1、第一節(jié)流體力學(xué)基本知識第一節(jié)流體力學(xué)基本知識一、流體基本物理性質(zhì)一、流體基本物理性質(zhì) 一、流體基本物理性質(zhì)一、流體基本物理性質(zhì) 流體是液體和氣體的總稱。流體是液體和氣體的總稱。流體力學(xué)是研流體力學(xué)是研究靜止流體的力學(xué)規(guī)律和運動流體的能量究靜止流體的力學(xué)規(guī)律和運動流體的能量轉(zhuǎn)化及能量損失規(guī)律的一門學(xué)科。轉(zhuǎn)化及能量損失規(guī)律的一門學(xué)科。在火力在火力發(fā)電廠中，不但有很多熱力設(shè)備的工作與發(fā)電廠中，不但有很多熱力設(shè)備的工作與流體力學(xué)有著密切關(guān)系，而且在這些設(shè)備流體力學(xué)有著密切關(guān)系，而且在這些設(shè)備和管路上還有不少壓力計、流量計、測速和管路上還有不少壓力計、流量計、測速表等測量儀器，也是根據(jù)水力學(xué)原理制成表等

2、測量儀器，也是根據(jù)水力學(xué)原理制成的。的。流體力學(xué)流體力學(xué) 因此要學(xué)好專業(yè)課，必須掌握流體力學(xué)的因此要學(xué)好專業(yè)課，必須掌握流體力學(xué)的基本知識。流體的靜止與運動規(guī)律不僅受基本知識。流體的靜止與運動規(guī)律不僅受到外部條件的制約，同時也與流體自身的到外部條件的制約，同時也與流體自身的物理性質(zhì)有關(guān)。因此下面我們首先介紹一物理性質(zhì)有關(guān)。因此下面我們首先介紹一下流體的基本物理性質(zhì)，其中包括：下流體的基本物理性質(zhì)，其中包括：流體流體的流動性、慣性、壓縮性、膨脹性和黏滯的流動性、慣性、壓縮性、膨脹性和黏滯性。性。流體流動性流體流動性 （一）流體流動性（一）流體流動性 流體的流動性是流體的基本特性。它是在流體的流動

3、性是流體的基本特性。它是在流體流體自身重力或外力作用下自身重力或外力作用下產(chǎn)生的，也是產(chǎn)生的，也是流體容易通過管道輸送的原因。流體之所流體容易通過管道輸送的原因。流體之所以有這樣的特性，是由構(gòu)成它的分子決定以有這樣的特性，是由構(gòu)成它的分子決定的。的。液體和氣體分子間的引力同固體分子液體和氣體分子間的引力同固體分子間的引力相比都是很小的間的引力相比都是很小的，這是流體在力，這是流體在力作用下容易產(chǎn)生流動的根本原因。作用下容易產(chǎn)生流動的根本原因。流體流動性流體流動性 液體分子間的引力比氣體大，其分子間隙液體分子間的引力比氣體大，其分子間隙小，排列緊密，在壓力變化不十分大的情小，排列緊密，在壓力變化

4、不十分大的情況下，體積基本保持不變，況下，體積基本保持不變，所以液體稱為所以液體稱為不可壓縮流體；不可壓縮流體；氣體則不然，分子間間隙氣體則不然，分子間間隙大而且松散，在壓力變化不大的情況下，大而且松散，在壓力變化不大的情況下，體積就有明顯的變化，所以體積就有明顯的變化，所以氣體稱為可壓氣體稱為可壓縮流體?？s流體。本書講述的是不可壓縮流體。本書講述的是不可壓縮流體。流體質(zhì)量流體質(zhì)量 （二）流體質(zhì)量（二）流體質(zhì)量 流體質(zhì)量與慣性物體的質(zhì)量是指物體所含物質(zhì)的流體質(zhì)量與慣性物體的質(zhì)量是指物體所含物質(zhì)的多少，物體所含物質(zhì)越多，其質(zhì)量越大，所含物多少，物體所含物質(zhì)越多，其質(zhì)量越大，所含物質(zhì)越少，其質(zhì)量也

5、就越小。物體的質(zhì)量與慣性有質(zhì)越少，其質(zhì)量也就越小。物體的質(zhì)量與慣性有一定的關(guān)系：物體質(zhì)量越大，慣性越大；物體質(zhì)一定的關(guān)系：物體質(zhì)量越大，慣性越大；物體質(zhì)量越小，則慣性也越小。物體受力后運動狀態(tài)要量越小，則慣性也越小。物體受力后運動狀態(tài)要發(fā)生變化，發(fā)生變化，改變物體運動狀態(tài)的難易程度說明物改變物體運動狀態(tài)的難易程度說明物體慣性的大小，體慣性的大小，物體受力后容易改變運動狀態(tài)，物體受力后容易改變運動狀態(tài)，說明它慣性小，反之，慣性就大。說明它慣性小，反之，慣性就大。作用力、質(zhì)量與加速度作用力、質(zhì)量與加速度 力是使物體運動狀態(tài)改變的原因，力是使物體運動狀態(tài)改變的原因，即產(chǎn)生加速度的原因。對一定質(zhì)量即產(chǎn)

6、生加速度的原因。對一定質(zhì)量的物體，對它施加的作用力越大，的物體，對它施加的作用力越大，則產(chǎn)生的加速度也越大；則產(chǎn)生的加速度也越大；當(dāng)加速度當(dāng)加速度一定時，質(zhì)量越大，則所需的作用一定時，質(zhì)量越大，則所需的作用力也越大。力也越大。作用力、質(zhì)量與加速度作用力、質(zhì)量與加速度的關(guān)系如下的關(guān)系如下加速度的含義加速度的含義 加速度的含義是，一個運動加速度的含義是，一個運動的物體每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的速度的物體每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的速度變化量。變化量。 比如一個運動物體每秒速度比如一個運動物體每秒速度的的 小面積上的真實靜壓力，稱此壓力為點靜小面積上的真實靜壓力，稱此壓力為點靜壓力。壓力。絕對壓力與表壓力絕對壓力與表壓力 （

7、三）絕對壓力與表壓力（三）絕對壓力與表壓力 容器內(nèi)介質(zhì)壓力有的高于大氣壓力，有的容器內(nèi)介質(zhì)壓力有的高于大氣壓力，有的低于大氣壓力。介質(zhì)壓力高于大氣壓的稱低于大氣壓力。介質(zhì)壓力高于大氣壓的稱正壓，低于大氣壓的稱負(fù)壓。在火力發(fā)電正壓，低于大氣壓的稱負(fù)壓。在火力發(fā)電廠中，處于正壓下工作的設(shè)備有鍋爐汽包、廠中，處于正壓下工作的設(shè)備有鍋爐汽包、蒸汽管路、給水管路等；蒸汽管路、給水管路等；處于負(fù)壓下工作處于負(fù)壓下工作的設(shè)備有負(fù)壓燃燒爐膛、吸風(fēng)機前煙道及的設(shè)備有負(fù)壓燃燒爐膛、吸風(fēng)機前煙道及制粉系統(tǒng)、凝汽器等制粉系統(tǒng)、凝汽器等。絕對壓力絕對壓力 壓力按壓力基準(zhǔn)不同分為絕對壓力與表壓壓力按壓力基準(zhǔn)不同分為絕對壓

8、力與表壓力。力。 絕對壓力是指容器內(nèi)完全沒有壓力時作為絕對壓力是指容器內(nèi)完全沒有壓力時作為壓力起點算起的壓力，記為壓力起點算起的壓力，記為 Pj ；而表壓力；而表壓力是以大氣壓力為起點算起的壓力，記為是以大氣壓力為起點算起的壓力，記為 Pb 。所以表壓力是指高于或低于大氣壓力的壓所以表壓力是指高于或低于大氣壓力的壓力。前者數(shù)值為正，后者數(shù)值為負(fù)。負(fù)壓力。前者數(shù)值為正，后者數(shù)值為負(fù)。負(fù)壓有時稱真空，有時稱真空，如凝汽器真空。如凝汽器真空。h小于汽包中液位高小于汽包中液位高 h 上式說明，在液面作用壓力相同的情上式說明，在液面作用壓力相同的情況下，況下，液體密度與液柱高成反比液體密度與液柱高成反比

9、。由。由于水位計及連通管散熱較強，于水位計及連通管散熱較強，水位計水位計內(nèi)的水溫比汽包內(nèi)的水溫低，水位計內(nèi)的水溫比汽包內(nèi)的水溫低，水位計中水的密度比汽包中水的密度大中水的密度比汽包中水的密度大，故，故水位計的液位高水位計的液位高 h小于汽包中液位小于汽包中液位高高 h 。管子中心線處管子中心線處 流體運動時，液體中每一點的壓力流體運動時，液體中每一點的壓力 p 和流和流速速 u ，反映了流體各點的運動情況。因此，反映了流體各點的運動情況。因此，壓力和流速是液體運動壓力和流速是液體運動的基本要素。的基本要素。 如圖如圖 1 一一 14 所示，一根粗細(xì)不均的排水管，所示，一根粗細(xì)不均的排水管，在粗

10、細(xì)不同的管段上裝上測壓管。在粗細(xì)不同的管段上裝上測壓管。當(dāng)液體當(dāng)液體靜止時，測壓管指示高度相同，靜止時，測壓管指示高度相同，這時完全這時完全符合靜力學(xué)基本規(guī)律。符合靜力學(xué)基本規(guī)律。管子中心線處管子中心線處 但在容器內(nèi)水位不變的條件下，水由排出但在容器內(nèi)水位不變的條件下，水由排出管向外流出時，其測壓管高度發(fā)生變化，管向外流出時，其測壓管高度發(fā)生變化，粗處的測壓管水柱高，而細(xì)處測壓管水柱粗處的測壓管水柱高，而細(xì)處測壓管水柱低。低。這說明管子中心線處的壓力流速都不這說明管子中心線處的壓力流速都不一樣，壓力是粗處大，細(xì)處小，而流速是一樣，壓力是粗處大，細(xì)處小，而流速是粗處小，細(xì)處大。粗處小，細(xì)處大。這

11、說明流體的運動要素這說明流體的運動要素反映了流體運動的基本情況。反映了流體運動的基本情況。液體是有黏性液體是有黏性 實際液體是有黏性的，因此在圓管半徑上實際液體是有黏性的，因此在圓管半徑上不同點的流速是不一樣的。不同點的流速是不一樣的。對流體某一點對流體某一點來說的流速稱為點流速，來說的流速稱為點流速，記作記作u。液體在。液體在管內(nèi)點流速的變化規(guī)律是這樣的：緊挨著管內(nèi)點流速的變化規(guī)律是這樣的：緊挨著管壁的液體黏附在管壁上，其流速為零，管壁的液體黏附在管壁上，其流速為零，在管子半徑上的各點隨液體遠(yuǎn)離管壁而接在管子半徑上的各點隨液體遠(yuǎn)離管壁而接近軸心時，流速不斷增加，至管子軸心處近軸心時，流速不斷

12、增加，至管子軸心處流速達(dá)最大值流速達(dá)最大值 u max u u max平均流速平均流速 在實際工作中，為了計算方便常引用平均在實際工作中，為了計算方便常引用平均流速的概念。流速的概念。流體在流過橫斷面時，其各流體在流過橫斷面時，其各點都具有相同的流速，在這個流速下，所點都具有相同的流速，在這個流速下，所流過的流量與同一斷面各點以實際流速流流過的流量與同一斷面各點以實際流速流動時所流過的流量相當(dāng)，這個流速稱平均動時所流過的流量相當(dāng)，這個流速稱平均流速。流速。記為單位為米每秒（記為單位為米每秒（m s ）。體）。體積流量積流量 qv 等于平均流速與管子橫斷面等于平均流速與管子橫斷面 A 之積，即之

13、積，即理想液體的伯努利方程理想液體的伯努利方程 上式就是理想液體的伯努利方程式。上式就是理想液體的伯努利方程式。 由圖由圖 l 一一 18 可看出，因所取兩個斷面大小可看出，因所取兩個斷面大小不同，位置高度不等，它們的壓力能頭、不同，位置高度不等，它們的壓力能頭、速度能頭和位置能頭也不相同。速度能頭和位置能頭也不相同。當(dāng)水平管當(dāng)水平管道斷面積減小時，該斷面的速度能頭就要道斷面積減小時，該斷面的速度能頭就要增加，壓力能頭就會相應(yīng)地減少。增加，壓力能頭就會相應(yīng)地減少。反之，反之，當(dāng)管道斷面積增加時，該斷面的速度能頭當(dāng)管道斷面積增加時，該斷面的速度能頭就會減少，而壓力能頭要相應(yīng)地增大。不就會減少，而

14、壓力能頭要相應(yīng)地增大。不管這三種能頭如何轉(zhuǎn)化，管這三種能頭如何轉(zhuǎn)化，但其總和卻是一但其總和卻是一個常數(shù)個常數(shù)。實際液體的伯努利方程實際液體的伯努利方程 2 實際液體的伯努利方程實際液體的伯努利方程 理想液體在管子任一斷面處各點的流速都理想液體在管子任一斷面處各點的流速都是相同的，而實際液體由于有粘性，在斷是相同的，而實際液體由于有粘性，在斷面上各點的流速是不同的。在研究實際管面上各點的流速是不同的。在研究實際管路問題時，總是取用平均流速，那么某斷路問題時，總是取用平均流速，那么某斷面的平均流速的速度能頭與該斷面上各點面的平均流速的速度能頭與該斷面上各點的速度能頭的算術(shù)平均值是怎樣的關(guān)系呢？的速

15、度能頭的算術(shù)平均值是怎樣的關(guān)系呢？這里可以直接給出它們的關(guān)系，即這里可以直接給出它們的關(guān)系，即重要的能量方程式重要的能量方程式 這是一個非常這是一個非常重要的能量方程式重要的能量方程式，它是用，它是用來解決不可壓縮流體、沒有慣性力參加的來解決不可壓縮流體、沒有慣性力參加的穩(wěn)定流問題。對于氣體，當(dāng)溫度、壓力變穩(wěn)定流問題。對于氣體，當(dāng)溫度、壓力變化不大，密度變化很小時，也可以使用這化不大，密度變化很小時，也可以使用這個能量方程式。在使用能量方程式時要注個能量方程式。在使用能量方程式時要注意以下幾個問題：意以下幾個問題： 、采用同一壓力基準(zhǔn)，即采用表壓力或、采用同一壓力基準(zhǔn)，即采用表壓力或絕對壓力，

16、單位要統(tǒng)一。絕對壓力，單位要統(tǒng)一。 注意問題注意問題 、所、所選取的橫斷面要位于等徑直管段選取的橫斷面要位于等徑直管段部部分，不能選在管子突然變粗（細(xì)）、轉(zhuǎn)彎分，不能選在管子突然變粗（細(xì)）、轉(zhuǎn)彎等部位，以避免慣性力產(chǎn)生，至于兩斷面等部位，以避免慣性力產(chǎn)生，至于兩斷面間是否有慣性力產(chǎn)生不予考慮。間是否有慣性力產(chǎn)生不予考慮。 、所選基準(zhǔn)面應(yīng)以簡化方程為原則所選基準(zhǔn)面應(yīng)以簡化方程為原則。對。對水平管段，選取的基準(zhǔn)面要經(jīng)過管子中心水平管段，選取的基準(zhǔn)面要經(jīng)過管子中心線，對非水平管段，所選基準(zhǔn)面應(yīng)通過線，對非水平管段，所選基準(zhǔn)面應(yīng)通過較較低斷面的中心點。低斷面的中心點。虹吸虹吸 3 虹吸虹吸 如圖如圖

17、1 一一 22 所示，將高位容器裝滿水，再所示，將高位容器裝滿水，再將將 U 形管充滿水，并用手堵住短管側(cè)管口，形管充滿水，并用手堵住短管側(cè)管口，放入高位容器的水中，放開手后水自動從放入高位容器的水中，放開手后水自動從高位容器高位容器 A 流入低位容器流入低位容器 B。這種水越過這種水越過高位容器液面而流向低位容器的現(xiàn)象，稱高位容器液面而流向低位容器的現(xiàn)象，稱虹吸。虹吸。取高位液面取高位液面 1 一一 1 低位液面低位液面 0 0 為基準(zhǔn)面，下面分析一下為基準(zhǔn)面，下面分析一下產(chǎn)生虹吸流動的水流動力。列方程產(chǎn)生虹吸流動的水流動力。列方程管道流動阻力管道流動阻力 Pg 顯然這是一個最大的理想高度，

18、實際上由于液顯然這是一個最大的理想高度，實際上由于液體在一定溫度下具有一定的飽和汽壓，管路又有體在一定溫度下具有一定的飽和汽壓，管路又有各種阻力損失及流速不能為零，各種阻力損失及流速不能為零，所以虹吸高度一所以虹吸高度一般只有般只有 6 7m 。 四、四、管道流動阻力電廠的機爐車間，布置著縱橫管道流動阻力電廠的機爐車間，布置著縱橫交錯的各種管道，里面流動著汽、水、風(fēng)、油等。交錯的各種管道，里面流動著汽、水、風(fēng)、油等。這些流體在管道中流動，總要產(chǎn)生能量損失，這些流體在管道中流動，總要產(chǎn)生能量損失，它它導(dǎo)致流體隨管道流程的增長不斷產(chǎn)生壓力下降，導(dǎo)致流體隨管道流程的增長不斷產(chǎn)生壓力下降，特別是流經(jīng)彎

19、頭、閥門、縮孔等管道附件之后，特別是流經(jīng)彎頭、閥門、縮孔等管道附件之后，壓力下降得尤為顯著。壓力下降得尤為顯著。沿程阻力損失沿程阻力損失 這種壓力下降稱為流體管道阻力損失。通這種壓力下降稱為流體管道阻力損失。通常把管道產(chǎn)生的阻力損失分為兩部分：沿常把管道產(chǎn)生的阻力損失分為兩部分：沿程阻力損失和局部阻力損失。程阻力損失和局部阻力損失。 （一）（一）沿程阻力損失沿程阻力損失 沿程阻力是流體運動時，由于液體質(zhì)點與沿程阻力是流體運動時，由于液體質(zhì)點與管壁、液體質(zhì)點之間存在著相對運動而產(chǎn)管壁、液體質(zhì)點之間存在著相對運動而產(chǎn)生摩擦，因而造成能量損失。沿程能頭損生摩擦，因而造成能量損失。沿程能頭損失計算式如

20、下失計算式如下1 流體沿程阻力的影響因素流體沿程阻力的影響因素 ( l ）流體運動狀態(tài)：流體運動狀態(tài)：流體運動狀態(tài)是流體運動狀態(tài)是表明流體質(zhì)點運動特性的。流體的不表明流體質(zhì)點運動特性的。流體的不同運動狀態(tài)有不同的運動特性。流體同運動狀態(tài)有不同的運動特性。流體的運動狀態(tài)有兩種：的運動狀態(tài)有兩種：層流運動狀態(tài)和層流運動狀態(tài)和紊流運動狀態(tài)。紊流運動狀態(tài)。層流運動，是指流體層流運動，是指流體運動時，流體質(zhì)點只沿管子作軸向運運動時，流體質(zhì)點只沿管子作軸向運動。動。紊流運動紊流運動 紊流運動，是指流體運動時，紊流運動，是指流體運動時，流體流體質(zhì)點不僅沿管子作軸向運動，同時質(zhì)點不僅沿管子作軸向運動，同時還作

21、橫向運動。還作橫向運動。為了分析和計算上為了分析和計算上的需要，我們需要掌握判定流體運的需要，我們需要掌握判定流體運動狀態(tài)的方法。通過大量的實驗得動狀態(tài)的方法。通過大量的實驗得出判定流體運動狀態(tài)的計算式如下出判定流體運動狀態(tài)的計算式如下 畫圖( 2 ）管子粗糙度）管子粗糙度 任何管子，由于材料、加工及腐蝕等因素任何管子，由于材料、加工及腐蝕等因素的影響，管子壁面總是凹凸不平的。的影響，管子壁面總是凹凸不平的。管壁管壁的平均突出高度的平均突出高度稱為管壁的絕對粗糙度。稱為管壁的絕對粗糙度。電廠汽水管道的絕對粗糙度見表電廠汽水管道的絕對粗糙度見表 1 一一 3 。絕對粗糙度絕對粗糙度與管徑與管徑

22、d 之比，稱為相對粗之比，稱為相對粗糙度；管徑糙度；管徑 d 與絕對粗糙度與絕對粗糙度之比，稱為之比，稱為相對光滑度。顯然，相對光滑度越高，管相對光滑度。顯然，相對光滑度越高，管子內(nèi)壁面越光滑。子內(nèi)壁面越光滑。管壁的粗糙度 1、絕對粗糙度 ：管壁突出峰的平均高度mm 2、相對粗糙度 /d (管子內(nèi)徑mm)影響直管流動能量損失因素 熱量交換損失熱量交換損失 摩擦損失摩擦損失 運動黏度運動黏度=動力黏度動力黏度/密度密度 雷諾數(shù)：流體慣性力與黏度之比雷諾數(shù)：流體慣性力與黏度之比 分子微粒碰撞分子微粒碰撞五、壓力管道中的水錘五、壓力管道中的水錘 液體在壓力管道中流動時，由于閥門的突液體在壓力管道中流動時，由于閥門的突然關(guān)閉、開啟或水泵突然停止而造成管道然關(guān)閉、開啟或水泵突然停止而造成管道中水壓力反復(fù)急劇的變化并迅速衰減的現(xiàn)中水壓力反復(fù)急劇的變化并迅速衰減的現(xiàn)象，稱為水錘。象，稱為水錘。在管道上，由于閥門迅速在管道上，由于閥