第一章流体力学基础知识

1、第一章是流体动力学的基础知识学习本章的目的和意义：流体力学基础知识是教学建筑给排水的专业基础知识。只有掌握了这部分知识，我们才能更好地理解建筑给排水过程中的相关内容。1-1流体的主要物理性质1.本节的教学内容和要求：1.1本节的教学内容：流体的四种主要物理性质。1.2教学要求：(1)掌握和理解流体的几种主要物理性质(2)利用流体的几种物理性质解决工程实践中的一些问题。1.3教学难点和重点：难点：流体的粘度和粘滞力重点：理解牛顿运动定律。2.教学内容和知识点：2.1易流动性(1)基本概念：流动性流体在静止状态下不能承受剪切力和抵抗剪切变形，称为流动性。流体也被认为能够抵抗压力，但不能抵抗张力。流

2、动性是流体和固体之间的区别2.2密度和重量(1)基本概念：密度是每单位体积质量，这叫做流体密度，即：=M流体质量，kg；V流体体积，m3。在常温和一个标准大气压下，水=1103千克/立方米汞=13.6103千克/立方米基本概念：重量：单位体积的重量，也就是液体的重量。重量也称为体积密度。=G液体重量，n；V流体体积，m3。g=mg =g正常温度，水=9.8103kg/m3，在标准大气压下伽马汞=133.28103千克/立方米密度和重力随着外部压力和温度的变化而变化液体的密度随压力和温度变化很小，这可以看作是一个常数，而气体的密度随温度和压力变化很大。2.3粘度(1)粘度的出现基本概念：抵抗运动

3、中流体剪切变形的特性称为粘度。当某个流动层取代了相邻的流动层并导致体积变形时，流体中产生的剪切力就是这种特性的表现。为了解释粘度，通过管道内流体速度的实验进行了分析和解释。电流表测得的管道某一段的速度分布如图1所示如果某一流动层的速度为u，则相邻流动层为u du，du为相邻流动层的速度增量；如果相邻流动层的厚度为dy，则du/dy称为速度梯度。由于不同流动层之间的速度不同，相邻流动层之间存在相对运动，这在接触面上产生相互作用的剪切力。这个力被称为流体的内摩擦力或粘性力。平板实验(2)牛顿内耗定律基本概念：牛顿在1867年自然哲学的数学原理年根据平板实验提出了流体摩擦假说。牛顿内耗定律：当剪切应

4、力不变时，粘度越大，剪切变形速度越小，因此粘度可以定义为流体对剪切变形速度的阻力特性。是一个比例系数，称为动态粘度。越大，流体越粘，流动性越差。单位是帕.s 运动粘度，m2/s；=/液体的粘度随着温度的升高而降低。分子间的吸引力，即内聚力，是形成粘度的主要因素。气体的粘度随温度的升高而增加，分子间热运动引起的动量交换是形成粘度的主要因素。应该强调的是，牛顿内耗定律只适用于牛顿流体和层流。牛顿流体是指在恒温条件下，剪切应力与速度梯度成正比，粘度系数为常数。对于静态液体，液体粒子之间没有相对运动，因此没有粘度。(3)理想流体基本概念：所谓的理想流体是指不可见的，即=0。示例1平板在油表面水平移动。

5、众所周知，平板的移动速度是40厘米。/s，层的厚度为5毫米，油的动态粘度=0.1Pa.计算作用在平板单位面积上的粘滞阻力2.4压缩和可扩展性(1)液体的压缩性和膨胀性基本概念：可压缩性是指膨胀性被称为流体的膨胀性，当温度上升时，体积膨胀，温度下降。液体的膨胀性通常用膨胀系数来表示液体的压缩性和膨胀性相对较小。如果水压增加一个大气压，体积压缩率约为1/20000。常温下，温度升高1，体积膨胀率约为1.5/10万(2)气体的压缩性和膨胀性气体的压缩性和膨胀性明显，符合常温下的理想气体状态方程，即p/=rt。1-2静水压力及其分布规律1.本节的教学内容和要求：1.1本节的教学内容：(1)静水压力的两

6、个特征及相关的基本概念。(2)重力静水压力的基本公式和物理意义。(3)静水压力的表达和计算。1.2教学要求：(1)正确理解静水压力的两个重要特征和等压面的性质。(2)掌握静水压力的基本公式和物理意义，用基本公式计算静水压力。(3)掌握静水压力的单位和三种表示方法：绝对压力、相对压力和真空度；理解集管、压头和管头的物理和几何意义。(4)掌握静水压力的测量方法和计算。1.3教学难点和重点：难点：静水压力的两个特征及相关的基本概念。重力静水压力的基本公式及其物理意义。静水压力的表达和计算。要点：重力静水压力的基本公式和物理意义。2.教学内容和知识点：2.1静水压力及其特性(1)基本概念：以静态流体中

7、的隔离器为例，假设作用在隔离器上小面积w上的总压力为P，那么w表面上的平均压力为：p=P/w(N/m2)当取面积无限减少到一点时，平均压力的极限值为这个极限被称为此时的静压。(2)静水压的单位是帕(n/m2)，用帕表示。1Pa=1 N/m2，105 Pa称为1巴。(3)流体静力学的两个特征：A.流体静压力必须沿着活动表面的内法线方向。b .任何点的静水压只有一个值，该值不会因活动表面方向的改变而改变。2.2静水压力的分布规律在静态流体中，如果微圆柱体的上表面与流体的自由表面重合，其底部面积为w，高度为h，自由表面上的压力为p0，则微圆柱体的垂直力为自由表面的压力、重力和下底面的流体静压力。横向

8、流体静压垂直于轴线，其在轴向的投影为零。垂直气缸处于静止状态，因此其轴向力平衡为：简化后：静态液体中任意点的压力；表面压力；液体体积密度；自由表面下点的深度。这个方程是流体静压的基本方程，也称为流体静力力学的基本方程。这个等式的意思是：A.静水压力与水深成正比的线性分布规律；B.作用在液体表面的表面压力以相等的值传递到静止液体的每个点；C.该方程适用于计算静态气体压力，p=P0。D.压力只与深度有关，与压缩表面的大小和形状无关用静水压力方程分析问题时，应掌握等压面的概念。等压面由流体中压力相等的点组成的表面称为等压面。推论：同类液体静止连续的水平面是等压面；两种静止的彼此不混合的液体之间的界面

9、是等压面。2.3压力的测量和表达单位(1)压力的测量单位：a根据压力的定义，每单位面积力，N/m2大气压力的倍数1标准大气压(0，纬度为45的海平面压力，以大气压表示)1大气压=底部760毫米汞柱产生的压力1atm=1.013*105Pa1工程大气压力(200米高度的正常大气压力，表示为at)1at=压力pA.以完全真空为压力起点的绝对压力称为绝对压力。(p)B.相对压力以当地大气压力pa为压力起点记录的压力称为响度压力p。p=p -pa除非另有说明，下文所指的所有压力均为相对压力。绝对压力总是正的，而相对压力可以是正的也可以是负的。C.真空压力是指流体中某一点的绝对压力小于大气压力的部分，而

10、不是绝对压力本身(即该点相对压力的绝对值)(pv)Pv=pa-p 1-3流体运动的基本知识1.本节的教学内容和要求：1.1本节的教学内容：(1)液体运动的基本概念，包括流线和轨迹、基本流和总流、横截面和平均流速、恒定流和非恒定流、均匀流和不均匀流、渐变流和突变流。(2)恒定总流量连续性方程。(3)恒定总流量的能量方程。1.2教学要求：(1)了解液体运动的基本概念，包括流线与迹线、单元流与总流、截面、流速与截面平均速度、恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与突变流。(2)掌握并应用恒定总流量的连续性方程。(3)掌握和运用恒定总流量能量方程解决工程实践中的一些问题。1.3教学难点和重点：难点

11、：恒定总流量的能量方程。重点：恒定总流量的连续性方程和恒定总流量的能量方程。2.教学内容和知识点：2.1流体运动的基本概念：A.压力流和自由表面流压力流：流体在压力差的作用下流动，流体的整个外围与固体笔接触，没有自由表面。自由表面流动：当液体在重力作用下流动时，液体周边的一部分与固体壁相遇，不管界面如何，它都与大气接触，形成自由表面。B.恒定流域的非恒定流恒定流：当液体粒子通过流场中的空间点时，所有运动元素不随时间变化的流动称为恒定流；不稳定流：相反，只要有一个随时间变化的运动元素，它就是不稳定流。非恒定流的速度和压力等运动因素是时间的函数，由于描述液体运动的变量增多，水流运动的分析更加复杂和

12、困难。虽然大多数自然水流是不稳定的，但在某些条件下，不稳定的水流通常被简化为恒定流来讨论。本课程主要讨论恒定流运动。C.轨迹和流线痕迹：痕迹是液体粒子的轨迹，是空间中某个粒子在不同时间的连线。痕迹一定与时间有关。流线：流线是在流场中某一时刻绘制的曲线，此时曲线上各点的粒子速度方向与曲线相切。对于恒定流，当流线和迹线重合时，流线的形状不随时间变化；对于非定常流，当流线和迹线不重合时，流线的形状随时间变化。流线有两个重要的性质，即它们不能相交或转向，否则相交(或转向)的粒子将有两个速度方向，这与流线的定义相矛盾。也可以说，在某一时刻，在流场的任何一点上只能画出一条流线。流线的形状和密度反映了液体在

13、某一瞬时流场中的速度和方向，流线密集时速度大，流线稀疏时速度小。D.均匀流动和不均匀流动均匀流：流线相互平行的流称为均匀流。这里必须满足两个条件，即流线必须相互平行，并且必须是直线。非均匀流：其中一个条件不能满足，这种流就是非均匀流。均匀流动的概念也可以表示为液体沿空间流动的恒定速度和方向。恒定流和非恒定流是相对于时间的，而均匀流和非均匀流是相对于空间的。恒定流可以是均匀流或非均匀流，非恒定流也是如此，但明渠中的非恒定均匀流也是如此均匀流具有以下特点：1)水的横截面是平面的，其形状和大小沿程不变；2)同一流线上各点的流速相同，因此各截面上的平均流速v相等；3)同一横截面上各点的压力计头是恒定的

14、。E.元件流量、总流量、横截面、流速和横截面平均速度超流：超流是横截面积无限小的流束，其表面是由流线组成的流管。总流量：由大量基本流量组成的宏观水流称为总流量。横截面：与元素流或总流的所有流线正交的横截面称为水流横截面。横截面的形状可以是平面(当流线是平行的直线时)或曲线(流线是其他形状)。流速：单位时间内流经某一截面的液体体积称为流速，用q表示，单位为(m3/s)。引入单元流的概念有两个目的：1)单元流的截面积dA是无限小的，因此dA面积上每个点的运动单元(点速度u和压力p)可以视为常数；2)作为一个基本的无穷小单位，总流量的运动元素可以通过积分运算得到。基本流的流速为dQ=udA，通过总流

15、水段的流速为Q=dQ=AudA (31)横截面平均速度：一般来说，流经构成总流量的每个元素的水的横截面上各点的速度是不相等的，有时速度分布是复杂的。为了简化讨论，我们引入了横截面平均速度v的概念。这是恒定总流量分析方法的基础，也称为一维流量分析方法，即液体的运动元素只是空间坐标(过程坐标)的函数。平均横截面流速v等于通过总横截面的流量q除以横截面面积a，即v=q/a.2.2恒定一维流动的连续性方程根据质量守恒定律，可以推导出不可压缩液体无分叉一维恒定总流任意两个截面的连续性方程，其形式如下。Q1=Q2或v 1A1=v 2A2上述公式表明，任意两个横截面的平均速度与横截面的面积成反比。对于带有分叉的恒定总流量，连续性方程可表示为：Q流入=Q流出连续性方程是一个运动学方程，它不涉及力之间的关系。连续性方程通常用于计算已知横截面的面积和横截面的平均速度，或计算流量的已知速度。它是水力学中三个最基本的方程之一。2.3恒定总流量能量方程A.将沿总流量的两个断面的