基本理论知识。由此可知，对热动类专

业的学生而言，学好本课程是极为重要的。

二、流体力学和泵与风机的发展概况

流体力学、泵与风机和其他学科一样，也是人类在生产实践过程中建立和发展起来的，

今后还将随着生产力水平的提高而更加成熟和完善。

在古代，人类为了生存，在向洪水作斗争、向自然要动力的过程中，积累了丰富的实

用水力学和简单流体机械的知识。例如我国公元前两千多年前的大禹治水，春秋战国和秦朝

时修建的都江堰、郑国堰和灵渠三大古老水利工程，隋朝时开通的闻名中外、全长为

1782klll的京杭大运河，在生产和生活中使用的序斗、吊杆、辘护、水车、风箱等简单流

体机械，以及古希腊学者阿基米德在公元前250年撰写的《论浮体》论文都是古人在流体力

学、泵与风机学科中留下的宝贵历史遗产。但是，流体力学作为一门独立的学科是从18世

纪开始的，经过欧拉、伯努利、拉格朗日，拉普拉斯等科学家的研究，从建立流体力学模型

开始，以严格的数学分析为工具逐步建成了《古典理论流体力学》。由于这种理论在建立模

型时，常常忽略或简化流体勃性等性质，因此，所得结论与复杂的实际流动总是存在一定的

误差。于是人们为了解决生产实践中的问题，又通过大量的试验和观察，以经验公式和系数

的形式总结流体运动规律，建立了《实用水力学》-在这方面，达西、威斯巴赫、雷诺

等学者做出了杰出的贡献。由于这种试验性的科学忽视理论而无力概括与分析大量试验的数

据，因而它的应用受到较大的限制。此后，到19世纪，经过纳维尔、柯西、波阿松、斯托

克斯等科学家的研究，建立了纳维尔―斯托克斯方程，并在本世纪又融人了儒可夫斯基研究

的机翼理论、普朗特提出的附面层理论以及我国著名工程热物理学家吴仲华教授发表的“轴

流、离心及混流透平机械内亚声速与超声速三元流体一般理论”等，使理论流体力学与实用

水力学走向结合，形成了一门比较完善的应用学科《工程流体力学》。随着计算机水平

的迅速提高，这门学科在解决工程中流体力学和流体机械的实际问题时发挥着越来越大的作

用。

泵与风机的快速发展始于18世纪，由于蒸汽机的发明和采矿、钢铁工业的需要，出

现了一种比较完善的以蒸汽机为动力的往复式泵与风机。之后又发明了离心式和轴流式泵与

风机。与此同时欧拉和儒可夫斯基分别研究出叶片式泵与风机的基本方程式和升力公式，为

泵与风机的设计提供了理论根据。到19世纪末，由于电动机的发明，泵与风机在工农业生

产中得到了广泛的应用。本世纪50年代初，我国吴仲华教授的三元流动一般理论，又使流

体机械的设计理论上升到一个新的高度，对流体机械的高速发展作出了很大的贡献。随着科

学技术的不断进步，泵与风机正向着大容量、高转速、高效率及自动化等方向发展。

I.大容量

50年代，50MW的发电机组被看做是一个重大的技术成就，而今天，这一动力只能

用来驱动一台1300MW大型机组的给水泵。近年来，国内200MW、300MW机组不断增多，

国产300MW机组配套的两台DG500-240型离心式锅炉给水泵，驱动功率每台为5500kW。

而目前大型锅炉给水泵的驱动功率已接近6000kWo给水泵的压力也从超高压13.7~

15.7MPa,亚临界压力17.7—20MPa,已发展到超临界压力25.6-29.4MPa,近年来，

有压力更高达50MPa以上的产品。

风机方面，300MW机组原配套0.7-11N923型送风机，己用引进西德TLT公司的

FAF20-10-1型动叶可调轴流式风机代替；原配套的0.7-I1N929型引风机，已用引进

丹麦诺迪斯克公司的ASN—3000/2000N动叶可调轴流风机所代替。日本袖浦1000MW机

组的轴流式送风机，其驱动功率为8000kW,美国阿姆斯电厂I300MW机组的离心式送风机、

驱动功率为6700kW,这些都是目前世界上热力发电厂的最大的辅助设备。但是泵与风机发

展到大容量后，所采用的型式是不同的，由于对泵要求的压力高，因此采用高速离心式。而

风机并不要求把风压提高，所以向轴流式发展。

2.高速化

随着单元机组容量的增大，泵与风机容量迅速增加，尤其是给水泵压力快速增长，导

致转速也很快提高。60年代，给水泵转速一般为30007min,近年来已提高到7500r/min,

泵的单级扬程由200m左右增加到1150m以上，如美国660MW机组配套的给水泵，转速

为6500“min,总扬程达2317m：因而级数从5级减少到2级，相应的轴的长度大大缩短，

趋向于采用短而粗的刚性轴。由于转速的提高，泵的外形尺寸大为减小，重量减少，节省了

材料，搬运维修都更方便，由此带来的经济效益是十分显著的。

3.高效率

泵与风机是耗能大户，泵的电能消耗占全国电能消耗的21%,风机占10%以上。从

发电厂看，泵与风机耗电量占厂用电量的70%〜80%,其中泵约占50%,风机约占30%。

国务院节能2号指令规定：凡离心泵、轴流泵效率低于60%,通风机、鼓风效率低于70%,

必须分批分期地予以改造或更换°这些年来，我国在这方面做了大量工，如改进后的二4一

13.2(73)型后弯机翼叶片离心式送引风机的效率可达90%左右，原10Sh—6型泵改进为250s

—65型，效率由79%提高到84%,原DG500—140型给水泵，改进为DG450—180型后，

效率由72%提高到?9%。

4.可靠性

由于泵向大容量、高速化方向发展，因此对泵的可靠性要求越来越高。前苏联投入

很大力量从事泵的汽蚀研究，如研究汽蚀新生、潜在汽蚀、断裂汽蚀等；人们从事材料研究，

进行材料抗汽蚀能力的试验，研究评价方法和预测泵零件汽蚀寿命的方法：还从事密封研究，

近几年在工业中广泛应用端面密封，在输送腐蚀性和磨损性介质时，这种密封能承受压力达

45MPa,温度为一200〜十450C,摩擦滑动速度达100m/s。目前，具体对大型锅炉给水

泵提出下列可靠性的要求：到大修时的工作寿命为15OOO-3OOOOh；转子的振动稳定性(在

轴承体处测量)不应大于35—50um：振动速度的均方值不应超过7〜8.5mm/s：不会由

于热膨胀而破坏泵的对中：泵和管路表面温度低于45C;限制最小启动时间：泵体上下温

度差不超过15〜20C;泵转子可以在n=10—15r/min下转动。最近还提出了泵中汽化时

泵能干转5min的要求等。

风机容量也在增大，可靠性要求同样愈来愈高。据报道，美国西屋电气公司建成一台

6.7MW(9000hp)的变速汽轮机驱动的试验台。还对风机安全可靠性做超速试验、振动试验、

临界转速和谐振转速试验等。

5.低噪声

热力发电厂是一个强烈的噪声源，如300MW机组的送风机附近的噪声高达124dB,

一般希望控制在90dB以下，其他引风机、给水泵、电动机、球磨机等也是高噪声源。噪声

污染如同空气污染、水污染一样，对人们健康是十分有害的。随着工业的发展和环境保护、

劳动保护科学技术的进步，噪声的危害不仅被人们所认识，而且已被设法进行控制。

6.自动化

随着科学技术的发展，自动检测技术、自动控制技术和电子计算机已不仅逐步应用于

泵与风机的设计、绘图、制造过程中，而且还日益广泛地应用在泵与风机的运行上，如泵与

风机的自动启停：流量、压力、温度等参数的自动检测、显示和控制：主要参数的上下限报

警以及泵与风机的自动联锁、保护等。不仅如此，国内外有的泵与风机的实验装置已实现自

动化。总之，自动化水平随着机组大容量化和高速化而不断地发展和提高。

众所周知流体力学和泵与风机不仅在我国航空航天等领域内得到了广泛的应用和高

速发展，而且在我国电力工业的发展上也取得了巨大成就。解放前，全国发电设备完全依赖

国外进口，单机最大容量小于6000kw，总装机容量也只有1850MW。但是，解放后发展迅

速，特别是党的十一届三中全会以来更是以惊人的速度发展。以长江葛洲坝水电站和黄河小

浪底水电站为代表的投运水电装机容量约为7*10'MWo当今世界最大的长江三峡水电站总

装机容量达1.82x10"MW,单机容量为700MW。在核能发电方面，我国的秦山和大亚湾两

座核电站，总容量达3268MW。这些令世人瞩目的成就以及即将启动的南水北调等工程，都

充分说明，我国已经并且还将进一步为促进工程流体力学和泵与风机朝着更高、更新的阶段

发展作出应有的贡献。

第一章流体及其物理性质

1.本章的教学目的及基本要求

目的：使学生了解流体力学的任务及应用领域，掌握流体的连续介质理论和流

体的主要物理力学性质以及作用在流体上的力的两种形式。

基本要求：掌握流体的连续介质模型、流体的主要物理性质：易流动性、密度

与重度、黏性与理想流体模型、压缩性与不可压模型、表面张力特性、汽化压强

特性；掌握作用在流体上的力的两种形式：质量力与表面力

2.本章各节的教学内容及分钟分配

§1-1流体的定义、特征和连续介质假设20分钟

§1-2流体的密度10分钟

§1-3液体的压缩性和膨胀性20分钟

§1-4流体的黏性50分钟

§1-5流体的分类20分钟

§1-6流体的表面性质30分钟

§1-7作用在流体上的力25分钟

第一章习题课25分钟

共200分钟，课外100分钟

3.本章教学内容的重点和难点

重点：流体的连续介质模型、密度与重度、黏性与理想流体模型、牛顿内摩擦

定律、压缩性与不可压模型、质量力与表面力

难点：连续介质模型、牛顿内摩擦定律、质量力与表面力

4.本章教学内容的深化和拓宽

深化：连续介质模型的应用、牛顿内摩擦定律应用、质量力与表面力的应用

拓宽：牛顿内摩擦定律推广

5•本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题

教学方式：W

注意问题：概念理解、记忆并能应用。

6.本章的主要参考书目

《工程流体力学》（管楚定北京电力专科学校）

《工程流体力学》（上海电力学院成教院）

《工程流体力学》（毛羽冲江西电力专科学校）

授课序号：二

一、包含教材章节

§1-1流体的定义、特征和连续介质假设

§1-2流体的密度

§1-3液体的压缩性和膨胀性

§1-4流体的黏性

二、主要内容（具体到各知识点）及课时分配

§1-1工程流体力学的任务及发展史10分钟

1）任务

2）发展史

§1-2连续介质假定20分钟

1）流体质点

2）流体的连续介质模型

§1-3液体的基本特性20分钟

1）流体的受力特点

2）易流动性

§1-4流体的黏性50分钟

1）密度与重度

2）黏性与理想流体模型

3）压缩性与不可压模型

4）表面张力特性

5）汽化压强特性

三、本单元的教学方式（手段）

教学方式：讲授

四、本单元师生活动设计

教师提问一学生思考一一教师讲授

五、本单元的讲课提纲、板书设计（电子教案）

见电子教案：

六、本单元的作业布置

思考题：1—1%1-3、1-4、1-5、1-6

习题：1-2、1-6

七、课后总结

授课序号：三

一、包含教材章节

§1-5流体的分类

§1-6流体的表面性质

§1-7作用在流体上的力

二、主要内容（具体到各知识点）及课时分配

§1-5流体的分类20分钟

1）理想流体与黏性流体

2）不可压缩流体与可压缩流体

3）牛顿流体与非牛顿流体

§1-6流体的表面性质30分钟

1）表面张力

2）毛细现象

§1-7作用在流体上的力15分钟

1）表面力

2）质量力

第一章例题与课堂练习35分钟

1）压缩性与膨胀性

2）牛顿内摩擦定律的应用

三、本单元的教学方式（手段）

教学方式：讲授

四、本单元师生活动设计：

教师提问一一学生思考一一教师讲授

五、本单元的讲课提纲、板书设计（电子教案）

见电子教案：

六、本单元的作业布置

思考题：1-7>1-8、1-9、1-5

习题:1-15.1-16、1-17

七、课后总结

上篇流体力学课程讲义

绪论

一、“流体力学”名称简介

1、概念：

工程流体力学中的流体，就是指以这两种物体为代表的气体和液体。气体和液体都具有

流动性，统称为流体。

2、研究对象

流体力学是力学的一个分支。它专门研究流体在静止和运动时的受力与运动规律。研

究流体在静止和运动时压力的分布、流速变化、流量大小、能量损失以及与固体壁面之间

的相互作用力等问题。

3、应用

流体力学在工农业生产中有着广泛的应用，举例。

4、流体力学的分支

流体力学的一个分支是液体力学或叫水力学。它研究的是不可压缩流体的力学规律。另

一分支是空气动力学，研究以空气为代表的可压缩流体力学，它必须考虑流体的压缩性。本

书以不可压缩流体为主，最后讲解与专业相关的空气动力学部分的基础内容。

一般来说，流体力学所指的范围较为广泛，而我们所学习的内容仅以工程实际需要为

限，所以叫“工程流体力学”。

二、学科的历史与研究方法简介

1、学科历史

流体力学是最古老的学科之一，它的发展经历了漫长的年代。

例：我国春秋战国时期，都江堰，用于防洪和灌溉。

秦朝时，为了发展南方经济，开凿了灵渠，

隋朝时开凿了贯穿中国南北，北起涿郡（今北京），南至余杭（今杭州）的大运河，全长

1782km,对沟通南北交通发挥了很大作用，为当时经济的发展做出了贡献。

在国外，公元前250年，古希腊学者阿基米德就发表了《论浮体》一文。

到了18世纪，瑞典科学家DanielBernoulli伯努利（1700-1782）的《水动力学或关于流

体运动和阻力的备忘录》奠定了流体力学的基础。

2、研究方法

一方面，以理论方程为主线，将流体及受力条件理想化，忽略次要影响因素，建立核心

方程式。在这方面最有代表性的就是伯努利于1738年建立的能量方程。

另一方面，采取实验先行的办法.开始了实用水力学的研究，在一系列实验理论的指导

下，对理论不足部分反复实验、总结规律，得到经验公式和半经验公式进行补充应用。在这

方面最有代表性的是尼古拉兹实验、莫迪图等。理论研究和实验两方面的相互结合，使工程

流体力学发展成为一门完善的应用科学。

三、本课程在热力发电厂中的作用

热力发电厂的生产过程简单的说就是能量转换的过程。流体是必不可少的中间载体由管

路组成的循环系统中，流动者的水、汽、油、空气、烟气等都是流体。

管路中流体与颜色的关系：

红颜色一一饱和蒸汽、过热蒸汽：

绿颜色一凝结水、给水；

黄颜色----油；，

蓝颜色一一空气；

黑颜色——冷却水、工业水、烟气等。

第一章流体及其物理性质

本章学习目标：

理解流体的主要物理性质：密度、压缩性和膨胀性、粘性、表面张力和毛细现象。

流体的力学性质在日常生活中能感受到，但通过学习应上升到理性。

对物理现象用数学模型来定量描述，以便严格定义，准确计算。概念只有用数学工具准

确计量才能上升为科学。本章涉及的数学知识都是普通的微积分知识。

本章学习内容：

1.1流体的定义、特征和连续介质假设

一、流体的定义和特征

1、定义：

通常说能流动的物质为流体，液体和气体易流动，我们把液体和气体称之为流体。

力学的语言：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质，称为流体。

2

2、特性

具有流动性和不能保持一定形状的特性

液体和气体除具有上述共同特性外，还具有如下的不同特性：

液体：很不易被压缩，以致一定重量的液体具有一定的体积，液体的形状取决于容器的形状，

并且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自身表面积收缩到最小的特性。所以，当容器的

容积大于液体的体积时，液体不能充满容㈱，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面

(freesurface)(或称自由液面)，通常称为水平面(horizontalsurface)o

气体：具有很大的压缩性。此外，因其分子距与分子平均直径相比很大，以致分子间的吸引

力微小，分子热运动起决定性作用，所以气体没有一定形状，也没有一定的体积，它总是能

均匀充满容纳它的容器而不能形成自由表面。

二、流体连续介质假设(fluidcontinuumhypothesis)

I、定义：在流体力学中，取流体微团来作为研窕流体的基元。所谓流体微团是一块体积为

无穷小的微量流体，由于流体微团的尺寸极其微小，故可作为流体质点看待。这样，流体可

看成是由无限多连续分布的流体微团组成的连续介质。

2、意义

当把流体看作是连续介质后，表征流体性质的密度(density)、速度(velocity)、压强

(pressure)和温度(temperaiure)等物理量在流体中也应该是连续分布的。这样，可将流体的各

物理量看作是空间坐标和时间的连续函数，从而可以引用连续函数的解析方法等数学工具来

研究流体的平衡和运动规律。

流体作为连续介质的假设对大部分工程技术问题都是适用的，但对某些特殊问题则不

适用。

1.2流体的密度

一、流体的密度(fluiddensity)

1、定义：单位体积流体所具有的质量称为流体密度，用符号P来表示，它的物理意义表示

流体在空间分布的密集程度。

2、公式：

对于流体中各点密度相同的均质流体(homogeneousfluid),其密度：p=—(1-1)

式中P-------流体的密度，kg/m:

3

m----流体的质量，kg：

V一一流体的体积，n?。

对于各点密度不同的非均质流体(11011—11001086区011$(1山(1),在流体的空间中某点取包含

该点的微小体积av,该体积内流体的质量为△!!!,则该点的密度为：

..Amdm……

n=IgnA=(1—2)

、屿。AVdV

二、流体的相对密度

流体的相对密度是指某种流体的密度与4C时水的密度的比值，用符号d来表示。

d二巧/九

3

式中：Tlf一流体的密度，kg/m;

兀w—4℃时水的密度，kg/n?;

三、影响流体密度的因素(教材第3页附表)

不同种类流体的密度不同，同一种类流体的密度随压力和温度的变化而变化。

四、重度

1、定义：流体单位体积的重量称为重度Y。

2、公式：甲=9N3

Vm

3、重度和密度关系：Y=Pg

1.3流体的压缩性和膨胀性

随着压强的增加，流体体积缩小：随着温度的增高，流体体积膨胀，这是所有流体的

共同属性，即流体的压缩性和膨胀性。

一、流体的膨胀性(fluidexpansibilhy)

1、定义：在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。

2、表示方法：

流体膨胀性的大小用体胀系数%来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所

引起流体体积的相对增加量，即。、.=

dtV

式中：av一一流体的体胀系数，1/C,1/K；

dt—流体温度的增加量，V,K；

4

V——原有流体的体积，m3;

dV---流体体积的增加量，m3o

3、影响体胀系数a,的因素

液体的体胀系数a、.很小，

流体体胀系数a,与压强和温度有关。对于大多数液体，ov随压强的增加稍为减小。水

的a,在高于50C时也随压强的增加而减小，只有在低于50℃时随压强的增加而增大。

4、液体膨胀性对于热电厂的意义

二、流体的压缩性(fluidcompressibility)

1、定义：在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。

2、表示方法：流体压缩性的大小用压缩率K来表示。它表示当温度保持不变时，单位压强

增量引起流体体积的相对缩小量，即长=-」也(1-5)

dpI

式中：K——流体的压缩率，m2/N：

dp——流体压强的增加量，Pa：

V一流体的原有体积，m3;

dV——流体体积的缩小量，IT?。

由于压强增加时，流体的体积减小，即dp与dV的变化方向相反，故在上式中加个负

号，以使压缩率K永为正值。液体的压缩率很小。

3、液体的压缩性对于电厂的意义

4、气体的压缩性

气体的压缩性要比液体的压缩性大得多，这是由于气体的密度随着温度和压强的改变将

发生显著的变化。对于完全气体(perfectgas),其密度与温度和压强之间的关系可用热力学中

P

的状态方程式表示，即一二RT(1-6)

P

式中P----气体的绝对压强，Pa：

P——气体的密度，kg/m3;

T一一热力学温度，K：

R----气体常数，J/(kg•K)o

5

在工程上，不同压强和温度下气体的密度可按下式计算：p=p0—_d-

273♦t760

式中P为标准状态(0℃,760mmHg)下某种气体的密度。如空气的Po=l.293kg/Ilf;

烟气的Po=1.34kg/n?。P为在温度tC、压强pmmHg下，某种气体的密度。

1.4流体的黏性

一、流体的黏性(fluidviscosity)

1、流体与固体的区别：

从力学角度看，固体在确定的剪切力的作用下产生固定的变形；流体在剪切力作用下产

生连续的的变形，即连续运动。

固体变形用虎克定律描述，应力与应变成正比，即f/A与4。成正比。

如何描述流体的连续变形，必须研究粘性。

2、定义：黏性是流体抵抗剪切变形的一种属性。

由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在任何微小剪切力的持续作用下，

流体要发生连续不断地变形。但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它

反映了抵抗剪切变形能力的差别，这种能力就是黏性。

3、牛顿流体粘性实验

国IT流体粘性实验

平行平板间充满流体(如水)，板间距为h,下部平板固定(相当于容器底部)上部平板在

力尸的作用下匀速直线运动，速度为U。

速度分布情况：

与下板接触的流体静止，u=0；与上板接触的流体运动，速度与板的速度相同u=U,其

间流速线性分布。

结论：

6

Oi两板之间的各流体薄层在上板的带动下，都作平行于平板的运动，其运动速度由上向下

逐层递减。

02由于各流层速度不同，流层间就有相对运动，从而产生切向作用力，称其为内摩擦力。

03作用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出现的，即大小相等而方向相反，分别

作用在相对运动的流层上。

二、牛顿内摩擦定律

1、定义：运动的流体所产生的内摩擦力(切向力)F的大小与垂直于流动方向的速度梯度

(velocitygradient)du/dy成正比，与接触面的面积A成反比，并与流体的种类有关，而与接

触面上压强P无关。

2、内摩擦力的数学表达式：F=〃A祟

式中F——流体层接触面上的内摩擦力，N；

A----流体层间的接触面积，m2;

du/dy——垂直于流动方向上的速度梯度，1/$：

u----动力黏度(dynamicviscosily),Pa•s«

当流体处于静止状态或以相同速度运动(流层间没有相对运动)时，内摩擦力等于零，此

时流体有黏性，流体的黏性作用也表现不出来。

动力粘度越大，表明内摩擦力作用强，粘度对流动影响大

流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力(shearstress)/=,(Pa)

Aay

3、运动黏度(kinematicviscosity)

动力黏度与密度的比值；用符号，表示，即〃二以(1-11)

P

式中v----表示运动黏度，m2/So

4、教材习题讲解17页1-12题

5、影响粘性的因素

。1、流体粘性随压强和温度的变化而变化。

在通常的压强下，压强对流体的粘性影响很小，可忽略不计。在高压下，流体(包括气

体和液体)的粘性随压强升高而增大。流体的粘性受温度的影响很大，而且液体和气体的粘

7

性随温度的变化是不同的。液体的粘性随温度升高而减小，气体的粘性随温度升高而增大。

02、造成液体和气体的粘性随温度不同变化的原因

由于构成它们粘性的主要因素不同。分子间的吸引力是构成液体粘性的主要因素，温度

升高，分子间的吸引力减小，液体的粘性降低：构成气体粘性的主要因素是气体分子作不规

则热运动时，在不同速度分子层间所进行的动量交换。温度越高•，气体分子热运动越强烈，

动量交换就越频繁，气体的粘性也就越大。

6、教材第8页例题讲解

1.5流体的分类

一、可压缩流体和不可压缩流体(compressiblefluidandincompressiblefluid)

1、定义：dp/出=0的流体称为不可压缩流体，而密度为常数的流体称为不可压均质流体。

密度随温度和压强变化的流体称为可压缩流体。

2、液体的压缩性

液体的压缩性都很小，随着压强和温度的变化，液体的密度仅有微小的变化，在大多数

情况下，可以忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。

3、气体的压缩性

气体的压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变时，完全气体的体积与压强成反

比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高1℃体积就比0C时

的体积膨胀1/273。所以，通常把气体看成是可压缩流体，即它的密度不能作为常数，而

是随压强和温度的变化而变化的。

4、实际应用

把液体看作是不可压缩流体，气体看作是可压缩流体，都不是绝对的。在实际工程中，

要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。例如，研究管道中水击和水下爆炸时，水

的压强变化较大，而且变化过程非常迅速，这时水的密度变化就不可忽略，即要考虑水的

压缩性，把水当作可压缩流体来处理，又如，在锅炉尾部烟道和通风管道中，气体在整个

流动过程中，压强和温度的变化都很小，其密度变化很小，可作为不可压缩流体处理。再

如，当气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似

地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。

二、牛顿流体和非牛顿流体(Newtonfluidandnon-Newtonfluid)

8

1、定义：凡作用在流体上的切向应力与速度梯度之间的关系满足牛顿内摩擦定律的流体称

为牛顿流体。凡作用在流体上的切向应力与速度梯度之间的关系不满足牛顿内摩擦定律的流

体称为非牛顿流体，

图1—4中的曲线A所示为牛顿流体；曲线B、C、D为非牛顿流体；曲线B表示理想塑性

体，如牙膏便有这种性质：曲线C表示拟塑性体，如黏土浆和纸浆：曲线D表示胀流型流

体，如沙与水的混合物；纵坐标轴表示理想流体；横坐标轴表示弹性固体。

三、黏性流体和理想流体(viscousfluidandidealfluid)

1、定义：有黏性的流体(口W0)称为黏性流体或实际流体(realfluid)。

没有黏性的流体(uX0))称为理想流体。

2、理想流体假设意义

理想流体运动时，不论流层间有无相对运动，其内部都不会产生内摩擦力，即无切向应

力。在研究理想流体流动的基本规律后，再对黏性的影响进行试验观测和分析，以对理想流

体所得结果加以补充和修正，得到实际流体流动的规律。

・1.6液体的表面性质

一、表面张力(surfacetension)

1、表面张力形成原因：

当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张力，出现一些特殊现象。

表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称为内聚力(shesion)。

在液体中，一个分子只有距离它约10"cm的半径范围内才能受到周围分子吸引力的作

用。在这个范围内的液体分子对该分子的吸引力各方向相等，处于平衡状态。但在靠近静止

液体的自由表面、深度小于约10"cm薄的表面层内，每个液体分子与周围分子之间的吸引

力不能达到平衡，而合成一个垂直于自由表面的合力。这个合力从自由表面向下作用在该分

9

子上，当分子处于自由表面上时，向下的合力达到最大值。表面层内的所有液体分子均受有

向下的吸引力，从而把表面层紧紧拉向液体内部。由于表面层中的液体分子都有指向液体内

部的拉力作用I,所以任何液体分子在进入表面层时都必须反抗这种力的作用，也就是必须给

这些分子以机械功。

2、定义：当自由表面收缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方向相反的作用力，这种力称

为表面张力。在不相混合的液体间以及液体和固体间的分界面附近的分子都将受到两种介质

吸引力的作用，沿着分界面产生表面张力，通常称为交界面张力。

表面张力。的大小以作用在单位长度上的力表示，单位为N/m。

3、影响表面张力的因素：

(1)与物质的种类有关

(2)与温度有关，不同的液体在不同的温度下具有不同的表面张力值。液体的表面张力都

随着温度的上升而下降。见教材11页表1—7、1—8、1T

(3)与杂质含量有关

从微观的角度看，表面张力是由分子力引起的。

4、表面张力对液体自由表面两侧压强的影响

若自由表面是一个平面，则沿着平面的表面张力处于平衡状态，平面表面两侧的压强相等：

若自由表面是曲面，则表面张力将使曲面两侧产生压强差p-P2,以维持平衡。

设在曲表面上取一个边长为dsl和ds2的微元矩形双曲面，双曲面曲率半径各为R1和

R2,夹角为dal和da2,作用在曲面凹面和凸面的压强分别为pl和p2,如图1—5所示。在

微元矩形双曲面两对边dsl和ds2上，表面张力产生一对与边界线正交的向外力。dsl,和

。ds2,则垂直于曲面的合力沿曲面法线方向的力平衡方程为：

10

国15曲力面的改面张力和E强

（力一力）d$id$]=加&/in+2adj9sin

M山1

2~2~

■"d$i&；-r24火再

id闻卜£）

于是得

I111•

“一力瓦+无j

结论：曲面两侧压强的大小正比于表面张力。，反比于曲表面的曲率半径。

二、毛细现象（capillaryphenOmena）

1、润湿与不润湿现象

把细管插入液体内，若液体（如水）分子间的吸引力（称为内聚力）小于液体分子与固体分

子之间的吸引力，也称为附着力（adhesion）,则液体能够润湿固体，液体将在管内上升到一

定的高度，管内的液体表面呈凹面，如图1—6（a）所示；若液体（如水银）的内聚力大于液体与

固体之间的附着力，则液体不能润湿固体，液体将在管内下降到一定高度，管内的液体表面

呈凸面，如图l-6（b）所示。

例

玻璃与水银玻璃与水石蜡与水铜（锌）板与水银

不附着附着不附着附着

11

不润湿润湿不润湿润湿

90°<0<180°00<0<90°90°<0<180°0°<0<90°

ffi>6液体在套地管内匕升或卜降

3)祖■秋壑的液体的衣底上升，(3不湿需管电构液体的校面下降

2、定义：这种液体在细管中能上升或下降的现象称为毛细现象。

3、计算：液体在细管中上升或下降的高度与表面张力有关，可以用简便方法直接求得。

如图1—6(a),密度为P的液体在润湿管壁的表面张力作用下，沿半径为r的细管上升，

到h高度后停止，达到平衡状态，即表面张力向上分力的合力与升高液柱的重量相等。设液

面与固体壁面的接触角为。，细管内液体的凹表面近似地看作是高度为占、半径为R的球

冠。

接触角(contactangle)：液体表面的切面与固壁表面的夹角，在接触处，固体与液体表面

切线之间形成的角度,称为接触角，记作0。

0=0°时为完全润湿0=180°时为完全不润湿。

02平衡关系式为：

?irraC0A夕+力一率3八一切

12

由图1—6(a)可知

I=iW

ix

於=(R—6)，一/或2R=士京艺

D

代入上平衡关系式，即得上升高度的计算式：

,a4d上炉a

人=港川+密一5(「⑶

又，接触角8与球冠液面的高度6的关系为：

图1―6(a)中

3=R-Kc«j(g①B)工

—r^(1—sin^)

(1—14a)

图1—6(b)中

力3R—及cox(8—90°)-R(1—*in9)

而方=sinS—90')=-COA/9

T1

8=-----j(l-sin^)

c。4(1—14b)

说明：对于同一细管和液体，I•和P是确定的。上升高度h与表面张力和接触角有关，

毛细现象是由表面张力和接触角决定的。

水与玻璃的接触角约为8.5°,由(1—14a)得：

小W(I-6但&『)-0.862r

FCU8Q«0

将上式代入(1-13),得水在细玻璃管中的上升高度为：

同户=与誓一°，324，

(1—15)

对于很细的玻璃管，水的凹表面可近似地看作是一个半球面，则9=0°,6=R=r,于是

由式(1一13)可得

,_2cr

笆"一丽一1(1—16)

水银与玻璃的接触角约为140°,由式(1—14b)得

必一一-加讨)-0.469

将上式代人式(1—13),得水银在细玻璃管中的下降高度为

“修■一j—@2】即|

"J(1—17)

4、结论：

由式(1-15)和式(1一17)可知，当细管半径r越小时，入的绝对值就越大。所以，当用

内径很细的管子作液柱式测压计和液位计的管子时，会造成较大的测量误差。一般来说，对

于水，细管的内径应大于14mm:对于水银，细管内径大于10mm时，由于毛细现象产生的

测量误差已很小，不必加以修正。

5、教材例题讲解

•1.7作用在流体上的力

作用在流体上的力可以分为两大类：表面力和质量力。

一、表面力(surfaceforce)

1、定义：表面力是指作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，也就是该部分体积周

围的流体或固体通过接触面作用在其上的力。

2、表面力特点：

表面力和作用面不一定垂直：(可分解为正应力和切应力两部分)。

即与流体表面垂直的法向力(normalforce)P和与流体表面相切的切向力(shearforce)To

在连续介质中，表面力不是一个集中的力，而是沿表面连续分布的。因此，在流体力学中

用单位表面枳上所作用的表面力(称为应力)来表示。应力可分为法向应力(normalstress)和切

向应力(langentialstress)两种。

3、计算

如图1—7,在流体中取出被表面积为止的封闭曲面所包围的某部分流体体积y,则周围

流体必然有力作用在这个体积y的表面积A上。在表面积A上围绕凸点取一微元面积4A,

周围流体作用在其上的表面力为AP，则a点的法向应力和切向应力的数学表达式分别为：

(1-18)

△TdT

lim(1-19)

37丸IdA

单位:Pa

14

质量力(massforce)

1、定义：质量力是指作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比

的力，又称体积力。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。是一种非接触力。

2、表现：

O1由于流体处于地球的重力场中，受到地心的引力作用，因此流体的全部质点都受有重力，

71-----

G=mg这是最普遍的一个质量力。

02当用达朗伯①'Alemben)原理使动力学问题变为静力学问题时，虚加在流体质点上的惯

性力也属于质量力。惯性力的大小等于质量与加速度的乘积，其方向与加速度方向相反。

。3带电流体所受的静电力以及有电流通过的流体所受的电磁力也是质量力。

达朗伯(D'Alemben)原理：1743年，达朗伯(J.RdAlembert,1717—1783)在《动力学原理》

中阐述了达朗伯原理。

非自由质点M，质量为机，受主动力尸，约