流体第1章环境.ppt

工 程 流 体 力 学 Engineering Fluid Mechanics,土木与环境工程学院环境工程系 谢 振 华 E-mail： xiezhenhsohu.com Tel：62311686 13021233822,课 程 简 介,课程性质：本课程是环境工程专业的一门专业基础必修课，先修课程为高等数学、工程力学等。要求掌握流体力学的基本概念、基本理论和基本方法，能应用所学知识解决工程实际中的流体力学问题，并为后续课程的学习打下基础。 学时：课堂教学36学时，考试2学时，实验6学时（大概安排在第78周）。 教学参考书 1 孔珑 主编. 工程流体力学（第三版）. 中国电力出版社，2007 2 赵汉中 主编. 流体力学. 华中科技大学出版社，2005,课程简介内容与要求,课程内容：包括绪论、流体静力学、流体动力学基础、黏性流体运动及其阻力计算、有压管流和孔口、管嘴出流、相似原理和量纲分析、流体机械（泵与风机）等。 学习基本要求：1）上课认真听讲；2）上课积极思考并回答提问；3）认真完成作业；4）预习实验、做好实验、完成实验报告。 课程考核：综合考虑考试成绩、实验课成绩和平时成绩，考试成绩占85%，实验课成绩和平时成绩占15%。按时上课，缺课三次以上（含三次）将不能参加考试。,第1章 绪 论,1.2 流体质点与连续介质的概念,1.1 流体力学的研究对象、发展概况和研究方法,1.3 流体的主要物理性质,1.1.1 流体力学的研究对象流体Fluid 什么是流体?,1.1 流体力学的研究对象、发展概况和研究方法,流体的定义 在静力平衡时，不能承受拉力或剪力的物质就是流体。,1.1.1 流体力学的研究对象,对流体定义的理解： 1）不能承受拉力，因而流体内部永远不存在抵抗拉伸变形的拉应力； 2）不能承受剪力，即任何微小的剪切力都会导致流体连续变形、平衡破坏，产生流动。 例如：铆接金属板。,1.1.1 流体力学的研究对象,1.1.1 流体力学的研究对象,流体的分类,固体：属于非流体，有一定的形状和一定的体积；,液体：属于流体，有一定的形状和一定的体积；,气体：属于流体，既无一定的形状，也无一定的体积。,物质种类,Solid,Liquid,Gas,1.1.1 流体力学的研究对象,1）液体：液体的体积与盛装液体的容器大小无关，有自由面。分子间的空隙大约等于其分子的平均直径。 2）气体：充满所占的空间，气体的形状和体积与空间有关。气体的显著特点是其分子间距大，因而密度较低。分子的平均间距约为分子平均直径的10倍。 注意：1）各种状态之间的转化；2）气体与蒸汽(如水蒸气、氨等)不同。,液体和气体的特征,1.1.2 流体力学的发展概况,流体力学(Fluid Mechanics)的任务是研究流体的平衡和机械运动的规律，以及这些规律在工程实际中的应用，它属于力学的一个分支。 流体力学的研究和其他自然科学研究一样，是随着生产的发展需要而发展起来的。,1.1.2 流体力学的发展概况,流体力学的两条发展途径：,1）古典流体力学（理论流体力学Theoretical）：是连续介质力学的一个组成部分，属基础科学，如化学流体力学、电磁流体力学等。奠基人是伯努利和欧拉，还有拉格朗日、纳维尔、斯托克斯和雷诺等人。由于各种困难，无法解决实际问题。,2）水力学（工程流体力学Engineering）：是工程力学的一个组成部分，属应用科学，如环境流体力学、空气动力学、渗透力学、生物流体力学、地球流体力学等。卓越成就的工程师包括毕托、蔡西、文丘里、达西、曼宁、佛汝德等人。应用上有一定的局限性，难以解决复杂的工程问题。,1.1.2 流体力学的发展概况,随着各种新技术和计算机技术的发展，两者之间的差异逐步消失。流体力学既是一门基础科学，又是一门应用科学。工程流体力学偏重于工程应用。 流体力学的应用：在航空航天工业、环境保护、采矿工业、造船工业、电力工业、水资源利用、水利工程、核能工业、机械工业、冶金工业、化学工业、石油工业、交通运输、生物医学等广泛领域，都应用到现代流体力学的有关知识。 流体是许多工科专业的一门基础课程。,流体力学是众多应用科学和工程技术的基础。,由于空气动力学的发展，人类研制出3倍声速的战斗机。,F-16,使重量超过3百吨，面积达半个足球场的大型民航客机，靠空气的支托象鸟一样飞行成为可能，创造了人类技术史上的奇迹。,人类制造出航天飞机，实现了登月的梦想。,设计并制造出单价超过10亿美元，能抵御大风浪的海上采油平台；,排水量达50万吨以上的超大型运输船；,航速达30节，深潜达数百米的核动力潜艇；,时速达200公里的新型地效艇等，它们的设计都建立在水动力学、船舶流体力学的基础之上。,用翼栅及高温、化学、多相流动理论设计制造成功大型气轮机、水轮机、涡喷发动机等动力机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力。,汽轮机叶片,大型水利枢纽工程、超高层建筑、大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,大型水利枢纽工程、超高层建筑、大跨度桥梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。,21世纪人类面临许多重大问题的解决，需要流体力学的进一步发展，它们涉及人类的生存和生活质量的提高。,全球气象预报 （卫星云图）,环境与生态控制,灾害预报与控制,火山与地震预报,发展更快更安全更舒适的交通工具,各种工业装置的优化设计，降低能耗，减少污染等等。,流体力学需要与其他学科交叉，如工程学、地学、天文学、物理学、材料科学、生命科学等，在学科交叉中开拓新领域，建立新理论，创造新方法。,星云,流体力学需要与其他学科交叉。,毛细血管流动,工程学、材料学、气象学,流体力学需要与其他学科交叉。,流体力学发展总结,没有流体力学的发展，现代工业和高新技术的发展是不可能的。 流体力学在推动社会发展方面作出过重大贡献，今后仍将在科学与技术各个领域发挥更大的作用。,1.1.3 流体力学的研究方法,Theoretical methods,Experimental methods,Calculated methods,1.1.3 流体力学的研究方法,1）理论方法：通过分析、观察提出适当的假定，抽象出理论模型，建立方程组，运用数学工具寻求流体运动的普遍解。 2）实验方法：它将实际流动问题概括为相似的实验模型，利用风洞、水池、水洞等实验装置，在实验中观测现象、测定数据并进而按照一定方法推测实际结果，得到经验公式。 3）计算方法：根据理论分析与实验观测拟定计算方案，使用有限差分法、有限元法，通过编制程序输入数据用计算机算出数值解。如应用于飞机外形设计、环境污染预报、可控核聚变等。 综合应用三种方法。,1.1.4 流体力学的工程应用,环境工程(Environment engineering)中的应用： 1）在废水处理工程中，液体对容器壁的作用力、液体的运动规律、流量的确定、管路的水力计算、水泵的选择等； 2）在通风除尘及空调工程中，风流在管道及有限空间中的流动规律、风量的确定、通风阻力的计算、风机的选择、除尘器的效率分析等。 自然界与工程技术中的流体力学问题：包括大气与海洋、石油与化工、流体机械、航空与航天、能源、环境保护、土木与建筑、交通运输、生物及其他。,例如：三峡工程。1992年4月3日，第七届全国人民代表大会第五次会议以压倒优势通过了关于兴建长江三峡工程的决议。 三峡工程的受益： 1）在防洪方面，三峡工程控制流域面积100万km2，能直接控制荆江河段洪水来量95%以上，武汉以上洪水来量的2/3。 2）在发电方面，装机1768万千瓦，年发电来量840亿千瓦小时。 3）在航运方面，宜昌至重庆河段的航运条件可得到根本改善，万吨级船队可全年直达重庆。,1.1.4 流体力学的工程应用,这一宏伟的工程涉及许多复杂的流体力学问题。 例如，蓄水后通过溢流坝下泄的最大流量高达每秒10万m3，水头高达100m，最大流速高达每秒45m（比百米短跑世界速度还要快34倍）。这样巨大的能量产生巨大的破坏力，引起堤坝冲刷、空蚀、振动。这就需要在水工水力学设计方面采取许多措施。 再如，在决策兴建三峡工程之前，许多人担心一旦发生战争，溃坝是否是否会给下游带来毁灭性的灾难？,1.1.4 流体力学的工程应用,流体力学专家参与的溃坝模型实验表明，由于三峡水库的水体分布在一条580多km长的条带上，溃坝时水库水体不可能全部一涌而出。特别是三峡坝下40km左右峡谷河段的约束作用，使水流与弯曲河道两岸的山体相撞击，生产反方向的巨浪，使得下泄水体的流速逐渐变缓。再加上主动分洪泄洪等措施，三峡万一溃坝所造成的洪水灾害再大也大不过一场天然大洪水。但是要不修三峡工程，人们却经常要遭受这种天然大洪水的威胁。两相权衡，究竟该作何选择不就很清楚了吗？ 此外，有关通航、泥沙淤积、高围堰与渗流等许多问题，都离不开流体力学专家参与研讨。,1.1.4 流体力学的工程应用,1.2 流体质点与连续介质的概念,1.2.1 流体质点(Fluid particle)的概念 流体具有三个物质基本属性： 1）由大量分子组成； 2）分子不断作随机热运动； 3）分子与分子之间存在着分子力的作用。 从微观结构上看，流体分子具有一定的形状，因而分子与分子之间必然存在着一定的间隙。 但是对于研究流体宏观规律的流体力学来说，一般不需要考虑分子的微观结构。 定义：流体质点是指流体中宏观尺寸非常小而微观尺寸又足够大的任意一个物理实体。,1.2 流体质点与连续介质的概念,1.2.1 流体质点的概念 流体质点包括4个方面的含义: 1）流体质点的宏观尺寸非常小。流体质点所占据的宏观体积极限为零。 2）流体质点的微观尺寸足够大。在流体质点内任何时刻都包含有足够多的流体分子。 3）流体质点具有质量、密度、压强、流速、动量等宏观物理量。 4）流体质点的形状可以任意划定，质点和质点之间可以没有空隙。,1.2 流体质点与连续介质的概念,1.2.2 连续介质(Continuous medium)的概念 由于假定组成流体的最小物理实体是流体质点而不是流体分子，因而也就假定流体是由无穷多个、无穷小的、紧密毗邻、连绵不断的流体质点组成的一种绝无间隙的连续介质。 通常把流体中任意小的一个微元部分叫作流体微团，当流体微团的体积无限缩小并以某一坐标点为极限时，流体微团就成为处在这个坐标点(x,y,z)上的一个流体质点，它在任何瞬时t都应该具有一定的物理量，如质量、密度、压强、流速等。 连续介质假设的重要作用：可以运用连续函数和场论等数学工具研究流体运动和平衡问题。,1.3 流体的主要物理性质,1.3.1 流体的密度与重度(Density & Specific Weight),流体的密度,如果流体是均质的，则,流体的重度,对于流体是均质的，则,密度的单位为kg/m3, g/cm3等，重度的单位为N/m3，重力加速度g为9.806m/s2。各种常见流体在一个标准大气压下的密度、重度值见表1.1和表1.2。,1.3.2 黏性(Viscosity),流体运动时，其内部质点沿接触面相对运动，产生内摩擦力以抗阻流体变形的性质，就是流体的黏性。 1. 牛顿内摩擦定律与流体的黏度,流体上下层之间产生内摩擦力，这种内摩擦力阻止两相邻的流体层作相对运动，从而表现为阻止流体的变形。,h,1.3.2 黏性(Viscosity),内摩擦切应力,设流体中的速度为线性分布，则,称为流体的动力黏性系数或动力黏度，它能反映流体黏性的大小，随流体的不同而有不同的值，故常称为绝对黏度。的单位为Ns/m2或 Pas。,1.3.2 黏性(Viscosity),上式称为牛顿内摩擦定律或黏性定律，它表明了流体作层状运动时，流体内摩擦力的变化规律。,若流体中的速度u为非线性分布，如图所示，则流体中的切应力是逐点变化的，有：,1.3.2 黏性(Viscosity),牛顿内摩擦定律适用于空气、水、石油等环境工程中常用的流体。凡内摩擦力按这个定律变化的流体称为牛顿流体，否则为非牛顿流体。,非牛顿流体有三种不同类型： 第一种是塑性流体，如凝胶、牙膏等。 第二种是假塑性流体，如泥浆、纸浆、高分子溶液等。 第三种是胀塑性流体，如乳化液、油漆、油墨等。,1.3.2 黏性(Viscosity),流体的的动力黏性系数与其密度之比，称为流体的运动黏性系数，用表示，即,运动黏性系数也称运动黏度，单位为m2/s或cm2/s等。 的物理意义是单位速度梯度下的切应力。的物理意义是动力黏度与密度之比，如果两种流体密度相差很多，单从的值判断不出它们黏性的大小。值只适合于判别密度几乎恒定的同一种流体在不同温度和压强下黏性的变化情况。常见流体的黏度见表1.1和表1.2。,1.3.2 黏性(Viscosity),2. 黏度的测定 流体黏度的测定方法有两种。一种是直接测定法，所用黏度计有转筒式、毛细管式、落球式等； 另一种方法是间接测定法，在这种方法中首先利用仪器测定经过某一标准孔口流出一定量流体所需的时间，然后再利用仪器所特有的经验公式间接地算出流体的黏度。这种方法所用的仪器简单、操作方便，故多为工业界所采用。,恩氏黏度计,1.3.2 黏性(Viscosity),例题1.1 如图所示，轴置于轴套中，其间充满流体。以90N的力F，从左端推轴向右移动。轴移动的速度v为0.122m/s，轴的直径d为75mm，轴宽l为200mm。求轴与轴套间流体的动力黏性系数。,解 由于轴与轴套间距h很小，可以认为流体的速度按线性规律分布，则,式中，,故,1.3.2 黏性(Viscosity),3. 黏度的变化规律 流体的黏度随温度和压强而变化。但压强对黏度的影响较小，在一般情况下可忽略不计，仅考虑温度对流体黏性的影响。 液体的动力黏度与温度的关系，可由下式表示：,气体的动力黏度与温度的关系，可由下式确定：,1.3.2 黏性(Viscosity),几种液体与气体的动力黏度随温度的变化曲线如图1.8所示；其运动黏度随温度的变化曲线如图1.9所示。常压下不同温度时水与空气的黏度值如表1.4所示。,1.3.2 黏性(Viscosity),表1.4 常压下水与空气的黏度值,由图1.8、1.9和表1.4可以看出，液体和气体的黏度变化规律是迥然不同的。 液体的运动黏性系数随温度升高而减小，气体的运动黏性系数随温度的升高而增大。这是由于液体与气体具有不同的分子运动状态。,1.3.2 黏性(Viscosity),1.3.2 黏性(Viscosity),在液体中，分子间相互作用力较强，因而阻止了质点间相对滑动而产生内摩擦力，即表现为液体的黏性。当液体的温度升高时，分子间距加大，引力减弱，因而黏性降低。 在气体中，分子间距大，两相邻流体层间进行动量交换，从而阻止了质点间的相对滑动，呈现出黏性。而分子引力的作用，相比之下微乎其微，忽略不计。当气体的温度升高时，内能增加，分子运动更加剧烈，动量交换更大，阻止相对滑动的内摩擦力增大，所以黏度增大。,1.3.2 黏性(Viscosity),4. 理想流体的概念 流体具有黏性，在流动中将产生阻力。流体的黏性在流体的运动过程中起着很重要的作用。但是为了研究问题的方便，使问题简化，在某些场合，可不考虑流体的黏性，即=0 ，这种流体称为理想流体或无黏性流体。 理想流体虽然事实上并不存在，但这种理论模型却有重大的理论和实际价值。如： 1）流体平衡时； 2）小时可以忽略； 3）先讨论理想流体的运动规律，再考虑黏性时的修正。 理想流体运动学和动力学立论严谨，范围广泛，这些理论对于分析实际问题都有重大作用。,1.3.3 压缩性和膨胀性,流体的密度和体积会随着温度和压强的变化而改变。温度一定时，流体的体积随压强的增加而缩小的特性称为流体的压缩性；压强一定时，流体的体积随温度的升高而增大的特性称为流体的膨胀性。气体的压缩性和膨胀性较液体更为显著。 1. 液体的压缩性和膨胀性 液体压缩性的大小以体积压缩系数来表示，即当温度一定时，每增加单位压强所引起的体积相对变化量，即,在上式中，也可以用密度的变化代替体积 V 的变化。因为 = m/V，当液体的质量m为定值时，则,1.3.3 压缩性和膨胀性,故,体积压缩系数的倒数，称为弹性模量，即,液体的弹性模量与压强、温度有关。水在不同温度与压强下的弹性模量如表1.5所示。 从表中可以看出，水的弹性模量受温度及压强的影响而变化的量是很微小的。在工程中常将这种微小变化忽略不计，认为水是不可压缩的。,1.3.3 压缩性和膨胀性,液体膨胀性的大小用体积膨胀系数来表示，即当压强一定时，每增加单位温度所产生的体积相对变化量，即,液体的膨胀系数也与液体的压强、温度有关。水在不同温度与压强下的体积膨胀系数如表1.6所示。 从表中可以看出，水的膨胀性或膨胀系数是很小的。其它液体也与水相类似，其压缩系数和膨胀系数也是很小的，所以常将液体称为不可压缩流体。,1.3.3 压缩性和膨胀性,例题1.2 在容器中压缩一种液体。当压强为106N/m2时，液体的体积为1l；当压强增大为 2×106 N/m2时，其体积为 995 cm3。求此液体的弹性模量。,1.3.3 压缩性和膨胀性,2.气体的压缩性和膨胀性 气体压强、温度及密度间的关系用完全气体状态方程表示，即,式中，p气体的绝对压强，N/m2； T气体的绝对温度，K； R气体常数，单位为Nm/kgk。其值随气体种类不同而异，可由下式确定：,例如，干燥空气的分子量是29，则R=287；中等潮湿空气的R=288。,(1.16),1.3.3 压缩性和膨胀性,一定质量的气体，其密度随压强的增加而变大，随温度的升高而减小。 对于实际气体，在一般温度下，压强的变化不大时，应用式（1.16）可得正确的结果。但如果对气体强加压缩，特别是把温度降低到气体液化的程度，则不能应用式(1.16)，可用相关图表。,1.3.3 压缩性和膨胀性,例题1.3 1kg质量的氢气，温度为-40，密闭在0.1m3的容器中，求氢气的压强。 解 氢的分子量 M = 2.016，则氢的气体常数R为,由式（1.16）得,1.3.3 压缩性和膨胀性,气体是易于被压缩的流体，一般称气体为可压缩流体。空气在1标准大气压时，密度和重度随温度变化的情况见表1.7。,表1.7 1标准大气压时，空气的密度和重度,3 不可压缩流体的概念,流体具有一定的压缩性和膨胀性，但有时为了研究问题的方便，可将流体的压缩系数和膨胀系数都看作零，叫作不可压缩流体。 绝对不可压缩的流体实际上并不存在，但是在通常条件下，液体以及低速运动的气体的压缩性对其运动和平衡问题并无太大影响，忽略其可压缩性，直接用不可压缩流体理论分析，所得结果与实际情况是非常接近的。 液体平衡和运动的绝大多数问题可以用不可压缩流体理论来解决，但当遇到液体压缩性起关键作用的水击现象、液压冲击、水中爆炸波的传播等问题时，就必须考虑流体的压缩性。气体平衡和运动的大多数问题需要按可压缩流体理论处理，但是在低温、低压、低速条件下，可看成不可压缩流体。,1.3.4 表面张力（Surface Tension）,表面张力的概念 表面张力现象。 产生原理：按分子引力理论，分子间的引力与其距离的平方成反比，超过一定距离R(约为10-7mm)，引力很小，可略去不计，以R为半径的空间球域叫作分子作用球。,1.3.4 表面张力（Surface Tension）,度量：表面张力的大小以表面张力系数表示，是指作用在单位长度上的表面张力值，单位为N/m。 表现：气体与液体间，或互不掺混的液体间，存在表面张力。这两种相邻介质的特性，决定着分界面张力的大小及分界面的不同形状，如空气中的露珠，水中的气泡，水银表面的水银膜。,1.3.4 表面张力（Surface Tension）,应用：在环境工程中，有时需要考虑流体表面张力的的影响。例如，在湿式除尘中，为了增加水溶液对粉尘的黏附，提高除尘效率，可以在水中添加表面活性剂，来降低水溶液的表面张力。 变化规律：温度对表面张力有影响。当温度上升时，水的表面张力变小。 几种常见液体与空气接触的表面张力值列于表1.8。,1.3.4 表面张力（Surface Tension）,毛细管现象 液体与固体壁接触时，液体沿壁上升或下降的现象，称为毛细管现象。 例如：,水与玻璃接触的情况：液面向上凹，液体分子间的凝聚力小于其与管壁的附着力； 汞与玻璃接触的情况：液面向上凸，液体分子间的凝聚力大于其与管壁的附着力。,1.3.4 表面张力（Surface Tension）,表面张力的数值并不大，对一般的工程流体力学问题影响很小，但是毛细管现象是使用液位计、单管式测压计等常用仪器时必须注意的。当温度升高时，液体的表面张力减小。 水或水银在圆形断面的细玻璃管中下降或上升的高度与管内径的关系，如图1.14所示。,作业：1.1 黏度的计算 1.5 黏度的计算 1.10 气体的压缩性和膨胀性 1.12 液体的压缩性和膨胀性,习 题,1.1 已知空气的重度=11.82N/m3 ，动力粘度=0.0183×103Pa·s，求它的运动粘度。 1.5 一木块的底面积为40 cm×45cm，厚度为1cm，质量为5 kg，沿着涂有润滑油的斜面以速度v=1m/s等速下滑，油层厚度=1mm，求润滑油的动力粘性系数。,1.10 在容积为1.77 m3的气瓶中，原来存在有一定量的CO，其绝对压强为103.4 kPa，温度为21。后来又用气泵输入1.36 kg的CO，测得输入后的温度为24，试求输入后的绝对压强是多少？,1.12 一采暖系统如图，为了防止水温升高体积膨胀将水管及暖气片胀裂，特在系统顶部设置了一个膨胀水箱，使水有自由膨胀的余地。若系统内水的总体积为8m3，温度最大升高为50，水的温度膨胀系数0.0005，问膨胀水箱最少应为多大的容积？,习 题,