第一章流体力学基础知识.doc

第一章 流 体 力 学 基 本 知 识学习本章的目的和意义： 流体力学基础知识是讲授建筑给排水的专业基础知识，只有掌握了该部分知识才能更好的理解建筑给排水课程中的相关内容§1-1 流体的主要物理性质1． 本节教学内容和要求 ：1.1 本节教学内容：流体的 4 个主要物理性质1.2 教学要求：（1） 掌握并理解流体的几个主要物理性质（2） 应用流体的几个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：流体的粘滞性和粘滞力重点：牛顿运动定律的理解2．教学内容和知识要点：2.1 易流动性（1）基本概念：易流动性——流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形的性质称易流动性流体也被认为是只能抵抗压力而不能抵抗拉力易流动性为流体区别与固体的特性2.2 密度和重度（1）基本概念：密度——单位体积的质量，称为流体的密度即：ρ = VMM——流体的质量，kg ;V——流体的体积，m 3 常温，一个标准大气压下 Ρ 水 =1×103kg/ m3Ρ 水银 =13.6×103kg/ m3基本概念：重度：单位体积的重量，称为流体的重度重度也称为容重γ =VGG——流体的重量，N ;V——流体的体积，m 3 。

∵G=mg ∴γ=ρg 常温，一个标准大气压下 γ 水 =9.8×103kg/ m3γ 水银=133.28×103kg/ m3密度和重度随外界压强和温度的变化而变化液体的密度随压强和温度变化很小，可视为常数，而气体的密度随温度压强变化较大2..3 粘滞性（1）粘滞性的表象基本概念：流体在运动时抵抗剪切变形的性质称为粘滞性当某一流层对相邻流层发生位移而引起体积变形时，在流体中产生的切力就是这一性质的表现为了说明粘滞性由流体在管道中的运动速度实验加以分析说明用流速仪测出管道中某一断面的流速分布如图一所示设某一流层的速度为 u,则与其相邻的流层为 u+du,du 为相邻流层的速度增值，设相邻流层的厚度为 dy，则 du/dy 叫速度梯度由于各流层之间的速度不同，相邻流层间有相对运动，便在接触面上产生一种相互作用的剪切力，这个力叫做流体的内摩擦力，或粘滞力平板实验（2）牛顿内摩擦定律基本概念：牛顿在平板实验的基础上于 1867 年在所著的《自然哲学的数学原理》中提出了流体内摩擦力的假说——牛顿内摩擦定律：当切应力一定时，粘性越大，剪切变形的速度越小，所以粘性又可定义为流体阻抗剪切变形速度的特性。

μ——是比例系数，称为动力粘度，μ 越大，流体越粘，流动性越差单位为 Pa..sν ——运动粘度，m 2/s; ν=μ/ρ液体的粘度随温度升高而减小——分子间的引力即内聚力是形成粘性的主要因素；气体的粘度是随温度的升高而增大——分子间的热运动而引起的动量交换是形成粘滞性的主要因素需要强调的是：牛顿内摩擦定律只适用于牛顿流体和层流运动，牛顿流体是指在温度不变的情况下切应力 τ 与流速梯度 成正比，这时粘滞系数 μ 为常数对于静止液体，液体质点之间没有相对运动，因而也就不存在粘滞性3.）理想流体基本概念：所谓理想流体是指无粘滞性，即 μ=0例 一平板在油面上作水平运动，已知平板的运动速度为 40cm./s，有层厚度为 5mm,油的动力粘度 μ=0.1Pa..s，求作用于平板单位面积上的粘性阻力2.4 压缩型和膨胀性（1）液体的压缩性和膨胀性基本概念：压缩性是流体受压，分子间距离缩小，体积缩小的性质液体的压缩性通常用压缩系数来表示膨胀性当作用于流体上的温度升高，体积膨胀，温度降低体积收缩称为流体的膨胀性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都比较小如水压强增加一个大气压，体积压缩率约为 1/20000，在常温下，温度升高 1℃，体积膨胀率约为1.5/100000（２）气体的压缩性和膨胀性气体的压缩型和膨胀性比较显著，在常温下符合理想气体状态方程，即 P/ρ =RT.。

§1-2 流体静压强及其分布规律１． 本节教学内容和要求 ：1.1　本节教学内容：（１）静水压强的两个特性及有关基本概念２）重力作用下静水压强基本公式和物理意义３）静水压强的表示和计算1.2 　教学要求：（１）正确理解静水压强的两个重要的特性和等压面的性质２）掌握静水压强基本公式和物理意义，会用基本公式进行静水压强计算３）掌握静水压强的单位和三种表示方法：绝对压强、相对压强和真空度；理解位　　　　　置水头、压强水头和测管水头的物理意义和几何意义４）掌握静水压强的测量方法和计算1.3 教学难点和重点：难点：静水压强的两个特性及有关基本概念重力作用下静水压强基本公式和物理意义静水压强的表示和计算　　　　重点：重力作用下静水压强基本公式和物理意义2．教学内容和知识要点：2.1 　流体静压强及其特性（１）基本概念：取静止流体中的隔离体，设作用于隔离体上某一微小面积△w　上的总压力　　 为△P ，则△w 面上的平均压强为：p = △P/△w（N/m 2）当所取的面积无限缩小为一点，则平均压强的极限值为这个极限值称为该点的静压强2）流体静压强的单位是帕（牛/米 2） ，以 Pa 表示1Pa=1 N/m2，10 5 Pa 称为 1 巴（bar）.（3）流体静力学的两个特征：a..流体静压强必定沿着作用面的内法线方向。

b.任一点的流体静压强只有一个值，它不因作用面的方位改变而改变2.2 流体静压强的分布规律在静止流体中去上表面与流体自由表面相重合的微小柱体，其底面积为△w，高为 h，其自由表面的压强 p0,则该微小柱体沿垂直方向的受力分别为自由面的压力 ，重力 ，下底面的静水压力 侧面的静水压力与轴垂直， 在轴向投影为零此铅直小圆柱体处于静止状态，故其轴向力平衡为：化简后的：——静止液体中任一点的压强；——表面压强；——液体的容重；——所研究的点在自由表面下的深度此方程式为静水压强的基本方程式，又称静水力学基本方程式该方程式的含义：a. 静水压强与水深成正比的直线分布规律；b. 作用于液面上的表面压强是等值地传递到静止液体的每一点上；c. 方程适用于静止气体压强的计算，p=p 0.；d. 压强只与深度有关，而与受压面的大小，形状无关应用静水压强方程式分析问题时，要抓住等压面这个概念 等压面——流体中压强相等的点组成的面叫等压面推论：静止连续的同种液体的水平面是等压面；静止的互不混杂的两种液体的交界面是等压面2.3 压强的计量单位与表示方法(1) 压强的计量单位：a 从压强的定义出发——单位面积上的力，N/m 2b 大气压强的倍数1 个标准大气压（0 度，纬度为 45 度的海平面上的压强,用 atm 表示）1atm=760mm 汞柱对底部产生的压强1atm=1.013*105Pa1 个工程大气压（海拔 200m 的正常大气压，用 at 表示）1at=736nn 汞柱对底部产生的压强。

1at=9.8*104Pac 用液柱的高度表示——常用水柱高度或汞柱高度表示(2) 压强的表示方法;a. 绝对压强——以完全真空作为压强的起点叫绝对压强 （p’）b. 相对压强——以当地大气压强 pa 作为压强起点记的压强叫响度压强 p. p= p’ –pa以后所指的压强均为相对压强，除非给出特殊说明绝对压强永远为正，而相对压强可正可负c. 真空压强——指流体中某点的绝对压强小于大气压强的部分，而不是指绝对压强本身（也就是该点点相对压强的绝对值） （pv）Pv=pa-p’§1-3 流体运动的基本知识1、 本节教学内容和要求 ：1.1 本节教学内容：(1) 液体运动的基本概念，包括流线和迹线，元流和总流，过水断面、流量和断面平均流速 ，恒定流和非恒定流，均匀流和非均匀流，渐变流和急变流2）恒定总流连续性方程3）恒定总流的能量方程1.2 教学要求：（1）理解液体运动的基本概念，包括流线和迹线，元流和总流，过水断面、流量和断面平均流速 ，恒定流和非恒定流，均匀流和非均匀流，渐变流和急变流2）掌握并会应用恒定总流连续性方程3）掌握并会应用恒定总流的能量方程解决一些工程实践中的问题1.3 教学难点和重点：难点：恒定总流的能量方程。

重点：恒定总流连续性方程，恒定总流的能量方程2．教学内容和知识要点：2.1 流体运动的基本概念:a. 压力流和无压流 压力流：流体在压差作用下流动，流体整个周围都和固体笔相接触，没有自由表面无压流：液体在重力作用下流动时，液体的部分周界与固体壁面相接处，不分界面与大气相接触，形成自由表面b. 恒定流域非恒定流恒定流：流场中液体质点通过空间点时所有的运动要素都不随时间而变化的流动称为恒定流；非恒定流：反之，只要有一个运动要素随时间而变化，就是非恒定流非恒定流的流速、压强等运动要素是时间的函数，由于描述液体运动的变量增加，使得水流运动分析更加复杂和困难虽然自然界的水流绝大部分是非恒定流，但在一定条件下，常将非恒定流简化为恒定流进行讨论本课程主要讨论恒定流运动c. 迹线与流线迹线： 迹线是液体质点运动的轨迹，它是某一个质点不同时刻在空间位置的连线，迹线必定与时间有关 流线：流线是某一瞬间在流场中画出的一条曲线，这个时刻位于曲线上各点的质点的流速方向与该曲线相切对于恒定流，流线的形状不随时间而变化，这时流线与迹线互相重合；对于非恒定流，流线形状随时间而改变，这时流线与迹线一般不重合流线有两个重要的性质，即流线不能相交，也不能转折，否则交点（或转折）处的质点就有两个流速方向，这与流线的定义相矛盾。

也可以说某瞬时通过流场中的任一点只能画一条流线流线的形状和疏密反映了某瞬时流场内液体的流速大小和方向，流线密的地方表示流速大，流线疏处表示流速小d. 均匀流与非均匀流均匀流：流线是相互平行的直线的流动称为均匀流这里要满足两个条件，即流线既要相互平行，又必须是直线，非均匀流：其中有一个条件不能满足，这个流动就是非均匀流均匀流的概念也可以表述为液体的流速大小和方向沿空间流程不变流动的恒定、非恒定是相对时间而言，均匀、非均匀是相对空间而言；恒定流可是均匀流，也可以是非均匀流，非恒定流也是如此，但是明渠非恒定均匀流是不可能存在的，请注意区分均匀流具有下列特征：1）过水断面为平面，且形状和大小沿程不变；2）同一条流线上各点的流速相同，因此各过水断面上平均流速 v 相等；3）同一过水断面上各点的测压管水头为常数e. 元流、总流、过水断面、流量与断面平均流速元流：元流是横断面积无限小的流束，它的表面是由流线组成的流管总流：由无数个元流组成的宏观水流称为总流过水断面：与元流或总流的所有流线正交的横断面称为过水断面过水断面的形状可以是平面（当流线是平行的直线时）或曲面（流线为其它形状） 流量：单位时间内流过某一过水断面的液体体积称为流量，流量用 Q表示，单位为（m3/s） 。

引入元流概念的目的有两个：1） 、元流的横断面积 dA 无限小，因此dA 面积上各点的运动要素（点流速 u 和压强 p）都可以当作常数；2） 、元流作为基本无限小单位，通过积分运算可求得总流的运动要素元流的流量为 dQ=udA，则通过总流过水断面的流量 Q 为Q=∫dQ=∫AudA （3—1）断面平均流速：一般情况下组成总流的各个元流过水断面上的点流速是不相等的，而且有时流速分布很复杂为了简化问题的讨论，我们引入了断面平均流速 v 的概念这是恒定总流分析方法的基础，也称为一元流动分析法，即认为液体的运动要素只是一个空间坐标（流程坐标）的函数断面平均流速 v 等于通过总流过水断面的流量 Q 除以过水断面的面积 A，即 V＝Q/A2.2 恒定一元流的连续性方程根据质量守恒定律可以导出没有分叉的不可压缩液体一维恒定总流任意两个过水断面的连续性方程有下列形式Q1=Q2 或 v 1A1。