流体力学基础知识

流体力学基础知识

1、什么是流体？什么是可压缩流体与不可压缩流体？

一切物质都是由分子组成的。在相同的体积中，气体和液体的分子数目要比固体少得多，分子间的空隙就比较大，因此，分子之间的内聚力小，分子运动剧烈。这就决定了气体和液体不能保持固定的形状而具有流动性，所以，我们称气体和液体为流体。

在一定温度下，流体的体积随压力升高而缩小的性质，称为流体的可压缩性。流体压缩性的大小用压缩系数K表示。它的意义是当温度不变时，单位压力增量所引起流体体积的相对缩小量。

液体的压缩系数很小，故一般称液体为不可压缩流体。

温度与压力的改变，对气体体积影响很大。由热力学可知，当温度不变时，气体的体积与压力成反比，即压力增加一倍，体积缩小为原来的一半。由于压力变化对气体体积影响明显，故一般称气体为可压缩流体。

2、什么是流体的粘性与粘度（粘性系数）？

当流体运动时，在流体层间产生的内摩擦力具有阻碍流体运动的性质，故将这一特性称为流体的粘性，将内磨擦力称为粘性力。粘性是流体运动时间生能量损失的根本原因。

液体的粘性大小，用粘度（粘性系数）表示。粘度有动力粘度与运动粘度两种。所谓动力粘度是指流体单位面积上的粘性力与垂直于运动方向上的速度变化率的比值。

3、流体粘性大小与哪些因素有关？

流体粘性的大小，不仅与流体的种类有关，且随流体的压力和温度的改变而变化。由于压力改变对流体粘性影响很小，一般可忽略不计。温度是影响粘性的主要因素。

温度对粘度的影响，对液体和气体是截然不同的。温度升高时，液体的粘度迅速降低，而气体的粘度则随之升高。这主要是因为，液体的粘性力主要是由于分子间吸引力造成的，当温度升高时，分子距离加大，引力减小，使粘性力减弱，粘度降低。气体的粘性力主要是由气体内部分子运动引起的分子掺混、碰撞而产生的，温度升高，分子运动的速度加快，层间分子掺混、碰撞机会增多，使具有不同速度的气体层间的质量与动量交换加剧。所以，粘性力加大，粘度升高。

液体粘度随温度升高而降低的特性，对电厂燃料油的输送与雾化是有利的。因此，锅炉燃油在进入锅炉前要加热到一定温度以降低其粘度。但这一特性对润滑油不太有利。因为温度升高使粘度降低，会妨碍润滑油膜的形成，引起轴承温度升高，甚至会烧坏轴瓦。因此，一般要控制轴承温度不超过65℃。

4、工业实用流体的粘度是如何测定的？

工业实用流体用粘度计来测定其粘度。粘度计有许多种，目前我是多采用恩格尔粘度计，使用方法较简单，测定时先测出在一定温度（一般润滑油为50℃，燃油为80℃）下，从恩格尔粘度计的孔口中流出200cm3的液体所需的时间t,再测出20℃同体积的蒸馏水流出的时间t0，t与t0的比值称为恩格尔粘度，简称恩氏粘度，以°E t表示，下角标t表示测定时的温度（℃）。

5、什么叫流速？什么叫流量？

流体运动的速度称为流速。实际流体在管道中流动时，由于流体本身的内磨擦力及流体与管壁之间的磨擦力，使流体质点在管道各处的流速是不一样的，即沿管壁流速最低，管中心流速最高。通常工程上计算流速时，都是采用平均流速。

在锅炉上，还常应用质量流速的概念。所谓质量流速，是指单位时间通过单位流通截面

的流体质量。

单位时间通过单位流通截面的流体量称为流体流量，简称为流量。流量又有体积流量和质量流量之分。

6、什么是液体静压力？液体某点的静压力如何计算？

静止液体内任一点承受的压力，称为该点处液体的静压力。液体某一点的静压力等于液体表面上的压力加上该点距离液面深度的重位压头。

7、运动着的流体具有哪几部分能量？

稳定运动的流体，因其具有质量、压力、运动速度、所处位置相对高度，使其具有三种能量：压力能、动能、位能。

8、什么是伯努里方程式？

伯努里方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。单位质量的理想流体在流动过程中，位能、压力能和动能之和守恒。伯努里方程式可以确定流体在不同断面时的参数关系，在工程技术上有着广泛的应用。像实际使用的皮托管、文丘利管、U形差压计等，都是以该方程为理论基础的。

9、什么叫连通器？连通器原理在工程上有何用途？

所谓连通器，是液面以下相互连通的两个或几个容器。盛有相同液体、液面上压力相等的连通器，其液面高度相等。

（1）连通器盛有相同液体，但液面上压力不等，则液面的压力差等于连通器两容器液面高差所产生的压差。

（2）连通器液面上压力相等，但两侧有互不相混的不同液体，自分界面起两液面之高度与液体密度成反比。

连通器原理在工程上有着广泛的应用。如各种液面计（水位计、油位计等），水银真

空计，液柱式风压表，差压计等，都是应用连通器原理制成的。

10、锅炉汽包水位计指示的水位与汽包内实际水位一致吗？

汽包和水位计可作一连通器，连通器两液面上压力相等。但由于水位计本身及水连通管的散热，使水们计中的水与汽包内的锅水相比，温度低、密度大，所以水位计指示的水位要比汽包内实际水位低。

11、什么是紊流与层流？锅炉中常遇到哪些形式的流动？

流体在运动过程中，各质点完全沿着管轴方向直线运动，质点之间互不掺混、互不干扰的流动状态称为层状流动，简称层流。若运动着的质点不仅沿着管轴方向的直线运动，还伴有横向扰动，质点之间彼此混杂，流线杂乱无章，这种流动状态称为紊流。

锅炉中，实际流体（如水，蒸汽，烟气，空气等）的流动状态几乎都是紊流，只有粘性较大的液体（重油，润滑油）在低速流动中才会出现层状流动。

液体的流动状态，在不同场合会有不同的利与弊。如流体为紊流状态时，由于分子间扰动强烈，对增强传热有利。但由于是紊流，必然要增大流动阴力而增加能量损失。

12、什么是雷诺数？雷诺数有何实用意义？

流体的流动状态属于层流或紊流，在一些实验装置中可以直观地看出。但实际上流体在管道中的流动状态，是无法靠直观来叛别的。雷诺通过长期试验研究，发现流体的流动状态与流速、管道直径和流体运动粘性等因素有关，并总结出判断流体状态的数值，称为雷诺数。因此，雷诺数是用来判断流体流动状态的标准。用Re表示。对一般无扰动因素的直

管段来说，当雷诺数Re<2300时，流体流动状态为层流；当Re>（3000—4000）时，流动状态为紊流。

13、什么是流动阻力与损失？

实际流体在流动过程中，其总能量是沿着流动方向逐渐减小。这是由于流体本身具有粘性，流动时有内摩擦力产生；流道边界不可能完全光滑，也要产生摩擦力；同时流动过程中还会有流道的形状、流动方向的变化与其它障碍，这些都会使流体在流动过程中受到阻力。这种阻力称水力阻力或流动阻力。

流体流动就需克服这些阻力，从而使一部分能量转化为不能做功的热能而损失掉，使流体总量沿流程逐渐减小。这种由流动阻力所引起的能量损失称为阻力损失。

14、流体流动阻力有哪几种形式？

（1）没程阻力粘性流体流动时，流体层间内磨擦力及流体与流道壁面的磨擦力总是阻滞流体前进，这种沿流程出现的磨擦阻力称为沿程阻力。流体克服沿和阻力而损失的一部分能量，称为沿程阻力。

（2）局部阻力流体的流道中会有阀门、挡板、弯头、三通等装置及流通截面突然变化等情况。流体流经这些局部位置时，流速将重新分布，流体质点殖民地质点之间因惯性而发生碰撞、产生旋涡等情况，使流体流动受到阻碍。这种阻碍发生在局部区段，故称局部阻力。流体为克服局部阻力而损失的能量，称为局部损失。

另外，在锅炉通风系统中，还需要考虑流体横向冲刷管束时的阻力。因为烟气（空气）横向流过受热面管束时，会与管壁产生磨擦以及沿管子绕流，使流体了生涡流而产生阻力。这种横向冲刷管束时的阻力，实质上是磨擦力与局部阻力的综合。在锅炉通风计算时应单独考虑这种阻力。

15、沿程阻力如何计算？

流体沿程阻力损失的大小，与管道长度、管壁粗糙程度、流体流动状态及粘性等因素有关。单位质量流体沿程损失称为沿程水头损失，单位体积流体的沿程损失称为沿程压力损失。

16、局部阻力损失如何计算？

局部阻力损失的大小，与引起局部阻力的原因（即装置情况及流体流速）有关。与沿程阻力一样，局部阻力也有局部水头损失、局部压力损失之分。

17、怎样计算输水管道的压力损失？

计算管道的压力损失，需要综合计算其沿程阻力和局部阻力。为了计算方便，要把管道系统分成若干段，每一段按一个不变的直径和不变的流量计算其压力损失，然后将各段计算结果叠加，得出整个系统的压力损失。

18、怎样计算蒸汽管道的压力损失？

蒸汽管道压力损失与输水管道压力损失的计算方法是一样的。

19、如何减小管道的压力损失？

（1）选用合理的工质流速。从流体阻力损失计算中可知，不论是沿程阻力或局部

阻力，都与流速平方成正比，流速高，压力损失大。但流速低，耗用金属材料多。所以，必须经过经济比较，选用合理的工质流速。

⑵尽可能减少管道中的连接件和附件。在汽、水管道系统中，为了便于调节、切换和事故处理，需设置必要的阀门、弯头、三通、大小头等附件，这些附件又是局部阻力的根源，因此，在保证操作方便及生产安全的前提下，应尽量减少管道附件，以减小不必要的局部阻力损失。

（3）保持管道系统中阀门的完好性。系统中除调节阀门外，大多数阀门是处于全开或全关位置，当阀门因故障不能完全开启时，必然形成对汽、水的节流作用，而增大工质的局部阻力损失。

（4）应尽可能缩短管道总长度。

20、什么是压力管道的水击（水锤）现象？有何危害？如何消除？

在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤。

引起水击的基本原因是：当压力管道的阀门突然关闭或开启时，当水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，而使压力显著变化。管道上止回阀失灵，也会发生水击现象。在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，也会发出巨大的音响和振动。

水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力；压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。

消除或减轻水击危害的基本方法有：

（1）缓慢开启或关闭阀门；

（2）尽量缩短阀件与容器间的管道长度；

（3）止回阀应动作灵活，不应出现忽开忽关现象；

（4）管道就装设安全阀、空气阀或蓄能器；

（5）蒸汽管道送汽前要充分暖管，彻底疏水，然后缓慢开启阀门送汽。

21、什么是自生通风压头？在锅炉通风中，自生通风压头起什么作用？

沿烟道（或热风道）高度，由于烟气（或热空气）与外界大气密度差所产生的压头，称自生通风压头，也称自生通风力或自拨风。自生通风压头的符号是这样规定的：当烟气（或热空气）向上流动时取正号，向下流动时取负号。由于自生通风压头有方向性，在锅炉通风过程中，如果烟气（或热空气）是向上流动，它将成为流动的推动力；如果向下流动，它将成为流动的阻力。

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