1流体力学及传热学基础知识教程

建筑设备工程主编：刘昌明鲍东杰建筑设备工程1流体力学及传热学基础知识绪论近代房屋建筑为了满足生产和生活上的需要，以及提供卫生、安全而舒适的生活和工作环境，要求在建筑物内设置完善的给水、排水、供热、通风、空气调节、燃气、供电等设备系统。这些设备系统要与建筑、结构与生活需求、生产工艺设备等协调，才能发挥建筑物应有的功能，并提高建筑物的使用质量，避免环境污染，高效地发挥建筑物为生产和生活服务的作用。因此，建筑设备工程是房屋建筑不可缺少的组成部分。1流体力学及传热学基础知识绪论合理设计建筑设备工程，保证建筑物的使用质量，不仅与建筑设计、结构设计、施工方法有密切关系，而且对生产、经济、人民生活具有重要的意义。因此，建筑学专业以及建筑学类其他专业，应掌握建筑设备工程的基本知识。随着我国各种类型工业企业的不断建立、城镇各类民用建筑的兴建、人民生活居住条件的逐步改善、基本建设工业化施工的迅速发展，建筑设备工程技术水平正在不断提高。同时，由于近代科学技术的发展，各门学科互相渗透和互相影响，建筑设备技术也受到交叉学科发展的影响而日新月异。1流体力学及传热学基础知识现代建筑设备工程技术的发展，有几个方面值得我们认真研究和采用：1.新材料、新品种的快速发展，在建筑设备中引起了许多技术改革。2.新型设备的不断出现，使建筑设备工程向着更加节约和高效发展。3.新能源的利用和电子技术的应用，使建筑设备工程技术不断更新。4.建筑工业化施工技术的发展，促进了预制设备系统的应用，大大加快了施工速度，获得了良好的经济效果。1流体力学及传热学基础知识目录第一篇建筑给排水及采暖1流体力学基本知识；2建筑给水系统；3建筑排水系统；4建筑给排水施工图；5建筑采暖系统；第二篇通风与空调；6湿空气的基本知识；7通风与空调系统基本知识；8通风与空调系统管材、管材、管件和部件9通风与空调系统设备；1流体力学及传热学基础知识目录10空调制冷系统；11通风与空调施工图；第三篇建筑电气电工基本知识；12建筑电工基本知识；13建筑供配电系统；14电气照明系统；15建筑防雷、接地系统安装、调试及验收与安全用电；16建筑电气施工图17建筑供配电与照明系统的安装、调试及验收18火灾自动报警控制系统19建筑弱电建筑设备工程主编：刘昌明鲍东杰第一篇建筑给水排水及采暖1流体力学及传热学基础知识孔管、嘴口出流及两相流体简介35Back1流体力学及传热学基础知识流体主要的物理性质通常所见到的物质有固体、液体和气体，流体是液体和气体的统称。流体力学就是研究流体平衡和运动的力学规律及其应用的科学。日常遇到许多流体的运动，如水在江河中流动、燃气在管道中输送、空气从喷口中喷出等，都表现了流体具有易流动性。流体不能承受拉力，静止流体不能抵抗切力，但是流体能承受较大的压力。流体的概念1流体力学及传热学基础知识流体主要的物理性质从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，称为连续介质。1.1.1连续介质假设1流体力学及传热学基础知识流体主要的力学性质从微观上讲，流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且分子总是处于随机运动状态。从宏观上讲，流体视为由无数流体质点（或微团）组成的连续介质。所谓质点，是指由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸，但却远大于分子自由程。这些质点在流体内部紧紧相连，彼此间没有间隙，即流体充满所占空间，称为连续介质。1.1.1连续介质假设1流体力学及传热学基础知识质量密度单位体积流体的质量称为流体的密度，即ρ=m/V3.重量密度流体单位体积内所具有的重量称为重度或容重，以γ表示。γ=G/V1.1流体主要的力学性质1.1.2流体的主要力学性质1流体力学及传热学基础知识质量密度与重量密度的关系为：γ=G/V=mg/V=ρg4.粘性表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或流层间相对运动的特性称为粘性，内摩擦力称为粘滞力。粘性是流动性的反面，流体的粘性越大，其流动性越小。平板间液体速度变化如图1.1所示。实际流体在管内的速度分布如图1.2所示。1.1流体主要的力学性质1流体力学及传热学基础知识实验证明，对于一定的流体，内摩擦力F与两流体层的速度差du成正比，与两层之间的垂直距离dy成反比，与两层间的接触面积A成正比，即F=μAdu/dy（1-4）通常情况下，单位面积上的内摩擦力称为剪应力，以τ表示，单位为Pa，则式（1-4）变为τ=μdu/dy（1-5）式（1-4）、式（1-5）称为牛顿粘性定律，表明流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。1.1流体主要的力学性质1流体力学及传热学基础知识压缩性和膨胀性流体体积随着压力的增大而缩小的性质，称为流体的压缩性。流体体积随着温度的增大而增大的性质，称为流体的膨胀性。液体与气体的压缩性和膨胀性的区别：（1）液体是不可压缩流体，液体具有膨胀性；（2）气体具有显著的压缩性和膨胀性。1.1流体主要的力学性质1流体力学及传热学基础知识流体静力学基本概念处于相对静止状态下的流体，由于本身的重力或其他外力的作用，在流体内部及流体与容器壁面之间存在着垂直于接触面的作用力，这种作用力称为静压力。单体面积上流体的静压力称为流体的静压强。若流体的密度为ρ，则液柱高度h与压力p的关系为：p=ρgh1流体力学及传热学基础知识以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的真实压力；以大气压为基准测得的压力称为表压或真空度、相对压力，它是在把大气压强视为零压强的基础上得出来的。绝对压强是以绝对真空状态下的压强（绝对零压强）为基准计量的压强;表压强简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。两者的关系为：绝对压=大气压+表压1.2.1绝对压强、表压强和大气压强1.2流体静力学基本概念1流体力学及传热学基础知识绝对压力、表压与真空度的关系1流体力学及传热学基础知识假如一容器内装有密度为ρ的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变化。在静止的液体中取一段液柱，其截面积为A，以容器底面为基准水平面，液柱的上、下端面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，那么作用在上、下两端面的压力分别为p1和p2。1.2.2流体静力学平衡方程1.2流体静力学基本概念1.2.2.1静力学基本方程1流体力学及传热学基础知识重力场中在垂直方向上对液柱进行受力分析：(1)上端面所受总压力P1=p1A，方向向下；(2)下端面所受总压力P2=p2A，方向向上；(3)液柱的重力G=ρgA(z1-z2),方向向下。液柱处于静止时，上述三项力的合力应为零，即p2A-p1A-ρgA(z1-z2)=0整理并消去A，得p2=p1+ρg(z1-z2)(压力形式)（1-8）1.2流体静力学基本概念1流体力学及传热学基础知识ρ+z1g=p2/ρ+z2g(能量形式)（1-9）若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为pa，液柱高度为h，则式（1-8）可改写为p2=pa+ρgh（1-10）式（1-8）、式（1-9）及式（1-10）均称为静力学基本方程，其物理意义在于：在静止流体中任何一点的单位位能与单位压能之和(即单位势能)为常数。1.2流体静力学基本概念1流体力学及传热学基础知识静压强的方向性流体具有各个方向上的静压强。流体内部任意一点的静压强的大小与其作用的方向无关。流体的静压强仅与其高度或深度有关，而与容器的形状及放置位置、方式无关。1.2.2.2静压强的特性1.2流体静力学基本概念1流体力学及传热学基础知识流线和迹线流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向线。迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运动中所形成的轨迹线，它给出了同一质点在不同时间的速度的方向。1.3.1流体运动的基本概念图1.41流体力学及传热学基础知识流管、过流断面、元流和总流在流场内作一非流线且不自闭相交的封闭曲线，在某一瞬时通过该曲线上各点的流线构成一个管状表面，称流管。在流体中取一封闭垂直于流向的平面，在其中划出极微小面积，则其微小面积的周边上各点都和流线正交，这一横断面称为过流断面。若流管的横截面无限小，则称其为流管元，亦称为元流。过流断面内所有元流的总和称为总流。1.3流体动力学基础1流体力学及传热学基础知识流量流体流动时，单位时间内通过过流断面的流体体积称为流体的体积流量，一般用Q表示，单位为L/s。单位时间内流经管道任意截面的流体质量，称为质量流量，以ms表示，单位为kg/s或kg/h。体积流量与质量流量的关系为：ms=Qρ体积流量、过流断面面积A与流速u之间的关系为:Q=Au1.3流体动力学基础1流体力学及传热学基础知识根据流动要素(流速与压强)与流行时间来进行分类（1）恒定流流场内任一点的流速与压强不随时间变化，而仅与所处位置有关的流体流动称为恒定流。（2）非恒定流运动流体各质点的流动要素随时间而改变的运动称为非恒定流。1.3.2流体运动的分类1.3流体动力学基础1流体力学及传热学基础知识根据流体流速的变化来进行分类（1）均匀流在给定的某一时刻，各点速度都不随位置而变化的流体运动称为均匀流。（2）非均匀流流体中相应点流速不相等的流体运动称为非均匀流。1.3流体动力学基础1流体力学及传热学基础知识按液流运动接触的壁面情况分类（1）有压流流体过流断面的周界为壁面包围，没有自由面者称为有压流或压力流。一般供水、供热管道均为压力流。（2）无压流流体过流断面的壁和底均为壁面包围，但有自由液面者称为无压流或重力流，如河流、明渠排水管网系统等。1.3流体动力学基础1流体力学及传热学