【正文】 LIUTI LIXUE BENG YU FENGJI 高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設備類類專業(yè)規(guī)劃教材 1 第一部分 流體力學 3 一元流體動力學 流 體 力 學 泵 與 風 機 2 【 知識點 】 研究流體運動的兩種方法，描述流體運動的基本概念，恒定流連續(xù)性方程式，恒定流能量方程式，流體動力學基本方程的應用等。 【 能力目標 】 了解： 描述流體運動的兩種方法； 理解： 流體運動的基本概念，如流線、恒定流、漸變流等； 熟練掌握： 恒定流連續(xù)性方程式，恒定流能量方程式及其方程式的意義，氣流方程表達式與液流方程表達式的區(qū)別，動力學基本方程式在工程中的應用，以及管路水頭線 ﹑ 壓力線的繪制。 3 一元流體動力學 3 在自然界或工程實際中，流體的靜止、平衡狀態(tài)，都是暫時的、相對的，是流體運動的特殊形式，運動才是絕對的。流體最基本的特征就是它的流動性。因此，進一步研究流體的運動規(guī)律具有更重要、更普遍的意義。 流體動力學就是研究流體運動規(guī)律及其在工程上的實際應用的科學。本章研究流體的運動要素 —— 壓強、密度、速度、作用力、加速度間的相互關(guān)系；并根據(jù)流體運動實際情況，研究反映流體運動基本規(guī)律的三個方程式，即：流體的連續(xù)性方程式、能量方程式和動量方程式。這三個方程式，稱為流體動力學三大基本方程式，它們在整個工程流體力學中占有非常重要的地位。本章只研究常使用的連續(xù)性方程式和能量方程式。 3 一元流體動力學 4 流體靜力學與流體動力學的主要區(qū)別是：一是在進行力學分析時，靜力學只考慮作用在流體上的重力和壓力；動力學除了考慮重力和壓力外，由于流體運動，還要考慮因流體質(zhì)點速度變化所產(chǎn)生的慣性力和流體流層與流層間、質(zhì)點與質(zhì)點間因流速差異而引起的黏滯力。二是在計算某點壓強時，流體的靜壓強只與該點所處的空間位置有關(guān)，與方向無關(guān)；動力學中的壓強，一般指動壓強，不僅與該點所處的空間位置有關(guān)，還與方向有關(guān)。但是由理論推導可以證明，任意一點在三個正交方向上流體動壓強的平均值是一個常數(shù)，不隨這三個正交方向的選取而變化，這個平均值作為點的動壓強，它也只與流體所處的空間位置有關(guān)。因此，為不至于混淆，流體流動時的動壓強和流體靜壓強均可簡稱為壓強。 3 一元流體動力學 5 研究流體運動的兩種方法 1 描述流體運動的基本概念 2 恒定流連續(xù)性方程式 3 恒定流能量方程式 4 流體動力學基本方程的應用 5 3 一元流體動力學 6 在研究流體運動時，我們把充滿運動流體的空間稱為流場。流體只能以一定形式在流場中運動。因流場中的質(zhì)點是連續(xù)的，所以表征質(zhì)點運動和物性的運動要素（如壓強、流速、密度等）在流場中也是連續(xù)的。研究流體運動的主要目的就是把整個流場中的運動情形描寫出來。根據(jù)著眼點不同，有兩種具體方法：拉格朗日法和歐拉法。 研究流體運動的兩種方法 7 拉格朗日法是著眼于流體質(zhì)點，先跟蹤個別流體質(zhì)點，研究其壓強、流速、密度等隨時間的變化，然后將流場中所有質(zhì)點的運動情況綜合起來，就得到流場的運動。 拉格朗日法的特點是追蹤流體質(zhì)點的運動，這和研究固體質(zhì)點運動的方法完全相同，因而它的優(yōu)點就是可以直接運用固體力學中早已建立的質(zhì)點系動力學來進行分析。然而，由于流體質(zhì)點的運動軌跡非常復雜，實際上難以實現(xiàn)，因此，拉格朗日法在流體動力學的研究中很少采用。 拉格朗日法 研究流體運動的兩種方法 8 歐拉法是以流體運動所處的固定空間為研究對象，考察每一時刻通過各固定點、固定斷面或固定空間的流體質(zhì)點的運動情況，從而確定整個流體的運動規(guī)律，這種方法稱為歐拉法。 實際上，絕大多數(shù)的工程問題并不要求追蹤質(zhì)點的來龍去脈，而只分析一些有代表性的斷面、位置上流體的速度、壓強等運動要素的變化情況。只要分析出每一時刻流體質(zhì)點經(jīng)過水嘴處，門窗洞口斷面上，工作區(qū)間內(nèi)時的運動要素，就能確定其運動規(guī)律。這種方法比較簡單，在流體動力學的研究中，得到廣泛的采用。在以后的討論中，如不加說明，均以歐拉法為描述問題的方法。 歐拉法 研究流體運動的兩種方法 9 流體運動時，流體充滿整個流動空間并在壓力作用下的流動，稱為壓力流。壓力流的特點是沒有自由表面，且流體對固體壁面的各處包括頂部（如管壁頂部）有一定的壓力，如 圖 （ a） 所示。 液體流動時，具有與氣體相接觸的自由表面，且只依靠液體自身重力作用下的流動，稱為無壓流。無壓流的特點是具有自由表面，液體的部分周界與固體壁面相接觸，如 圖 （ c） 所示。 描述流體運動的基本概念 壓力流與無壓流 10 在壓力流中，流體的壓強一般大于大氣壓強（水泵吸水管等局部地區(qū)可以小于大氣壓強），工程實際中的給水、采暖、通風等管道中的流體運動，都是壓力流。在無壓流中，自由表面上的壓強等于大氣壓強，實際工程中的各種排水管、明渠、天然河流等液流都是無壓流。在壓力流與無壓流之間有一種滿流狀態(tài)，如圖 （ b） 所示。其流體的整個周界均與固體壁面相接觸，但對管壁頂部沒有壓力。在工程中，近似地按無壓流看待。 描述流體運動的基本概念 11 流體運動時，流體任意一點的壓強、流速、密度等運動要素不隨時間而發(fā)生變化的流動，稱為恒定流。如 圖 （ a）所示，水從水箱側(cè)孔出流時，由于水箱上部的水管不斷充水，使水箱中水位保持不變，因此水流任意點的壓強、流速均不隨時間改變，所以是恒定流。 恒定流與非恒定流 描述流體運動的基本概念 12 流體運動時，流體任意一點的壓強、流速、密度等運動要素隨時間而發(fā)生變化的流動，稱為非恒定流。如圖 （ b） 所示，水從水箱側(cè)孔出流時，由于水箱上無充水管，水箱中的水位逐漸下降，造成水流各點的壓強、流速均隨時間改變，所以是非恒定流。工程流體力學以恒定流為主要研究對象，水暖通風工程中的一般流體運動均按恒定流對待。 描述流體運動的基本概念 13 流線是指同一時刻流場中一系列流體質(zhì)點的流動方向線，即在流場中畫出的一條曲線，在某一瞬時，該曲線上任意一點的流速矢量總是在該點與曲線相切。如圖 ，由于流體的每個質(zhì)點只能有一個流速方向，所以過一點只能有一條流線，或者說流線不能相交；流線只能是直線或光滑曲線，而不能是折線，否則折點上將有兩個流速方向，這顯然是不可能的。因此，流線可以形象地描繪出流場內(nèi)的流體質(zhì)點的流動狀態(tài)，包括流動方向和流速的大小，流速大小可以由流線的疏密得到反映 。流線是歐拉法對流動的描繪，如圖。 流線與跡線 描述流體運動的基本概念 14 跡線是指某一流體質(zhì)點在連續(xù)時間內(nèi)的運動軌跡。 流線和跡線，是兩個截然不同的概念，學習時應注意區(qū)別。對于恒定流，因為流速不隨時間變化，流線與跡線完全重合，所以可以用跡線來反映流線。 描述流體運動的基本概念 15 一元流是指流速等運動要素只是一個空間坐標和時間變量的函數(shù)的流動。如管道內(nèi)的流動，當忽略橫向 尺寸 上各點速度的差別時，速度只沿管長 x方向上有變化，其他方向無變化，這就是一元流動。其數(shù)學表達式為： 二元流是指流速等運動要素是兩個空間坐標和時間變量的函數(shù)的流動。如流體流過無限長圓柱的流動就屬于二元流動，其數(shù)學表達式為： ),( txfv x ?),(),(21tyxfvtyxfvyx?? 一元流、二元流和三元流 描述流體運動的基本概念 16 流體流過有限長圓柱時，圓柱兩端亦有繞流，這時流速等運動要素是三個空間坐標