流体力学原理
流体力学在生活中的应用和原理

流体力学在生活中的应用和原理1. 简介流体力学是研究流体运动的力学学科,它涉及了各个方面的科学与工程领域,从大自然的河流和海洋到我们生活中的水龙头和空气流动等等都与流体力学相关。
本文将重点介绍流体力学在生活中的应用和原理。
2. 流体力学的基本原理流体力学主要研究流体的运动和受力情况,其基本原理包括以下几个方面:(1) 亨利定律亨利定律是流体力学的基本定律之一,它描述了埋在液体中的物体所受的浮力等于它排开的液体的重力。
这个原理可以解释我们在水中浮起来的原因。
(2) 科氏定律科氏定律是描述在液体中流动的物体所受到的科氏力的定律。
科氏力与流体的速度和密度相关,它可以帮助我们理解物体在水中运动时所受的阻力和压力。
(3) 费曼定律费曼定律是描述在液体流动中的能量守恒定律,它指出在流体中的任何一点,流体的总能量保持恒定。
这个原理可以帮助我们解释流体在管道中的压力变化和能量转换。
3. 流体力学在生活中的应用流体力学在我们日常生活中有很多实际应用,以下是一些典型的例子:(1) 水力学水力学是研究液体在静止和流动状态下的运动规律的学科。
它在水力工程中有广泛的应用,例如水坝的设计、水流的控制和下水道的建设等。
水力学还被应用于生活中的给水系统、下水道和排水系统的设计与管理,确保城市的供水和排水系统正常运行。
(2) 空气动力学空气动力学是研究空气运动规律的学科,它在航空工程和汽车设计等领域有重要应用。
通过空气动力学的研究,可以改善飞机和汽车的气动性能,减小飞机和汽车的阻力,提高其运行效率。
(3) 管道流动在石油工业和化工工程中,流体力学被广泛应用于管道流动问题的研究和设计。
通过流体力学的分析,可以确定管道的直径和长度,优化管道网络的结构,提高物质输送的效率和安全性。
(4) 气象学气象学是研究大气中各种现象和气候系统的科学,流体力学是研究大气流动的重要基础。
通过流体力学的原理,可以解释大气中的气旋、风向和气压等现象,为气象预报和气候变化研究提供了基础。
流体力学的三大实验原理

流体力学的三大实验原理流体力学是研究流体运动和流体力学性质的学科,是物理学的一个重要分支。
在流体力学的研究中,实验是一种重要的方法,通过实验可以观察流体的行为,并验证理论模型的有效性。
以下将介绍流体力学的三大实验原理。
第一大实验原理是质量守恒定律,也称为连续性方程。
它表达了在流体中质量的守恒性质,即单位时间内通过某一截面的质量流量保持不变。
具体而言,对于稳定不可压缩流体,该方程可以表示为:∮ρv·dA = 0其中,∮表示对闭合曲面取积分,ρ是流体的密度,v是流体的速度,dA是曲面的面积元素。
该方程说明了流体在运动过程中质量的连续性,即入口处的质量流量等于出口处的质量流量。
通过实验可以验证这一原理,例如使用水流经过一个管道,在入口处和出口处分别测量流体的质量流量,验证质量守恒定律的成立。
第二大实验原理是动量守恒定律,也称为动量方程。
动量守恒定律表达了流体中动量的守恒性质,即单位时间内通过某一截面的动量流量保持不变。
对于稳定不可压缩流体,动量守恒定律可以表示为:∮(ρv⋅v)·dA = -∮pdA + ∮τ·dA + ∮ρg·dV其中,p是流体的压强,τ是流体的切应力,g是重力加速度,dV是体积元素。
该方程说明了流体在运动过程中动量的守恒性,即流体的动量增加或减少必然伴随着外力的作用或者压强的变化。
通过实验可以验证动量守恒定律,例如通过测量流体经过一个管道时的压强变化以及受到的外力,验证动量守恒定律的成立。
第三大实验原理是能量守恒定律,也称为能量方程。
能量守恒定律表达了流体中能量的守恒性质,即单位时间内通过某一截面的能量流量保持不变。
对于稳定不可压缩流体,能量守恒定律可以表示为:∮(ρv⋅v+pg)·dA = ∮(τ⋅v)·dA + ∮q·dA + ∮ρg·h·dA其中,q是流体的热流量,h是流体的高度。
该方程说明了流体在运动过程中能量的守恒性,即流体的能量增加或减少必然伴随着外界对流体的做功或者热量的输入。
流体力学分析

流体力学分析流体力学是研究流体运动规律和性质的学科。
它在工程学、物理学和地球科学等领域具有广泛的应用。
本文将通过对流体力学的分析,讨论其基本原理、应用领域以及未来发展方向。
一、基本原理流体力学的研究对象是流体,包括液体和气体。
它的研究方法主要基于质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理。
其中,质量守恒原理指的是流体在流动过程中质量不会发生净变化;动量守恒原理是指流体在受力作用下动量守恒;能量守恒原理是指流体在流动过程中总能量守恒。
二、应用领域1. 工程领域:流体力学在工程学中具有广泛的应用,如水力学、空气动力学、船舶流体力学等。
在建筑工程中,流体力学的应用可以帮助工程师设计和优化建筑物的结构以及减小气流和液流的阻力,提高建筑物的性能和安全。
此外,流体力学还应用于石油工程、化工工程、环境工程等领域,用于解决与流体流动相关的问题。
2. 物理学领域:流体力学在物理学研究中也扮演着重要角色,尤其是在研究高速流动、湍流以及物质传输等方面。
通过对流体的力学性质进行研究,可以帮助物理学家深入理解流体流动的规律和特性。
3. 地球科学领域:地球科学研究中的一些现象和过程也与流体力学有关。
例如,大气环流、地球内部流体运动等都需要用到流体力学的原理来进行分析和解释。
流体力学在地球科学领域的应用有助于我们对自然界中流体运动的了解,并为预测和防灾减灾提供依据。
三、未来发展方向随着科学技术的不断进步,流体力学也在不断发展。
未来,我们可以预见以下几个发展方向:1. 高精度计算模拟:随着计算机性能的不断提升,我们可以使用更精确的计算模拟方法对流体力学问题进行求解。
这将有助于提高流体力学模型的准确性和可靠性,为实际工程问题的解决提供更好的支持。
2. 新材料与纳米尺度流体力学:随着纳米科技的迅速发展,纳米尺度流体力学作为一个新的研究领域逐渐崭露头角。
未来,研究人员将继续深入探索纳米尺度下流体的特性和行为,进一步挖掘纳米流体力学的应用潜力。
流体力学基础流体的性质与流体力学原理

流体力学基础流体的性质与流体力学原理流体力学基础——流体的性质与流体力学原理流体力学是研究流体运动和流体力学基本原理的学科,广泛应用于航空、航海、能源、化工等领域。
本文将介绍流体的性质以及流体力学的基本原理。
一、流体的性质流体指的是气体和液体,在力学中被视为连续介质。
流体具有以下几个主要的性质:1. 可流动性:与固体不同,流体具有较低的粘性和内聚力,因此可以流动。
流体的流动性使其在工程领域中应用广泛,并且流体力学正是研究流体流动的力学学科。
2. 不可压性:对于液体来说,密度变化相对较小,一般可视为不可压缩的。
而对于气体来说,变化较大的压力会引起密度变化,所以流体力学中对气体流动的研究需要考虑密度的变化。
3. 流体静力学压力:流体静力学压力是由于流体自身重力或外力作用下的压力差异引起的。
流体中的每一点都承受来自其周围流体的压力。
4. 流体动力学压力:流体动力学压力是由于流体的动力作用引起的压力差异。
当流体以较高速度通过管道或物体时,流体动力学压力扮演着重要的角色。
二、流体力学原理流体力学原理是研究流体运动的基本规律,它由庞加莱提出的运动方程、贝努利定律、连续方程等组成。
以下将分别介绍这几个基本原理:1. 流体运动方程:流体运动方程描述了流体在空间中运动的规律。
流体运动方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程指出质量在流体中不会凭空消失或产生;动量守恒方程描述了流体运动中受到的作用力和压力的关系;能量守恒方程则研究了流体在流动过程中的能量转化。
2. 贝努利定律:贝努利定律是流体力学中最为著名的定律之一。
它说明了在无粘度和定常状态下,流体在不同位置的速度、压力和高度之间存在着一种平衡关系。
贝努利定律在飞行器设计和管道流动等领域中有广泛的应用。
3. 材料导数:材料导数是流体力学中用来描述物质随时间变化的速率的重要概念。
对于流体来说,由于其非刚性的特性,物质随时间的变化需要通过材料导数来描述,它包括时间导数和空间导数。
流体力学的基本原理

流体力学的基本原理流体力学是研究流体运动和应力的物理学科,它对各种流体现象的研究和分析具有重要意义。
流体力学的基本原理包括连续性方程、纳维-斯托克斯方程和质量守恒定律等。
下面将详细介绍这些基本原理。
首先,连续性方程是流体力学的基本原理之一。
连续性方程表达了流体运动中质点的数密度随时间和空间的变化。
它描述了流体在运动过程中连续性的基本规律,即单位时间内通过表面单元的流体质量变化等于流体在该表面单元内积累的流体质量。
数学上,连续性方程可以表示为∂ρ/∂t + ∇•(ρv) = 0,其中ρ为流体的密度,t为时间,v为流体的速度,∇•为散度算子。
这个方程描述了流体的连续性及其在空间和时间上的变化规律。
其次,纳维-斯托克斯方程是流体力学的另一个基本原理。
它描述了流体运动中流体的速度场和压力场之间的关系。
纳维-斯托克斯方程可以表示为ρ(∂v/∂t +v •∇v) = -∇p + μ∇的v + f,在这个方程中,ρ为流体的密度,v为流体的速度,p为流体的压力,μ为流体的粘度,f为体积力。
这个方程描述了流体在外力作用下的运动规律,是研究流体运动的基本方程。
最后,质量守恒定律是流体力学的另一个重要原理。
质量守恒定律是指在一个封闭的系统中,质量是不会减少或增加的,即质量是守恒的。
在流体运动中,质量守恒定律表达了流体的质量在时间和空间上的守恒性。
数学上,质量守恒定律可以表示为∂ρ/∂t + ∇•(ρv) = 0。
这个方程描述了流体在运动过程中其质量是守恒的,在空间和时间上的变化规律。
除了这些基本原理外,流体力学还涉及到涡量、旋度、势流、流函数等概念,这些概念都是流体力学研究的基础。
涡量描述了流体运动中流线的旋转程度,它是刻画流体旋转运动特性的重要物理量。
旋度是矢量场的一个运算符,它描述了矢量场在空间中的旋转特性。
势流和流函数是描述流体运动的数学工具,它们可以简化纳维-斯托克斯方程的求解过程,是分析流体运动的常用方法。
流体力学原理及应用

流体力学原理及应用流体力学是研究流体静力学、流体动力学和流体力学应用等方面的分支学科。
流体力学是最广泛应用的力学学科之一,涉及多个工程学科的研究,如船舶工程、车辆工程、建筑工程、机械工程、能源工程等,对人们的生产生活产生着深远的影响。
本文将从流体力学的基本概念、流体力学原理及应用等方面进行论述。
一、流体力学的基本概念1. 流体:流体是指在受外力作用下能够发生变形和流动的连续介质。
流体的分类如下:- 液体:具有一定的体积和形状,易受压缩性的影响。
- 气体:无一定的形状,容易受到外界的压缩。
- 纯流体:不可压缩的流体,如水和空气等。
2. 流动:流动是指流体在空间中运动的过程。
流动可以分为稳定流动和非稳定流动。
稳定流动是指流体各点的速度、压力、密度等物理量随时间保持不变的流动状态;非稳定流动是指这些物理量随时间、位置的变化而发生变化的流动状态。
3. 流体的物理量:流体的物理量有密度、体积、质量、速度和流量等。
其中,密度表示单位体积的流体所具有的质量;体积则是流体所占用的三维空间的大小;流量是单位时间内通过某一截面的体积。
二、流体力学原理1. 流体静力学:流体静力学研究流体在静止状态下的属性,如压力、密度、体积的分布规律等。
它是流体力学的基础,涉及流体的基本参数,如重力、静压力、表面张力等。
2. 流体动力学:流体动力学是研究流体在运动状态下的性质和特征,如流体的速度、加速度、压力、密度扰动等。
其基本思想是将流体看作是复杂的能量转化系统,在一定的边界条件和外力作用下,通过对质量、动量和能量方程的分析,揭示流体运动的基本规律。
3. 流体力学应用:流体力学应用是将理论和技术手段融合起来化为实际生产力的过程,是流体力学的重要领域,涉及到多个行业的研究,如注塑成型、化工及生物医药、航空航天、交通运输等。
流体力学的应用领域较广,其中最常见有以下三个领域:- 工程流体力学:研究工程流体中运动状态的变化规律,如流体力学模拟、液压传动系统、混沌与控制等。
流体力学的基本概念与原理

流体力学的基本概念与原理引言:流体力学是研究流体运动规律的学科,涉及广泛且应用领域广泛。
本文将介绍流体力学的基本概念与原理,包括流体、流体静力学、流体动力学以及相关应用等方面的内容。
一、流体的基本特性流体是指能够流动的物质,主要包括液态流体和气态流体。
相较于固体,流体具有以下基本特性:1. 流动性:流体能够在物体表面滑动或流动。
2. 不可压缩性:理想流体在正常条件下几乎不可压缩,而实际流体也只在极高压力下才会发生明显的压缩。
3. 连续性:流体不存在间断,可以填充空间。
4. 流体内部分子间力的相对较小:流体分子间的相互作用力相对较弱,以致于在外力作用下,流体分子会相对较快地改变位置。
二、流体静力学流体静力学研究的是处于静止状态的流体,主要涉及以下概念与原理:1. 压强:压强是流体对单位面积上的压力。
根据帕斯卡原理,流体中的压强在各个方向上都是相等的。
2. 大气压:大气压是指大气对物体单位面积上的压力,通常用标准大气压作为基准。
3. 浮力:根据阿基米德原理,浸在液体中的物体会受到一个向上的浮力,其大小等于物体排斥液体的重量。
4. 斯托克斯定律:斯托克斯定律描述了粘性流体中小球的受力情况,根据该定律,小球的阻力与小球半径、流体黏度以及小球速度有关。
三、流体动力学流体动力学研究的是流体在运动过程中的行为,主要涉及以下概念与原理:1. 流速与流量:流速是单位时间内通过某个截面的流体体积,流量是单位时间内通过某个截面的流体质量或体积。
2. 流体动能:流体动能是流体由于运动而具有的能量,与流体的质量和速度有关。
3. 费诺特定律:费诺特定律是描述粘性流体内摩擦力与流速梯度之间关系的定律,根据该定律,粘性流体内部存在着滑动摩擦和黏滞摩擦。
4. 贝努利定律:贝努利定律描述了在不可压缩、稳定流动的流体中,沿着流线速度增大的地方,压强会减小;反之,速度减小的地方,压强会增大。
四、流体力学的应用流体力学的研究内容和应用广泛,常见的应用领域包括但不限于:1. 水力学:研究水的流动、水耗等问题,广泛应用于水利工程、水电站等领域。
流体力学的原理和应用

流体力学的原理和应用1. 引言流体力学是研究液体和气体在静止和运动状态下的力学性质和行为的学科,广泛应用于各个领域,包括工程学、物理学、地球科学等。
本文将介绍流体力学的基本原理和其应用领域。
2. 流体力学的基本原理2.1 流体的特性•流体的定义:流体是指能够流动的物质,包括液体和气体。
•流体的基本性质:流体具有无固定形状、自由流动的特性。
•流体的连续性:流体在空间中任意一点的速度和压力都是连续变化的,满足连续性方程。
2.2 流体的运动描述•欧拉方法:将流体视为无数质点的集合,通过描述流体质点的运动状态来表示流体的运动。
•拉格朗日方法:跟踪单个质点的位置和速度来描述流体的运动。
2.3 流体静力学•流体的静力学平衡:当流体处于静止状态时,各个部分之间的压力是相等的,满足帕斯卡定律。
•压强与深度的关系:在同一密度的流体中,压强随深度增加而增加。
•浮力与浸没物体的关系:当物体浸没在流体中时,流体对物体所施加的浮力等于物体排开的流体体积的重力。
2.4 流体动力学•流体的动力学平衡:当流体处于运动状态时,流体中各个部分所受到的压力、惯性力和重力之和为零,满足动量守恒定律。
•流体的流速场和流线:流速场描述了流体在空间中的运动情况,流线是流速场的切线。
•质量流率和体积流率:质量流率表示单位时间内流体通过某一截面的质量,体积流率表示单位时间内流体通过某一截面的体积。
•能量守恒和伯努利方程:能量守恒原理描述了流体的总能量在流动过程中是守恒的,伯努利方程表示了流体在不同位置的动能、压力和势能之间的关系。
3. 流体力学的应用领域3.1 工程学中的应用•水力学:研究涉及水的流动、压力和力学性质的工程问题,如水坝设计、水力发电等。
•空气动力学:研究涉及空气流动、气动力学和飞行器设计等工程问题,如飞机设计、汽车空气动力学等。
•管道流动:研究涉及液体或气体在管道内流动的问题,如管道系统的设计和优化。
•流体力学模拟:利用数值模拟方法对流体力学问题进行计算和分析,如数值模拟气候变化、海浪运动等。
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一、传热的分类 根据物体温度与时间的变化关系 1、稳定热传递 物体中各点温度不随时间而改变的热传递过程 2、非稳定热传递 物体中各点温度随时间而改变的。
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2、流管 在液流中取一封闭垂直于流向的平面,在 其中划出权微小面积,则其周边上各点 的流线构成流管 3、流束 流管内流线的总和 4、股流 充满流管内的流体
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5、过流断面 在股流上垂直于所有流线的截面。其形状 随流线形状而定.可能是平面或曲面。 6、元流与总流 过流断面为无限小时的流束称为元流 过流断面为有限大时的流束称为总流。
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2、雷诺数 英国物理学家雷诺曾作过试验并得到判断 流型的计算式,称为雷诺公式:
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3、沿程损失和局部损失 1)沿程损失 流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量 称为沿程损失。沿程阻力损失与长度、粗糙 度及流速的平方成正比,而与管径成反比, 通常采用达西一维斯巴赫公式计算:
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二、流体运动的基本概念 流体运动是由无数流体质点的运动所组成 的,且各质点之间都有力相互作用,质 点上的力和其本身的运动存在一定的规 律性,找到其原因,就可以解决运动中 的问题。 下边介绍流体运动中的几个基本概念。
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1、流线 液流中同一瞬间由许多质点组成的曲线, 该曲线上任一点的切线方向就是该点的 流速方向,它形象地描绘了该瞬时整个 液流的流动情况(图3—1)
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5、比容或比热
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三、传热方式
物体的传热方式可分为三种 导热 对流 辐射
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1、导热 由于物体内分子运动而将热量由高温部 传递到低温部,这种热传递过程称为导 热过程
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2、对流 两种概念: 1) 流体各部分之间发生相对运动而引起的热量 传递方式。对流发生在流体内部。 2)工程上常遇到的情况是流动着的流体与其温 度不同的固体壁面接触时的热交换运动,这种 换热也称为对流换热。我们主要研究的对象 。 如果流体是在外力,如风机、水泵的作用下运动 ,这种对流换热称为强制对流换热; 如果没有外力作用,仅由部分流体受热膨胀,密 度减小产生浮力流动换热称为自然对流换热。
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四、流体静力学基本方程
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第三章 流体动力学
一、 动力学的基本原理 流体动力学是研究流体运动规律的科学。 在流体静力学中.压强只与水深有关, 或者说与所处空间位置有关 在流体动力学中,压强还与运动情况有 关
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基础篇
第一章 流体力学基本知识
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一、流体的概念 液体和气体易于流动,统称为流体。 二、流体力学的概念 研究流体平衡与运动的力学规律及其应用 的科学
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三、流体的主要物理性质 1、密度及比容: 物体单位容积所具有的质量称为密度; 而密度的倒数即单位质量的容积称为比 容
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第四章 流体流动阻力
流体具有不同的粘滞性,在流动中 为了克服阻力而消耗的能量称为阻 力损失。
阻力损失值视流体的流行形态而 不同,因此计算流体的阻力损失.
应了解水流的形态。
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2、容重或重度 物体单位容积的重量
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3、流体的压缩性及膨胀性 1)压缩性: 流体的容积与压强的变化成反比的性质 2)膨胀性: 容积与温度变化成比例的性质
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液体的压缩性及膨胀性很小、在很多工程 技术常忽略不计,对工程计算误差影响 甚小。 但在热水工程中为了保证运行安全,还是 应考虑其膨胀性,如在热水工程中设膨 胀水箱、安全阀等。
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四、流体流动的因索 1、过流断面 流体流过通道的断面积称为 过流断面,单位为m2 。在均匀流,过流 断面为一平面。
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2.平均流速 在不能压缩及无粘滞性的理想均匀流中 ,流速是不变的。 但在实际工程中,流体与流道壁间存在着 摩阻力,过流断面上各点的流速是不等 的,靠近壁处阻力大、流速小,近中心 处流速大(图3—2)。
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在一端装有阀门的长玻璃 一、 流体的流动形态 管中充满水,稍开启阀门 流体在流动中,由于流速不同而呈现出两 放水,并由小管注入有颜 种不同的流动形态——层流和紊流。 色水流,则可见管内颜色 1 、 层流与紊流 水成一稳定细梳,这种流 型称为层流。当阀门开大 ,水流速增加时,管中有 色线产生振荡被动.再开 大阀门到一定程度,流速 增大,水流中色线掺混紊 乱,此时称为紊流。
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三、静止流体压强的两个特性: (1)静止压强的方向 必然沿着作用面的内法线方向,即垂直指向 作用面。这是因为静止流体内的应力只能是压 应力; (2)流体中任一点静水压强的大小 与作用的方向无关。换言之,一点上各个方向 的压强均相等。这是因为静止流体中某一点 受四面八方的压应力而达到平衡。
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三、流体运动的分类 流体运动受其物性和边界条件的影响呈现 复杂的运动情况。 常根据运动特点对其进行分类。
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1.根据流动要素(流速与压强)与流行时间分类 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。 在这种流动中.流线与质点运动的轨迹相重合。 2)非恒定流 运动流体各质点的流动要素随时间而改变的 运动则称为非恒定流,水位随水的放出而不断 改变的水流运动。 非恒定流的情况较复杂,以后一般问题多为恒定 流的。
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为计算方便,常取过流断面上的平均流速
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3、流量
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五、流体运动的基本方程 1、连续性方程
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2、能量方程
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2)局部损失 流体运动过程中,通过断面变化处、转向 处、分支或其他使流体流动情况改变时 ,均能引起能量损失,这种由局部变化 引起的阻力损失称为局部损失。计算公 式为
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3)管道总阻力
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第五章 传热学基础
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5、粘滞性 流体在运动中,由于分子间的动量交换和 分子间的作用力会引起内摩擦阻力,这 种性质称为流体的粘滞性。 粘滞性的大小随流体的种类及所处的外界 条件而不同。例如流体中的水与重油, 温度的高低都影响其粘滞性的变化。 牛顿试验研究提出与粘滞性有关的内摩擦 定律为
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2)导出量和导出单位 均以基本量和基本单位表示,如速度为 m /s、密度为kg/m3、耗热量为w等。 .
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2、工程单位 1)基本单位 工程单位以力(kg)、长度(m)及时间(s)三个 物理量为基本量 其他的物理单位均以基本量表示 如密度为kg/m3、速度为m/s、容重为kg /m3、压强为kg/cm2及热量(cal)等
李峥嵘 博士
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气体具有显著的压缩性和膨脓性,其容重 、压强和热力学温度三者的关系如下式 :
对于流速较低的气体,在压强及温度变 化不大时,其容重的变化也比较小,在 一般工程应用中可视为常数。
李峥嵘 博士
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4、易流性 流体的形状随容器形状的不同而改变,这 是由于流体不能承受剪力所形成的,这 种性质称为易流性。 液体在重力作用下.由高处向低处流,易 流性是改变液体运动状态的主要因素。
李峥嵘 博士
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四、 热媒的性质
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最常用的热媒是水、蒸汽及热空气 1、水 水在传热学中的有关性质如下: (1)水的压缩性及膨胀性。 水的压缩性很小,一般情况下可视为不可压缩体 。 但其膨胀却不可忽视。 水的体膨胀系数约为0.0006,若不考虑加热后 的体积膨胀,则将胀破加热设备。 此外。0度的水结冰,体积将增大约11%,会产 生巨大胀力,对自然界物质及生活生产都有极 大的影响。