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1M411030 流体力学的基础知识

1M411031 流体流动参数的相互关系

流体力学中的流体包括液体和气体。流体的流动参数包括流体流动时的物理性质、静止流体的力学特性和流体运动状态的参数。流体的基本方程式反映了流体主要流动参数的相互关系。

（1）流体的物理性质

*流体的质量

*流体的密度：单位体积的流体所具有的质量称为流体的密度

*流体的比容：单位质量的流体所占有的体积称为比容，

*密度与比容互为倒数。

*流体的重量：作用在流体上的重力称为流体的重量，用G来表示，其单位是N.

*流体的重度；作用在单位体积流体上的重力称为流体的重度。

*流体的压缩性：流体占有的体积将随作用在流体上的压力和温度而变化。

*流体的膨胀性：温度升高时，流体的体积将增大，这种特性称为流体的膨胀性，气体属于不能忽略其压缩性和膨胀性的流体（称为可压缩流体），压力和温度的变化对其密度和重度的变化影响很大，热力学中用状态方程来反映他们相互的关系。当气体的压力和温度变化很小时（如通风系统）或其相对固体的运动速度比当时温度下的音速小得多时，由于其密度变化很小，可以近似地将密度看作常数，按不可压缩流体来处理。

*流体的黏性：当流体中发生了层与层之间的相对运动时，形成的内摩擦力或黏滞力，即流体的粘性。为了维持流体的运动，必须消耗能量以克服内摩擦力造成的能量损失。

温度对流体的黏滞系数影响很大，但对液体和气体的影响相反，当温度升高时，液体的黏滞系数降低，流动性增加，而气体的黏滞系数增大。

（2）静止流体的力学特性：

*作用在流体上的力大致可分为表面力和质量力（或称体积力）这两类。

*流体的静压力是指流体单位面积上所受到的垂直于该表面的力。

*重力作用下，液体内部压力随深度变化，深度相等的各点静压力相等。P=P0+ρgh

*静止流体的浮力：流体作用在物体上的浮力等于该物体排开的相同体积流体的重量，它与物体浸入的深度无关，方向永远向上且通过浮心，此即阿基米德原理。

*液体的表面张力：液体表面层内的分子吸引力和液体表面与周边介质分子之间的吸引力不平衡的表现，它沿液体表面作用并且和液体的边界垂直，把液体表面层的分子紧紧拉向液体内部。

*液体的毛细现象：把一根细玻璃管插入液体中，当液体分子间的吸引力大于或小于 液体分子与玻璃分子间的吸引力时，会出现细玻璃管中的液面成凸形或凹形液面，这种现象称为毛细现象。毛细管中液面上升或下降的高度与液体的表面张力有关。

（3）流体的运动参数：流体的运动可分解为平移、旋转和变形三种状态，描写这三种状态的运动参数有速度、加速度、角速度等。

（4）运动流体的基本方程式 ：

①连续方程式v1A1=v2A2

②动量方程式ΣF=m（v1-v2

IM411032 流体的阻力及损失式

流体的阻力是造成能量损失（即阻力损失）的原因。一种是由于流体的黏滞性和惯性引起的沿程阻力损失；另一种是由于管路界面突然扩大或缩小等原因，固体壁面对流体的阻滞作用和扰动作用引的称为局部阻力损失。

液体阻力损失通常用单位重量流体的能量损失（或称水头损失）h1来表示，气体则常用单位体积内的流体的能量损失（或称压强损失）》p1来表示。

（1）沿程阻力与沿程阻力损失

（2）局部阻力与局部阻力损失

（3）层流阻力与紊流阻力

化，显示出不规则性，但是整个流体仍沿着主流方向运动o

*在圆管中，流体的流动状态和平均流速v、管径d运动黏滞系数 有关。将上述三个参数合成一个无因次数，称为雷诺数，用Re表示。

实验表明，临界雷诺数值约为20000.雷诺数大于2000时，流态为紊流；雷诺数小于2000时为层流。紊流阻力比层流阻力大得多。

（4）流体能量总损失

*根据长期实践的经验，把能量损失的计算问题转化为求阻力系数的问题。把能量损失写成流速水头倍数的形式，在列能量方程时，可以把它与流速水头合并成一项以便于计算。由于影响的因素复杂，公式中两个无因次系数入和串，必须借助分析一些典型的实验成果，用经验的或半经验的方法求得。

*流体能量总损失：

流体能量总损失等于各管段沿程损失与各局部损失的总和。

（5）减少阻力的措施

*减小管壁的粗糙度和用柔性边壁代替刚性边壁；

*防止或推迟流体与壁面的分离，避免旋涡区的产生或减小旋涡区的大小和强度。

*对于管道的管件采取的减小阻力措施：一般直径d较小的弯管，合理地采用曲率半径尺，可以减少阻力。截面较大的通风弯管需安装形式合理的导流片，达到减少局部阻力的效果。对于管子截面变化的变径管，应采用一定长度的渐缩管或渐扩管。对于三通或四通可设置导流隔板。

*在流体内部投加极少量的添加剂，使其影响流体运动的内部结构来实现减阻。

（6）减少泵与风机的能量损失

*泵与风机的能量损失通常其产生原因分为三类，即水力损失、容积损失、机械损失。

*水力损失：大小与过流部件的几何形状、壁面粗糙度以及流体的黏性密切相关。水力损失包括：进口损失、撞击损失、叶轮中的水力损失、动压转换和机壳出口损失。

*容积损失；通常用容积效率表示容积损失的大小。减小回流量的措施通常是尽可能增加密封装置的阻力；尽可能缩小密封环的直径，从而降低其周长流通面积减少。

*机械损失：泵和风机的机械损失包括轴承和轴封的摩擦损失；叶轮转运时其外表与机壳内流体之间发生的圆盘摩擦损失。通常用机械效率表示机械损失的大小。

*泵与风机的全效率等于水力效率、容积效率、机械效率的乘积。

*泵与风机的实际性能曲线：流量与扬程（Q-H）曲线大致可分为三种： a为平坦型，b为陡降型c为驼峰型。平坦型的流量与扬程曲线表示当流量变动很大时能保持基本恒定的扬程。陡降型曲线则相反，郧流量变化时，扬程的变化相对较大。驼峰型曲线表示当流量是自零逐渐增加时，扬程上升达到最高值后开始下降。驼峰型的泵或风机在一定的运行条件中，可能出现不稳定工作，这种不稳定工作，显然应当避免。

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（责任编辑：中大编辑）

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