热工与流体力学_第4章
大学物理 CH4.1 流体力学
大学物理 CH4.1 流体力学第四章流体力学流动性静止流体在任何微小的切向力作用下都要发生连续不断的变形，不断的变形，即流体的一部分相对另一部分运动，即流体的一部分相对另一部分运动，这种变形称为流动。
这种变形称为流动。
连续介质模型设想流体是由连续分布的流体质点组成的的连续介质，流体质点具有宏观充分小，流体质点具有宏观充分小，微观充分大的特点。
微观充分大的特点。
描述流体的物理量可以表示成空间和时间的连续函描述流体的物理量可以表示成空间和时间的连续函数。
内容提要流体的主要物理性质连续性方程、连续性方程、伯努利方程及其应用粘性流体的两种流动状态、粘性流体的两种流动状态、哈根-哈根-泊肃叶定律斯托克斯定律一、惯性惯性是物体保持原有运动状态的性质，惯性是物体保持原有运动状态的性质，表征某一流体的惯性大小可用该流体的密度。
m均质流体：均质流体：ρ=V∆m d mρ(x , y , z )=lim =∆v →0∆V d V液体的密度随压强和温度的变化很小，液体的密度随压强和温度的变化很小，气体的密度随压强和温度而变化较大。
度随压强和温度而变化较大。
二、压缩性流体受到压力作用后体积或密度发生变化的特性称为压缩性。
为压缩性。
通常采用体积压缩率表示流体的压缩性。
d V κ=−单位：单位：m 2/Nd p 体积弹性模量：d pE V ==−κd V 1单位：单位：N / m2或Pa不可压缩流体即在压力作用下不改变其体积的流体。
即在压力作用下不改变其体积的流体。
三、粘性粘性是运动流体内部所具有的抵抗剪切变形的特性。
粘性是运动流体内部所具有的抵抗剪切变形的特性。
它表现为运动着的流体中速度不同的流层之间存在着沿切向的粘性阻力（着沿切向的粘性阻力（即内摩擦力）。
即内摩擦力）。
xd u速度梯度d yd uF =µA 牛顿粘性公式d yµ为动力黏度，为动力黏度，单位Pa ⋅sd u黏滞切应力τ=µd yd u xd u d td γ≈tan(dγ) =d yd u d γ=d y d t d γτ=µd t例1如图所示为一旋转圆筒黏度计，如图所示为一旋转圆筒黏度计，外筒固定，外筒固定，内筒由同步电机带动旋转，同步电机带动旋转，内外筒间充入实验液体。
流体力学与热工学基础4-2 流体流动的两种形态
❖ 问题设计： 1、什么是显名的雷诺试验，它说明什么问题？ 2、如何区别液体的流动是平稳的层流还是紊乱的湍流？
4-2 流体流动的两种形态
一、雷诺试验
流体流动的两 种形态
层流： 流速较小时，流
线沿流动方向相 互平行，呈分层 流动状态（无横 向运动）
紊流： 流速较大时，
流线相互混杂， 出现横向运动， 流层发生质量和 能量交换。
临界流速——流体运动状态发生改变的平均流速 上临界流速——层流变紊流的临界流速 下临界流速——紊流变层流的临界流速
二、流态判别准则
一般： vc vc'
对管流：vc , vc' f (d , v) ，写成无量纲形式：
Re c
vc d
——临界雷诺数。
流态判别准则——雷诺准则数Re 对管内流动： Re —Re—'c 紊23流20； Re R—e—c 层23流20；
对非圆形截管道，d取水力半径dH：
dH
4F S
F——过流断面面积；
S——过流断面上流体与固体壁面接触的长度。
对矩形截面管：
dH
4ab 2(a b)
2ab ab
Re的物理意义：
Re
vd
惯性力 粘滞力
傅秦生热工基础与应用的第四章热传导思考题总结
1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。
答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。
联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。
导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。
2． 以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。
试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。
答：① 傅立叶定律：dx dt q λ-=，其中，q －热流密度；λ－导热系数；dx dt －沿x 方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。
② 牛顿冷却公式：)(f w t t h q -=，其中，q －热流密度；h －表面传热系数；w t －固体表面温度；f t －流体的温度。
③ 斯忒藩－玻耳兹曼定律：4T q σ=，其中，q －热流密度；σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；T －辐射物体的热力学温度。
3． 导热系数、表面传热系数及传热系数的单位各是什么？哪些是物性参数，哪些与过程有关？答：① 导热系数的单位是：W/(m.K)；② 表面传热系数的单位是：W/(m 2.K)；③ 传热系数的单位是：W/(m 2.K)。
这三个参数中，只有导热系数是物性参数，其它均与过程有关。
4． 用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。
而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就烧坏。
试从传热学的观点分析这一现象。
答：当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大），壶底的热量被很快传走而不至于温度升得很高；当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体，因为气体发生对流换热的表面换热系数小，壶底的热量不能很快被传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。
5． 用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。
流体力学与热工学基础4-6管路水力计算
k=f( Δ ,d ) 对于已经使用一希时间，且稳定运行的管道，Δ为常数，则k=f(d) 工程应用上常制成表格形式，供查阅。 利用上述关系式可进行流量校核、扬程确定和管径设计计算。
二、短管的水力计算
特点：局部水头损失和速度水头必须与沿程损失一起同时计算。
水头损失计算方法：
分段计算出每段管道的沿程水头损失、管道每一局部装置
处的局部水头损失，再累加求和。即
hl
i
li di
vi2 2g
j
v
2 j
2g
再列出伯努利方程，可建立作用水头与流速的关系，从而可求得流量
与管径、作用水头之间的关系式
，v1则作
d 2g
8LQ 2 g 2d 5
LQ 2 / k 2
k
g 2d 5 ——8称为流量模数
关于流量模数的说明： 1、流量模数的定义
Q k H / L k hf / L J
可见，当J=1时，Q=k，所以k代表单位水力坡度时的流量。 2、影响流量模的因素
§4-7 管路水力计算
问题设计： 1、管道水力计算中，长短管如何区分？ 2、管道水头损失是否满足叠加原理？ 3、如何确定船舶、建筑等给排水管道中，水泵的压头
或功率大小？
§4-7 管路水力计算
长管
管路的分类 短管
速度水头与局部水头损失 之和小于沿程损失的5%， 可按沿程的某一百分数拆 算,或忽略不计
速度水头与局部水头损失 之和大于沿程损失的5%， 不能忽略
一、长管的水力计算
以大水池底部的出水管为例，取水池自由表面1-1及 水管出水断面2-2为研究对象，列伯努利方程有
热工与流体力学基础最新版教学课件第4章 热力循环
h1 h5 h6 h7 h1 h3 h6 h5
ηt
？
其他影响：x末上升（根本目的）； • 再热循环本身不一定提高
d0下降；
循环热效率
复杂化，投资上升。
• 与再热压力有关
• x2降低,给提高初压创造 了条件，选取再热压力合
适，一般采用一次再热可
使热效率提高2％～3.5％。
4.1 蒸汽动力装置循环
4.3 燃气轮机装置的理想循环 一、燃气轮机(gas turbine)装置简介
小型燃气轮机
4.3 燃气轮机装置的理想循环
构成
压气机(compressor) 燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine) 特点
1.开式循环(open cycle)，工质流动； 2.运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快； 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率
简化：引用空气标准假设
燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热
排气5-1等容放热 压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略 燃气成分改变忽略
4. 2 活塞式内燃机循环 1. p-v图及T-s图
12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热
特性参数： 压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
44制冷循环面积34kn3面积35gm3相等下降44制冷循环不变相同适用于小压比大流量的叶轮式压气机空气制冷系统空气回热制冷与非回热的比较44制冷循环空气压缩制冷的根本缺陷44制冷循环二压缩蒸气制冷循环1设备流程及ts图44制冷循环2制冷系数44制冷循环过冷措施工程上常用44制冷循环62三热泵制冷系数制热系数制冷热泵44制冷循环endchaptertwo
热工基础 第4章 工程热力学绪论和基本概念
状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观物理状况。 状态参数：描述热力系状态的物理量。 状态参数的特征：
1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然 2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只
与初终态有关。 3、状态参数的微分特征：全微分
1.2 状态和状态参数
状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终
温度测量的理论基础
温度的热力学定义： 处于同一热平衡状态的各个热力系，必定有某一宏观特征彼此 相同，用于描述此宏观特征的物理量⎯温度。 温度是确定一个系统是否与其它系统处于热平衡的物理量。
1.2 状态和状态参数
温标：温度的数值表示。
基准点 温标三要素 测温物质的性质
分度方法 绝对温标：符号T，单位K 新摄氏温标：符号t，单位℃ t(℃)=T(K)-273.15
态有关。
2
2
2
∫dz = ∫ dz = ∫dz = z2 − z1
1 1,a 1,b
∴ ∫ dz = 0
例：温度变化、山的高度变化
1
a
2 b
状态参数的微分特征：设 z =z (x , y)，dz是全微分。 可判断是否 是状态参数
dz
=
⎛ ⎜⎝
∂z ∂x
⎞ ⎟⎠
y
dx
+
⎛ ⎜ ⎝
∂z ∂y
⎞ ⎟ ⎠x
耗散效应
通过摩擦使功 变热的效应(摩阻， 电阻，非弹性变性， 磁阻等）
1.4 准静态过程、可逆过程
3、典型的不可逆过程
不等温传热
自由膨胀
T1
QT1>T2T2源自•• ••• ••
•• •
•• ••
•••
热工与流体力学基础 热工篇_第4章讲解
学习要求
1. 了解热力循环、正向循环、逆向循环的概念，掌握评
价循环经济性的指标：热效率t、制冷系数、制热系数。
2.理解热力学第二定律的实质和表述；明确热力学第二 定律在判断热力过程方向上的重要作用。
此外，即使同为热能，当它们储存的热源温度 不同时，它们的品质也是不同的。储存于高温水 平热源的热能品质较高。当热由高温物体自动的 传向低温物体时，同样也使能的品质下降了。
热力学第二定律的实质是能量贬值原理，即在 能量的传递和转换过程中，能量的品质只能降低 不能增高。它是一个非守恒定律。
第三节 卡诺循环与卡诺定律
非自发过程的进行需要一定的条件，付出一定的代价。
二、热力学第二定律的实质和表述
热力学第二定律指出了能量在传递和转换过程中 有关传递方向、转化的条件和限度等问题。
针对不同的热现象热力学第二定律有不同的表述，
但其实质等效。
1. 克劳修斯（Clausius）表述
不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其他
3.掌握卡诺循环、逆卡诺循环、卡诺定律及其对工程实 际的指导意义。
4.了解熵的基本概念和熵增原理。
本章难点
• 热力学第二定律比较抽象，较难理解。学习中应将抽象 的表述与日常生活及工程实际中的实例联系起来进行思 考就会容易理解一些。
• 熵的概念和熵增原理比较抽象，较难理解。学习中应结 合不可逆因素进行思考就会容易理解一些。
热力学第二定律
第二类永动机 :从单一热源取热并使之完全转变 为功的热机 .
热力学第二定律说明，用于热功转换的热机至 少要有高温、低温两个热源（即要有温度差）。 为此，热力学第二定律也可以表述为“第二类 永动机不可能实现”。
热工与流体力学基础全套课件
2020/3/1
2014.9.13
30
第一章
热力学基本概念
2020/3/1
2014.9.13
31
学习导引
本章介绍了许多重要的概念，对于后续内 容的学习非常重要。在学习过程中，应注意把 相关的概念串接起来，既对单个概念的物理意 义有较深刻的理解，又能从整体上将这些概念 有机的联系起来。
2020/3/1
1980 1991 2014.9.13
1997
中国 世界先进
15
（3）环境污染严重
据世界银行统计资料，我国城市空气污染对 人体健康和生产造成的损失估计每年1600亿元人 民币；酸雨使农作物减产每年损失达400亿元人民 币。
全世界2001年由化石燃料所排放的CO2达到 236.83亿吨，其中我国的排放量达到30亿吨，占 世界总排放量的13％，仅次于美国，居世界第 二位。
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二、本课程的性质 、研究对象及主要内容
• 主要的专业基础课
工程热力学
• 三部分组成 流体力学
传热学
• 以热机工作过程为例:
化学能
热能
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机械能
21
热机工作过程示意图
过热蒸汽
发电机
锅 汽轮机 炉
乏汽 循环水
冷凝器
• 热机
——能将热能转换为 机械能的机器。
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11
我国能源利用现状及存在的主要问题：
（1）人均能源占有率低，远低于世界平均水平
煤炭：90.45 吨/人（世界人均 162.48吨/人）； 石油：2.59 吨/人（世界人均 23.25 吨/人）； 天然气：1079.90 m3/人（世界人均 24661 .32 m3/人）
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2020/4/1
图11-1 简单管路
2.长管和短管
(1) 长管
如城市集中供热干线、给水 干线、远距离输油管路等
管路中的流体能量损失以沿程损失为主，局部损失占
流体总能量损失的比重很小，可以忽略不计，或可按沿程 损失的5％～10％进行估算，这样的管路称为长管。
工程上常将L/d≥1000的管路按长管处理。
各种工业管道的规格可在有关手册中查得。 表11-1列出了流体输送常用钢管的规格尺寸。
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(2) 限定流速
所谓限定流速，是工程中根据技术经济要求 所规定的合适流速，也即管道造价和运行费用之 和相对较低的流速。
在管路计算时，应使管道内流体的流速在限 定流速范围内。
表11-2列出了一些流体在管路中的常用流速范围。
2020/4/1
本章难点
1. 管路阻抗是为简化管路能量损失而引入的一个参数，它 综合反映了管路沿程阻力与局部阻力情况，管路阻抗 的应用是为管路系统设计打下基础，是工程计算的需 要。充分理解管路阻抗的概念和意义，掌握管路阻抗 的计算方法有一定难度，应结合例题与习题加强练习。
2. 实际工程中，对串、并联管路和枝状管网进行分析和计 算需要一定的技巧，会有一定的难度，应结合例题与 习题加强练习。
例11-1 如图11-1（b）所示，水从的水箱A中经管路 排入大气中。已知：水箱液面至管路出口的高度差保持不 变，H5m，管路的总长度L50m，直径d100mm，沿程
阻力系数0.038，管路上装90的标准弯头3个，闸板阀1
个，试求管路流量。
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解：取水箱液面为1—1截面，管路出口外侧为2—2 截面，取水平基准面通过2—2截面。在1—1与2—2 截面间列伯努利方程
(2) 短管
如室内供热管、 通风空调管等
管路中局部损失具有相当的数值，可达到或超过沿程
损失的10％ ，局部损失不能忽略不计的管路。
工程上常将L/d＜1000的管路按短管处理。
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3.标准管径与限定流速
(1) 标准管径
各种工业管道的管径均按统一标准制造，因此都有一 定的规格。在进行管路计算时，管道的管径应按规格选取， 即4/1
学习导引
管道与附属件连接起来组成的流体输送系统 称为管路。制冷空调工程和热能动力工程离不开 各种管路系统，本章综合运用前面学过的连续性 方程、伯努利方程和能量损失计算式来讨论工程 上常见管路的流动规律，主要介绍了简单管路与 串联、并联管路和管网的计算原理与工程应用。
2020/4/1
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第一节 简单管路计算
一、基本概念
管路计算是工程上确定流量、阻力损失及管道几何尺 寸之间关系的水力计算。
根据管路敷设方式可将管路分为: 简单管路
复杂管路——串联管路、并联管路和管网
根据管路的沿程损失与局部损失的大小将管路分为 :
长管
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短管
1.简单管路
所谓简单管路就是具有相同管径d、相同流量qV和相同管 壁粗糙度的管段，它是组成各种管路系统的基本单元。
60m，送风量qV1.5m3/s，空气温度20℃时密度1.205kg/m3， 运动黏度15.710-6m2/s，风道局部阻力系数总和3.5，
z1
v12 2g
p1
g
He
z2
v22 2g
p2
g
Hw
由题意知：z1H，v1 v20， p1 p20（表压），He0，z20， H w SqV2
因为
L d
50 0.1
500 1000
，故按短管计算，根据式（11-1）
8 L
S
d
2d 4g
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查附表13，当d100mm时，90弯头
因此，S对于给定的管路是一个定数，它综合反映了管路 沿程阻力与局部阻力情况，故称为管路阻抗。式（11-2） 至（11-4）表明，在简单管路中，总能量损失与体积流量 的平方成正比。这一规律在管路计算中广为应用。
2020/4/1
三、简单管路计算示例
（1）已知管径、管长、管件和阀门的设置及允许的能量 损失，求流体的流速或流量。
学习要求
本章的重点是简单管路和串、并联管路的管路计算，通过学习应 达到以下要求： 1. 理解各种管路的结构特点，能正确划分不同形式的管路。 2. 理解长管和短管的含义，掌握判断方法。 3. 充分理解管路阻抗的概念和意义，掌握管路阻抗的计算方法。 4. 掌握简单管路的流动规律，并能熟练应用于求解工程实际问题。 5. 熟悉串联和并联管路的特点，掌握其流动规律，能对串联和并联管 路进行计算。 6. 了解枝状管网和环状管网的特点及流动规律，初步掌握枝状管网的 计算方法。
H 0 0 0 0 0 0 SqV2
所以
qV
H S
5 0.016 （m3/s）
19519 .7
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（2）已知管径、管长、管件和阀门的设置及流体的输送量， 求流体通过该管路系统的能量损失，以便进一步确定设备内 的压力、设备之间的相对位置或输送设备所加入的外功。
例11-2 有一钢板制的风道，管径d300mm，管长L
的局部阻力系数11，闸板阀的局 部阻力系数20.1，管道进口局部阻 力系数30.5，管道出口局部阻力系 数41，代入上式
8 L 8 0.038 50 31 0.1 0.5 1
S
d
2d 4g
0.1 3.14 2 0.14 9.81
19519 .7
（s2/m5）
将上述所有值代入伯努利方程，得
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二、简单管路计算的基本公式
对于简单管路，d、qV 不变
v 沿程不变
故管路的压头损失Hw为
Hw
L d
v2 2g
v2 L
2g d
v2
2g
v
qV
d2
4
8 L
Hw
d
2d 4g
qV2
令
8 L
S
d 2d 4g
（s2/m5）
Hw SqV2
（m）
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管路的能量损失为
简单管路的计算
hw gHw gSqV2 （J/kg）
管路的压力损失为
多用于不可压缩的气体 管路计算中，如空调、
通风管道算
pw gHw gSqV2 （Pa）
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从式
8 L
S
d
2d 4g
可以看出，
对于给定的流体（即一定）和管道（即L、d一定），在 各种局部管件已定，即已定的情况下，S仅随变化， 而值与流动状态有关，当流体流动处于湍流粗糙区时， 仅与相对粗糙度K/d有关。在工程实际中，大多数流动处 于湍流粗糙区，所以在管材已定的情况下，可视为常数。