流体流动1流体流动现象1由小区供水引出流体流动某.doc

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第一章流体流动
§ 1流体流动现象
1-1由小区供水引出流体流动
某新建的居民小区，居民用水拟采用建水塔方案为居民楼供水，如图 1-1所示。
用泵将水送到高位水塔，水塔中的水源源不断的送到一、 二、三楼的用户 m、v2、v3）。
这里引出三个问题： 第一个问题是，为了保证一、二、三楼有水，就要维持楼底水管中有一
定的水压（60000 Pa表压），为了维持这个表压，水塔应建多高？ 即图中的H =?当然水
塔高度的计算，有许多因素要考虑，水压仅是因素之一。 第二个问题是，若水塔高度 H确
定了，需要选用什么类型的泵？ 即图中泵的有效功率 Ne二？第三个问题是，保持楼底水压
为60000 Pa表压，那么一、二、三楼出水是均等的吗？ 即图中V1 : V2 :V^ ?当然，图1-1
的供水系统是实际供水系统简化又简化了的。 学完流体流动这一章，就能系统解决上述的三
个问题了。
1-2几个物理名词
，称为流体的密度。 ’ kg
V
重度一一工程单位制中，表示密度的单位，其数值与密度相同。 kgf m^
比重一一物料密度与纯水（ 277 K时）密度之比，其数值的一千倍等于密度的数
值。
1
比容一一密度的倒数。V二一
P
，称为流体的压强。 p二上 Pa
A
绝对压强一一压强的实际数值。
表压一一某体系之绝对压强高出当地大气压之差值，称为该体系的表压。
真空度一一某体系之绝对压强低于当地大气压之差值， 称为该体系的真空度。 如图
1-2所示。
•••表压=绝压-
真空度=当地大气压-绝压
疋，
3.
流量一一有体积流量与质量流量两种
体积流量（V）――单位时间流过导管任一截面的流体体积,
3 -1
m s
质量流量（W）――单位时间流过导管任一截面的流体质量,
kg s_1 ；
质量流量 kg s4 =体积流量 m3 s4 流体密度=V m3 s4 ' kg m
流速（u）――流体质点于单位时间内在导管中流过的距离， ms-1
流速
体积流量V
导管截面积A
真空度亦为负表压
需要记住以下常用数据:
1[atm] =101330 Pa == 工程大气压=760 mmHg
空气 — m； , J = 10‘Sl 单位,
Cp - kg4 K"，管内流速取 8~15m s'
水 —1000kg m" , J =1 厘泊二 1 10"si 单位，
Cp = kJ kg' K‘ ,管内流速取 1~3m s
1-3牛顿粘性定律
首先应指出，这是个实验性定律，是通过实验得出的。
站在长江大桥上，人们可以看到，江中心水急浪大，江岸两边，水流速度小，证明流 速存在一个流动分布，如图 1-3所示。横渡过长江的人，体会更深刻。
#
图1-3 江面流速分布示意图
在圆管中流动的流体，我们可以想象它们是由无数的速度不等的流体圆筒所组成，如 图1-4所示。
图1-4 粘度定律推导示意图
我们选相邻两薄圆筒流体（1，2）进行分析。设两薄层之间垂直距离为
dy，两薄层
速度差为du，即（U2 ），两薄层之间接触的圆筒表面积为 A，两薄层之间的内摩擦力
为F '。实验证明，对于一定流体，内摩擦力F '与接触面积 A成正比，与速度差du成反比,
此即牛顿粘度定律。
A du dy
二-A dU
dy
(A)
称为剪应力（单位面积上所受的内摩擦力）
，N m"2 ；
称为速度梯度（垂直于流体运动方向的速度变化率）
_1
s_
J ――比例系数，称为粘度或动力粘度。
式（A ）即为牛顿粘度定律。 用一句话表述牛顿粘度定律，就是流体内部所受的剪应 力与速度梯度成正比。
l du d(mu )
■■■ F =ma =m
dt dt
(B)
改写式(A)得: 二込」竺
A A dt dy
式中 加土为单位面积的动量变化率， 称为动量通量，所以牛顿粘度定律另一说法是,
A dt
动量通量与速度梯度成正比。
顺便介绍一下，服从牛顿粘度定律的流体，我们称为牛顿型流体。不服从牛顿粘度定 律的流体，我们称为非牛顿型流体。
非牛顿型流体有三种，其剪应力与速度的关系如图 1-5所示。
①塑性流体
.但
dy
#
#
n <1
②假塑性流体
③涨