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1、流体力学泵与风机讲义绪论一、本课程的性质及学习的目的和任务泵与风机是将原动机（如电动机、汽轮机等）提供的机械能转换成流体的机械能，以达到输送流体或造成流体循环流动等目的的机械。通常，把提高液体机械能的机械称为泵，把提高气体机械能的机械称为风机。流体力学泵与风机是电厂热能动力装置、集控运行、城市热能应用等专业的一门重要的专业基础课，一是一门核心技术课。流体力学是研究流体的机械运动规律及其在生产实践中应用的一门学科。其内容精深，应用广泛。本课程仅根据高等职业技术学院热动类专业培养目标的需要，研究流体力学的基础知识及泵与风机的基本原理、设备结构、运行调节。流体力学部分主要内容是将以水为代表的不可压缩
2、流体（简称液体）选作研究对象，介绍表示液体机械运动规律和流体流动阻力损失规律的各种数学公式；讨论这些公式的形式、意义及适用条件；研究它们在分析和解决工程实际问题中，使用的方法、步骤和注意事项。泵与风机部分的主要内容是结合火力发电厂常用的泵与风机，介绍泵与风机的分类构造、工作原理和基本性能参数等基本知识；着重讨论泵与风机性能曲线及其变换原理、工作点和调节原理等基本理论；研究泵与风机结构图的识读、性能曲线的分析比较和变换、工作点和调节方法的确定以及运行维护等基本应用知识。流体和泵与风机是国民经济各个部门都广泛应用的工作介质和通用机械。例如，航空航天事业中的卫星上天、火箭升空和超音速飞机的翱翔蓝天；
3、农业中的排涝、灌溉；石油工业中的输油和注水；化学工业中高温、腐蚀性流体的排送；其他工业和人们日常生活中的采暖、通风、给水、排水等都离不开流体和泵与风机。据统计，在全国的总用电量中，有30%左右是泵与风机耗用的，其中泵的耗电占21%左右。由此可见，流体和泵与风机在我国国民经济建设中所占的重要地位和作用。热力发电厂更离不开流体和泵与风机。其电能的生产是依靠汽（气）、水、油等流体介质在泵与风机同其他热力设备用管道连接组成的系统（如热力系统和一些辅助生产系统）中流动，进而安全经济地实现热功的转换，为发电机提供足够的机械能，实现机械能与电能间的转换。在热力发电厂中，泵与风机起着全厂水、气输送的作用。图0
4、1是热力发电厂的系统简图。然力发电厂系统斯图1一副妒汽包J24H.3一汽轮机I4发电机,5-M6敬精水祟17除站装亶8升旗鬃；9低值加的U,IO除MSh”一鲂水最,12高H1.加热簿,13_容炮器：】4礴环木第15射水抽气H16射水泵I17一就水量：18朴蛤水Ih19生水鬃,20牛水收然*21化学水处理役得，22MttKI23-4M*Ms24港票25工业水泰，26送网机；27一措粉风机I28-引风机I29烟囱由图。一1看出，向锅炉送水有给水泵；向汽轮机凝汽器送冷却水有循环水泵；排送凝汽器中凝结水有凝结水泵；排送热力系统中各处疏水有疏水泵；为了补充管路系统的汽水损失，又设有补给水泵；排除锅炉燃烧
5、后的灰渣设有灰渣泵和冲灰水泵；另外，还要供给汽轮机各轴承润滑用油的润滑油泵；供各水泵、风机轴承冷却用水的工业水泵等。此外，炉膛燃烧需要煤粉和空气，为此设有排粉风机、送风机，为排除锅炉燃烧后的烟气，设有引风机。由上述泵与风机中不难看出，用泵输送的介质有给水、凝结水、冷却水、润滑油等；用风机输送的介质有空气、烟气以及煤粉与空气的混合物和水与灰渣的混和物等。虽然都是泵与风机，但各有不同的工作条件和要求，如给水泵需要输送压力为几个甚至几十MPa,温度可高达200C以上的高温给水，循环水泵则要输送每小时高达几万吨的大流量冷却水，引风机要输送100200C的高温烟气，灰渣泵、排粉风机则要输送含有固体颗粒的
6、流体。因此，需要满足各种工作条件和要求而具有不同结构型式的多种泵与风机。在发电厂的电力生产过程中，由于泵与风机发生故障而引起停机、停炉，发不出电的例子很多，并由此造成巨大的经济损失。实践证明，提高泵和风机的安全可靠性是尤为重要的。特别是当今，机组向大容量、单元制方向发展，对泵与风机的安全可靠性与主机具有等同的要求。如有两台循环水泵的汽轮机，其中一台循环水泵发生故障，汽轮发电机就要降低出力。又如现代的大型锅炉，容量大、汽包的水容积相对较小，如果锅炉给水泵发生故障而中断给水，则汽包在极短的时间内“干锅”迫使停炉，甚至停机。由此表明，泵与风机的安全经济运行是与电厂的安全经济运行密切相关的。另外，泵与
7、风机在电厂中耗电量很大，各类泵与风机总耗电约占整个厂用电的70%80%,整个厂用电约占发电量的12%左右。由此可见，提高泵与风机的效率，降低耗电量，是减少电厂厂用电，提高发电厂供电能力，降低成本的一个重要途径。假如这些泵与风机的效率从80%降到70%,则它们将多消耗7-H.4MW的电量。由此可见，减小流体在系统内的流动阻力损失，合理地调节运行工况，提高泵与风机的效率，降低耗电量，是减少厂用电、降低发电成本及提高电厂经济效益的关键之一。因此，从事电厂热力设备运行专业各工种的运行人员，必须具有流体力学和泵与风机知识，掌握流体在系统中的流动规律和泵与风机等热力设备的性能特点，在实践中不断提高自身运行
8、分析和操作技能，这样才能确保系统及有关热力设备在安全经济的状态下运行。另外，本课程的内容也为学习汽轮机设备、锅炉设备、热力设备试验、单元机组运行、热力发电厂等后续课程提供了必备的基本理论知识。由此可知，对热动类专业的学生而言，学好本课程是极为重要的。二、流体力学和泵与风机的发展概况流体力学、泵与风机和其他学科一样，也是人类在生产实践过程中建立和发展起来的，今后还将随着生产力水平的提高而更加成熟和完善。在古代，人类为了生存，在向洪水作斗争、向自然要动力的过程中，积累了丰富的实用水力学和简单流体机械的知识。例如我国公元前两千多年前的大禹治水，春秋战国和秦朝时修建的都江堰、郑国堰和灵渠三大古老水利工
9、程，隋朝时开通的闻名中外、全长为1782klll的京杭大运河，在生产和生活中使用的序斗、吊杆、辘护、水车、风箱等简单流体机械，以及古希腊学者阿基米德在公元前250年撰写的论浮体论文都是古人在流体力学、泵与风机学科中留下的宝贵历史遗产。但是，流体力学作为一门独立的学科是从18世纪开始的，经过欧拉、伯努利、拉格朗日，拉普拉斯等科学家的研究，从建立流体力学模型开始，以严格的数学分析为工具逐步建成了古典理论流体力学。由于这种理论在建立模型时，常常忽略或简化流体勃性等性质，因此，所得结论与复杂的实际流动总是存在一定的误差。于是人们为了解决生产实践中的问题，又通过大量的试验和观察，以经验公式和系数的形式总
10、结流体运动规律，建立了实用水力学。在这方面，达西、威斯巴赫、雷诺等学者做出了杰出的贡献。由于这种试验性的科学忽视理论而无力概括与分析大量试验的数据，因而它的应用受到较大的限制。此后，到19世纪，经过纳维尔、柯西、波阿松、斯托克斯等科学家的研究，建立了纳维尔斯托克斯方程，并在本世纪又融入了儒可夫斯基研究的机翼理论、普朗特提出的附面层理论以及我国著名工程热物理学家吴仲华教授发表的“轴流、离心及混流透平机械内亚声速与超声速三元流体一般理论”等，使理论流体力学与实用水力学走向结合，形成了一门比较完善的应用学科工程流体力学,随着计算机水平的迅速提高，这门学科在解决工程中流体力学和流体机械的实际问题时发挥
11、着越来越大的作用。泵与风机的快速发展始于18世纪，由于蒸汽机的发明和采矿、钢铁工业的需要，出现了一种比较完善的以蒸汽机为动力的往复式泵与风机。之后又发明了离心式和轴流式泵与风机。与此同时欧拉和儒可夫斯基分别研究出叶片式泵与风机的基本方程式和升力公式，为泵与风机的设计提供了理论根据。到19世纪末，由于电动机的发明，泵与风机在工农业生产中得到了广泛的应用。本世纪50年代初，我国吴仲华教授的三元流动一般理论，又使流体机械的设计理论上升到一个新的高度，对流体机械的高速发展作出了很大的贡献。随着科学技术的不断进步，泵与风机正向着大容量、高转速、高效率及自动化等方向发展。1 .大容量50年代，50MW的发
12、电机组被看做是一个重大的技术成就，而今天，这一动力只能用来驱动一台1300MW大型机组的给水泵。近年来，国内200MW、300MW机组不断增多，国产300MW机组配套的两台DG500240型离心式锅炉给水泵，驱动功率每台为5500kWo而目前大型锅炉给水泵的驱动功率已接近6000kWo给水泵的压力也从超高压13.715.7MPa,亚临界压力17.720MPa,已发展到超临界压力25.629.4MPa,近年来，有压力更高达50MPa以上的产品。风机方面，300MW机组原配套0.7-11N923型送风机，已用引进西德T1.T公司的FAF20-10-1型动叶可调轴流式风机代替；原配套的O.711N9
13、29型引风机，己用引进丹麦诺迪斯克公司的ASN3000/200ON动叶可调轴流风机所代替。日本袖浦100OMW机组的轴流式送风机，其驱动功率为8000kW,美国阿姆斯电厂1300MW机组的离心式送风机、驱动功率为6700kW,这些都是目前世界上热力发电厂的最大的辅助设备。但是泵与风机发展到大容量后，所采用的型式是不同的，由于对泵要求的压力高，因此采用高速离心式。而风机并不要求把风压提高，所以向轴流式发展。2 .高速化随着单元机组容量的增大，泵与风机容量迅速增加，尤其是给水泵压力快速增长，导致转速也很快提高。60年代，给水泵转速一般为3000rmin,近年来已提高到7500r/min,泵的单级扬
14、程由20Om左右增加到1150m以上，如美国660MW机组配套的给水泵，转速为6500rmin,总扬程达2317m；因而级数从5级减少到2级，相应的轴的长度大大缩短，趋向于采用短而粗的刚性轴。由于转速的提高，泵的外形尺寸大为减小，重量减少，节省了材料，搬运维修都更方便，由此带来的经济效益是十分显著的。3 .高效率泵与风机是耗能大户，泵的电能消耗占全国电能消耗的21%,风机占10%以上。从发电厂看，泵与风机耗电量占厂用电量的70%80%,其中泵约占50%,风机约占30%。国务院节能2号指令规定：凡离心泵、轴流泵效率低于60%,通风机、鼓风效率低于70%,必须分批分期地予以改造或更换。这些年来，我
15、国在这方面做了大量工，如改进后的二4一13.2(73)型后弯机翼叶片离心式送引风机的效率可达90%左右，原IOSh6型泵改进为250S65型，效率由79%提高到84%,原DG5-140型给水泵，改进为DG450180型后，效率由72%提高到?9%。4 .可靠性由于泵向大容量、高速化方向发展，因此对泵的可靠性要求越来越高。前苏联投入很大力量从事泵的汽蚀研究，如研究汽蚀新生、潜在汽蚀、断裂汽蚀等；人们从事材料研究，进行材料抗汽蚀能力的试验，研究评价方法和预测泵零件汽蚀寿命的方法；还从事密封研究，近几年在工业中广泛应用端面密封，在输送腐蚀性和磨损性介质时，这种密封能承受压力达45MPa,温度为一20
16、0十450,摩擦滑动速度达100ms.目前，具体对大型锅炉给水泵提出下列可靠性的要求：到大修时的工作寿命为1500030000h;转子的振动稳定性(在轴承体处测量)不应大于3550m；振动速度的均方值不应超过78.5mm/s：不会由于热膨胀而破坏泵的对中；泵和管路表面温度低于45C;限制最小启动时间；泵体上下温度差不超过1520C;泵转子可以在n=1015rmin下转动。最近还提出了泵中汽化时泵能干转5min的要求等。风机容量也在增大，可靠性要求同样愈来愈高。据报道，美国西屋电气公司建成一台6.7MW(9000hp)的变速汽轮机驱动的试验台。还对风机安全可靠性做超速试验、振动试验、临界转速和谐
17、振转速试验等。5 .低噪声热力发电厂是一个强烈的噪声源，如300MW机组的送风机附近的噪声高达124dB,一般希望控制在90dB以下，其他引风机、给水泵、电动机、球磨机等也是高噪声源。噪声污染如同空气污染、水污染一样，对人们健康是十分有害的。随着工业的发展和环境保护、劳动保护科学技术的进步，噪声的危害不仅被人们所认识，而且已被设法进行控制。6 .自动化随着科学技术的发展，自动检测技术、自动控制技术和电子计算机已不仅逐步应用于泵与风机的设计、绘图、制造过程中，而且还日益广泛地应用在泵与风机的运行上，如泵与风机的自动启停；流量、压力、温度等参数的自动检测、显示和控制；主要参数的上下限报警以及泵与风
18、机的自动联锁、保护等。不仅如此，国内外有的泵与风机的实验装置已实现自动化。总之，自动化水平随着机组大容量化和高速化而不断地发展和提高。众所周知流体力学和泵与风机不仅在我国航空航天等领域内得到了广泛的应用和高速发展，而且在我国电力工业的发展上也取得了巨大成就。解放前，全国发电设备完全依赖国外进口，单机最大容量小于6000kw,总装机容量也只有1850。但是，解放后发展迅速，特别是党的十一届三中全会以来更是以惊人的速度发展。以长江葛洲坝水电站和黄河小浪底水电站为代表的投运水电装机容量约为7*10IMWo当今世界最大的长江三峡水电站总装机容量达1.82xl0MW,单机容量为700MW。在核能发电方面
19、，我国的秦山和大亚湾两座核电站，总容量达3268MW。这些令世人瞩目的成就以及即将启动的南水北调等工程，都充分说明，我国已经并且还将进一步为促进工程流体力学和泵与风机朝着更高、更新的阶段发展作出应有的贡献。上篇流体力学课程讲义绪论一、“流体力学”名称简介1、工程流体力学中的流体，就是指以这两种物体为代表的气体和液体。气体和液体都具有流动性，统称为流体。2、研究对象流体力学是力学的一个分支。它专门研究流体在静止和运动时的受力与运动规律。研究流体在静止和运动时压力的分布、流速变化、流量大小、能量损失以及与固体壁面之间的相互作用力等问题。3、应用流体力学在工农业生产中有着广泛的应用，举例。4、流体力
20、学的分支流体力学的一个分支是液体力学或叫水力学。它研究的是不可压缩流体的力学规律。另一分支是空气动力学，研究以空气为代表的可压缩流体力学，它必须考虑流体的压缩性。本书以不可压缩流体为主，最后讲解与专业相关的空气动力学部分的基础内容。一般来说，流体力学所指的范围较为广泛，而我们所学习的内容仅以工程实际需要为限，所以叫“工程流体力学”。二、学科的历史与研究方法简介1、学科历史流体力学是最古老的学科之一，它的发展经历了漫长的年代。例：我国春秋战国时期，都江堰，用于防洪和灌溉。秦朝时，为了发展南方经济，开凿了灵渠，隋朝时开凿了贯穿中国南北，北起涿郡（今北京），南至余杭（今杭州）的大运河，全长1782k
21、m,对沟通南北交通发挥了很大作用，为当时经济的发展做出了贡献。在国外，公元前250年，古希腊学者阿基米德就发表了论浮体一文。到了18世纪，瑞典科学家DanieIBemOUHi伯努利（17001782）的水动力学或关于流体运动和阻力的备忘录奠定了流体力学的基础。2、研究方法一方面，以理论方程为主线，将流体及受力条件理想化，忽略次要影响因素，建立核心方程式。在这方面最有代表性的就是伯努利于1738年建立的能量方程。另一方面，采取实验先行的办法。开始了实用水力学的研究，在一系列实验理论的指导下，对理论不足部分反复实验、总结规律，得到经验公式和半经验公式进行补充应用。在这方面最有代表性的是尼古拉兹实验
22、、莫迪图等。理论研究和实验两方面的相互结合，使工程流体力学发展成为一门完善的应用科学。三、本课程在热力发电厂中的作用热力发电厂的生产过程简单的说就是能量转换的过程。流体是必不可少的中间载体由管路组成的循环系统中，流动着的水、汽、油、空气、烟气等都是流体。管路中流体与颜色的关系：红颜色一一饱和蒸汽、过热蒸汽；绿颜色一凝结水、给水；黄颜色油；，蓝颜色一一空气；黑颜色冷却水、工业水、烟气等。第一章流体及其物理性质本章学习目标：理解流体的主要物理性质：密度、压缩性和膨胀性、粘性、表面张力和毛细现象。流体的力学性质在日常生活中能感受到，但通过学习应上升到理性。对物理现象用数学模型来定量描述，以便严格定义
23、，准确计算。概念只有用数学工具准确计量才能上升为科学。本章涉及的数学知识都是普通的微积分知识。本章学习内容：1.1 流体的定义、特征和连续介质假设一、流体的定义和特征1、定义：通常说能流动的物质为流体，液体和气体易流动，我们把液体和气体称之为流体。力学的语言：在任何微小剪切力的持续作用下能够连续不断变形的物质，称为流体。2、特性具有流动性和不能保持一定形状的特性液体和气体除具有上述共同特性外，还具有如下的不同特性：液体：很不易被压缩，以致一定重量的液体具有一定的体积，液体的形状取决于容器的形状，并且由于分子间吸引力的作用，液体有力求自身表面积收缩到最小的特性。所以，当容器的容积大于液体的体积时
24、，液体不能充满容器，故在重力的作用下，液体总保持一个自由表面(freeSUrfaCe)(或称自由液面),通常称为水平面(horizomalsurface)o气体：具有很大的压缩性。此外，因其分子距与分子平均直径相比很大，以致分子间的吸引力微小，分子热运动起决定性作用，所以气体没有一定形状，也没有一定的体积，它总是能均匀充满容纳它的容器而不能形成自由表面。二、流体连续介质假设(fluidcontinuumhypothesis)1、定义：在流体力学中，取流体微团来作为研究流体的基元。所谓流体微团是一块体积为无穷小的微量流体，由于流体微团的尺寸极其微小，故可作为流体质点看待。这样，流体可看成是由无限
25、多连续分布的流体微团组成的连续介质。2、意义当把流体看作是连续介质后，表征流体性质的密度(density)、速度(VeloCity)、压强(PreSSUre)和温度(temperature)等物理量在流体中也应该是连续分布的。这样，可将流体的各物理量看作是空间坐标和时间的连续函数，从而可以引用连续函数的解析方法等数学工具来研究流体的平衡和运动规律。流体作为连续介质的假设对大部分工程技术问题都是适用的，但对某些特殊问题则不适用。1.2 流体的密度一、流体的密度(fluiddensity)1、定义：单位体积流体所具有的质量称为流体密度，用符号P来表示，它的物理意义表示流体在空间分布的密集程度。2、
26、公式：对于流体中各点密度相同的均质流体(homogeneousfluid),其密度：p=(1-1)式中P流体的密度，kg11;m流体的质量，kg；V流体的体积，m3,对于各点密度不同的非均质流体(!)01111011108腿05。山(1),在流体的空间中某点取包含该点的微小体积AV,该体积内流体的质量为Am,则该点的密度为：.mdm八11=hm4=(12)喻。AVdV二、流体的相对密度流体的相对密度是指某种流体的密度与4C时水的密度的比值，用符号d来表示。d=11f/11,式中：11f一流体的密度，kg/m3;Kw-4时水的密度，kg11?;三、影响流体密度的因素(教材第3页附表)不同种类流体
27、的密度不同，同一种类流体的密度随压力和温度的变化而变化。四、重度1、定义：流体单位体积的重量称为重度Y。2、公式：=GN3Vm3、重度和密度关系：Y=Pg13流体的压缩性和膨胀性随着压强的增加，流体体积缩小；随着温度的增高，流体体积膨胀，这是所有流体的共同属性，即流体的压缩性和膨胀性。一、流体的膨胀性(FIuidexpansibilhy)1、定义：在一定的压强下，流体的体积随温度的升高而增大的性质称为流体的膨胀性。2、表示方法：流体膨胀性的大小用体胀系数匕来表示，它表示当压强不变时，升高一个单位温度所引起流体体积的相对增加量，即a、.=dtV式中：v流体的体胀系数，1C,1/K；dt流体温度的
28、增加量，C,K；V一一原有流体的体积，113;dV流体体积的增加量，m3o3、影响体胀系数a、,的因素液体的体胀系数很小，流体体胀系数,与压强和温度有关。对于大多数液体，OV随压强的增加稍为减小。水的a、,在高于50C时也随压强的增加而减小，只有在低于50C时随压强的增加而增大。4、液体膨胀性对于热电厂的意义二、流体的压缩性(fluidcompressibility)1、定义：在一定的温度下，流体的体积随压强升高而缩小的性质称为流体的压缩性。2、表示方法：流体压缩性的大小用压缩率K来表示。它表示当温度保持不变时，单位压强增量引起流体体积的相对缩小量，即K=-(1-5)dpI式中：K一一流体的压
29、缩率，m2N;dp流体压强的增加量，Pa；V一流体的原有体积，m3;dV流体体积的缩小量，m3o由于压强增加时，流体的体积减小，即dp与dV的变化方向相反，故在上式中加个负号，以使压缩率K永为正值。液体的压缩率很小。3、液体的压缩性对于电厂的意义4、气体的压缩性气体的压缩性要比液体的压缩性大得多，这是由于气体的密度随着温度和压强的改变将发生显著的变化。对于完全气体(Perfeetgas),其密度与温度和压强之间的关系可用热力学中P的状态方程式表示，即一二RT(1)P式中P气体的绝对压强，Pa；P气体的密度，kg/m3;T热力学温度，K；R气体常数，J(kgK)在工程上，不同压强和温度下气体的密
30、度可按下式计算：P=P0-一匕27t76式中P为标准状态(0,76OmmHg)下某种气体的密度。如空气的PO=I.293kg/nf;烟气的Po=I.34kg/11f。P为在温度tC、压强PmmHg下，某种气体的密度。1.4流体的黏性一、流体的黏性(fluidviscosity)1、流体与固体的区别：从力学角度看，固体在确定的剪切力的作用下产生固定的变形；流体在剪切力作用下产生连续的的变形，即连续运动。固体变形用虎克定律描述，应力与应变成正比，即F/A与4夕成正比。如何描述流体的连续变形，必须研窕粘性。2、定义：黏性是流体抵抗剪切变形的一种属性。由流体的力学特点可知，静止流体不能承受剪切力，即在
31、任何微小剪切力的持续作用下，流体要发生连续不断地变形。但不同的流体在相同的剪切力作用下其变形速度是不同的，它反映了抵抗剪切变形能力的差别，这种能力就是黏性。3、牛顿流体粘性实验国i流体粘性实验平行平板间充满流体(如水)，板间距为h,下部平板固定(相当于容器底部)上部平板在力尸的作用下匀速直线运动，速度为U。速度分布情况：与下板接触的流体静止，U=O:与上板接触的流体运动，速度与板的速度相同u=U,其间流速线性分布。结论:Oi两板之间的各流体薄层在上板的带动下，都作平行于平板的运动，其运动速度由上向下逐层递减。02由于各流层速度不同，流层间就有相对运动，从而产生切向作用力，称其为内摩擦力。03作
32、用在两个流体层接触面上的内摩擦力总是成对出现的，即大小相等而方向相反，分别作用在相对运动的流层上。二、牛顿内摩擦定律1、定义：运动的流体所产生的内摩擦力(切向力)F的大小与垂直于流动方向的速度梯度(Vek)CiIygradient)du/dy成正比，与接触面的面积A成反比，并与流体的种类有关，而与接触面上压强P无关。2、内摩擦力的数学表达式：F=MA业dy式中F流体层接触面上的内摩擦力，N；A流体层间的接触面积，m2;du/dy垂直于流动方向上的速度梯度，1/s；动力黏度(dynamicviscosity),Pas。当流体处于静止状态或以相同速度运动(流层间没有相对运动)时，内摩擦力等于零，此
33、时流体有黏性，流体的黏性作用也表现不出来。动力粘度越大，表明内摩擦力作用强，粘度对流动影响大流层间单位面积上的内摩擦力称为切向应力(ShearSIreSS)t=3(Pa)Ady3、运动黏度(kinematicviscosity)动力黏度与密度的比值；用符号，表示，即n=H(1-11)O式中V表示运动黏度，m2so4、教材习题讲解17页112题5、影响粘性的因素O1.流体粘性随压强和温度的变化而变化。在通常的压强下，压强对流体的粘性影响很小，可忽略不计。在高压下，流体(包括气体和液体)的粘性随压强升高而增大。流体的粘性受温度的影响很大，而且液体和气体的粘性随温度的变化是不同的。液体的粘性随温度升
34、高而减.小，气体的粘性随温度升高而增大。O2、造成液体和气体的粘性随温度不同变化的原因由于构成它们粘性的主要因素不同。分子间的吸引力是构成液体粘性的主要因素，温度升高，分子间的吸引力减小，液体的粘性降低；构成气体粘性的主要因素是气体分子作不规则热运动时，在不同速度分子层间所进行的动量交换。温度越高，气体分子热运动越强烈，动量交换就越频繁，气体的粘性也就越大。6、教材第8页例题讲解1.5流体的分类一、可压缩流体和不可压缩流体(COmPreSSiblefluidandincompressiblefluid)1定义：dpdl=O的流体称为不可压缩流体，而密度为常数的流体称为不可压均质流体。密度随温度
35、和压强变化的流体称为可压缩流体。2、液体的压缩性液体的压缩性都很小，随着压强和温度的变化，液体的密度仅有微小的变化，在大多数情况下，可以忽略压缩性的影响，认为液体的密度是一个常数。3、气体的压缩性气体的压缩性都很大。从热力学中可知，当温度不变时，完全气体的体积与压强成反比，压强增加一倍，体积减小为原来的一半；当压强不变时，温度升高体积就比Oc时的体积膨胀1/273。所以，通常把气体看成是可压缩流体，即它的密度不能作为常数，而是随压强和温度的变化而变化的。4、实际应用把液体看作是不可压缩流体，气体看作是可压缩流体，都不是绝对的。在实际工程中，要不要考虑流体的压缩性，要视具体情况而定。例如，研究管
36、道中水击和水下爆炸时，水的压强变化较大，而且变化过程非常迅速，这时水的密度变化就不可忽略，即要考虑水的压缩性，把水当作可压缩流体来处理，又如，在锅炉尾部烟道和通风管道中，气体在整个流动过程中，压强和温度的变化都很小，其密度变化很小，可作为不可压缩流体处理。再如，当气体对物体流动的相对速度比声速要小得多时，气体的密度变化也很小，可以近似地看成是常数，也可当作不可压缩流体处理。二、牛顿流体和非牛顿流体(NeWtOnfluidandnon-Newtonuid)1、定义：凡作用在流体上的切向应力与速度梯度之间的关系满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。凡作用在流体上的切向应力与速度梯度之间的关系不满足
37、牛顿内摩擦定律的流体称为非牛顿流体，图14中的曲线A所示为牛顿流体；曲线B、C、D为非牛顿流体；曲线B表示理想塑性体，如牙膏便有这种性质；曲线C表示拟塑性体，如黏土浆和纸浆；曲线D表示胀流型流体，如沙与水的混合物；纵坐标轴表示理想流体；横坐标轴表示弹性固体。三、黏性流体和理想流体(ViSCOUSfluidandidealfluid)1、定义：有黏性的流体(PWo)称为黏性流体或实际流体(realfluid)。没有黏性的流体(PWo)称为理想流体。2、理想流体假设意义理想流体运动时，不论流层间有无相对运动，其内部都不会产生内摩擦力，即无切向应力。在研究理想流体流动的基本规律后，再对黏性的影响进行
38、试验观测和分析，以对理想流体所得结果加以补充和修正，得到实际流体流动的规律。1.6液体的表面性质一、 表面张力(SUrfaCetension)1、表面张力形成原因：当液体与其它流体或固体接触时，在分界面上都产生表面张力，出现一些特殊现象。表面张力的形成主要取决于分界面液体分子间的吸引力，也称为内聚力(CoheSion)。在液体中，一个分子只有距离它约I(TCm的半径范围内才能受到周围分子吸引力的作用。在这个范围内的液体分子对该分子的吸引力各方向相等，处于平衡状态。但在靠近静止液体的自由表面、深度小于约10Cm薄的表面层内，每个液体分子与周围分子之间的吸引力不能达到平衡，而合成一个垂直于自由表面
39、的合力。这个合力从自由表面向下作用在该分子上，当分子处于自由表面上时，向下的合力达到最大值。表面层内的所有液体分子均受有向下的吸引力，从而把表面层紧紧拉向液体内部。由于表面层中的液体分子都有指向液体内部的拉力作用，所以任何液体分子在进入表面层时都必须反抗这种力的作用，也就是必须给这些分子以机械功。2、定义：当自由表面收缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方向相反的作用力，这种力称为表面张力。在不相混合的液体间以及液体和固体间的分界面附近的分子都将受到两种介质吸引力的作用，沿着分界面产生表面张力，通常称为交界面张力。表面张力。的大小以作用在单位长度上的力表示，单位为N/mo3、影响表面张力的因素：（
40、1）与物质的种类有关（2）与温度有关，不同的液体在不同的温度下具有不同的表面张力值。液体的表面张力都随着温度的上升而下降。见教材11页表17、18、19（3）与杂质含量有关从微观的角度看，表面张力是由分子力引起的。4、表面张力对液体自由表面两侧压强的影响若自由表面是一个平面，则沿着平面的表面张力处于平衡状态，平面表面两侧的压强相等；若自由表面是曲面，则表面张力将使曲面两侧产生压强差P-P2,以维持平衡。设在曲表面上取一个边长为dsl和ds2的微元矩形双曲面，双曲面曲率半径各为Rl和R2,夹角为dal和da2,作用在曲面凹面和凸面的压强分别为PI和p2,如图15所示。在微元矩形双曲面两对边dsl
41、和ds2上，表面张力产生一对与边界线正交的向外力。dsl,和ds2,则垂直于曲面的合力沿曲面法线方向的力平衡方程为：田15曲我面的改面张力和丘强(%一%)ds*=2Uiin华2(w1.r3bi,11牛于是得I11,P1.两=”!瓦十天j结论：曲面两侧压强的大小正比于表面张力。，反比于曲表面的曲率半径。二、毛细现象(CaPiHaryPhenOmena)1、润湿与不润湿现象把细管插入液体内，若液体（如水）分子间的吸引力（称为内聚力）小于液体分子与固体分子之间的吸引力，也称为附着力（adhesion）,则液体能够润湿固体，液体将在管内上升到一定的高度，管内的液体表面呈凹面，如图I6（八）所示；若液体
42、（如水银）的内聚力大于液体与固体之间的附着力，则液体不能润湿固体，液体将在管内下降到一定高度，管内的液体表面呈凸面，如图Ifb）所示。例玻璃与水银玻璃与水石蜡与水铜（锌）板与水银不附着附着不附着附着不润湿润湿不润湿润湿90o180o090o90o180o0o由图16（八）可知匚=IXW1&；=36)，一/AZR=D代入上平衡关系式，即得上升高度的计算式：.4o.a入=质R+彳万(一又，接触角。与球冠液面的高度6的关系为：图16（八）中S=Rcos(90*6)-K(IrinJ)=(1sin)COF(I-Ua)图1一6(b)中2=KRcOd(690)=R(I-妨件9)R=JdnS00)=-Gd于是
43、(114b)说明：对于同一细管和液体，！和P是确定的。上升高度h与表面张力和接触角有关,毛细现象是由表面张力和接触角决定的。水与玻璃的接触角约为8.5,由(1-14a)得：九舟-1ai118.5*)-0.8G2r、co$.5将上式代入(1-13),得水在细玻璃管中的上升高度为:=一324,(115)对于很细的玻璃管，水的凹表面可近似地看作是一个半球面，则。=0,6=R=r,于是由式(1一13)可得_2r即一诙一1(1-16)水银与玻璃的接触角约为140,由式(1145得二三77?(15in110o)0.466rCDS14U将上式代人式(113),得水银在细玻璃管中的下降高度为人_j嗡fiZ】叼
44、(117)4、结论,由式(115)和式(1一17)可知，当细管半径r越小时，入的绝对值就越大。所以，当用内径很细的管子作液柱式测压计和液位计的管子时，会造成较大的测量误差。一般来说，对于水，细管的内径应大于14mm；对于水银，细管内径大于IOmm时，由于毛细现象产生的测量误差已很小，不必加以修正。5、教材例题讲解1.7作用在流体上的力作用在流体上的力可以分为两大类：表面力和质量力。一、表面力(SIIrfaCeforce)1、定义：表面力是指作用在流体中所取某部分流体体积表面上的力，也就是该部分体积周围的流体或固体通过接触面作用在其上的力。2、表面力特点：表面力和作用面不一定垂直；何分解为正应力
45、和切应力两部分)即与流体表面垂直的法向力(normalforce)P和与流体表面相切的切向力(Shearforce)T,在连续介质中，表面力不是一个集中的力，而是沿表面连续分布的。因此，在流体力学中用单位表面积上所作用的表面力(称为应力)来表示。应力可分为法向应力(normalStreSS)和切向应力(tangentialStreSS)两种。3、计算如图1一7,在流体中取出被表面积为止的封闭曲面所包围的某部分流体体积y,则周围流体必然有力作用在这个体积y的表面积A上。在表面积A上围绕凸点取一微元面积AA,周围流体作用在其上的表面力为aP,则a点的法向应力和切向应力的数学表达式分别为：单位:Pa二、 质量力(massforce)1、定义：质量力是指作用在流体某体积内所有流体质点上并与这一体积的流体质量成正比的力，又称体积力。在均匀流体中，质量力与受作用流体的体积成正比。是一种非接触力。2、表现：Ol由于流体处于地球的重力场中，受到地心的引力作用，因此流体的全部质点都受有重力，TlG=mg这是最普遍的一个质量力。O2当用达朗伯(DAIemben)原理使动力学问题变为静力学问题时，虚加在流体质点上的惯性力也属于质量力。惯性力的大小等于质量与加速度的乘积，其方向与加速
