2018一级注册建筑师考试《建筑结构与设备》讲义：流体的基本特征

2018一级注册建筑师考试《建筑结构与设备》讲义：流体的基本特征

　　流体的基本特征及流体力学的基本概念

　　一、流体的基本特征

　　流体运动的规律与作用于流体的外部因素及条件有关(例如水的压力、温度等)，但主要决定于流体本身的内在物理性质。

　　1、易流动性

　　2、质量及密度 ρ=m/V

　　3、重量及重度 γ=G/V 单位为N/m3 1kg=9.8N

　　4、黏性

　　流体在运动时，具有抵抗剪切变形能力的性质，称黏性。它是由于流体内部分子运动的能量传输所应起。当某流层对于相邻层发生相对位移而引起体积变形时，流体中所产生的切力(也称内摩擦力)就是这一性质的表现。由于内摩擦力，流体部分机械能转化为热能而消失。(在能量方程式中称为水头损失)

　　例举：河流中水流的流速梯度(图形-板画)

　　流层间的切力(内摩擦力，作用与相邻流层间的力，非流层内部的力)T的大小与流体的黏性有关()，并与流速梯度du/dy和接触面及A成正比，而与接触面积上的压力无关，即

　　T=μA(du/dy)

　　单位面积上的切力的切力，即切应力τ为

　　τ=μA(du/dy)

　　μ—黏度(与流体黏性有关的系数，单位为Pa·s)

　　μ的数值随流体种类的不同而不同，且随流体压强和温度的变化而变化。

　　对于液体来说，随着温度升高，黏度值减少;对于气体来说则反之。

　　5、压缩和膨胀性

　　当作用在在流体的压强增大时流体体积减小，压强减小时流体体积增大的性质称流体的压缩性，实际上又可称为流体的弹性。

　　当流体所受的温度升高或降低时，流体体积膨胀或收缩的性质称为流体的膨胀性。

　　流体的压缩性，一般以压缩系数β和体积模数K来表示。

　　不同流体具有不同的β和K，同一流体中它们随温度和压强的变化而变化。

　　一般情况下，水的压缩性和膨胀性都很小，可忽略不计。

　　在某些特殊情况下，如水击(高压强)、热水输送(高温度)等，需考虑压缩性和膨胀性。

　　二、流体静力学

　　概念：P7～8

　　(一)压强的计量单位和表示方法

　　压强的法定计量单位：帕(Pa)

　　标准大气压：温度为0℃，纬度为450℃时，海平面上的压强，用atm表示。相当于760㎜水银柱对柱底部所产生的压强。1atm=1.013×105Pa

　　大气压强的计量方法：

　　1、绝对压强(p’)：

　　以完全真空状态为压强零点，所测得的压强为绝对压强。

　　2、相对压强(pa)：

　　以当地大气压强作为零点测得的压强。

　　3、绝对压强与相对压强的关系：

　　绝对压强与相对压强之间相差一个大气压(当地气压)

　　p= p’- pa

　　绝对压强值总是正值，但与标准大气压强值相比可能大于标准大气压强也可能小于标准大气压强。

　　相对压强可正可负，例如，广州的高程大约是在20m～80m的范围，如以平均高程50m作为相对压强的基准点，那么大于50m的压强就为正值，小于50m的压强就为负值。

　　在水工建筑物中，水流和建筑物的表面均受大气压的作用。在计算建筑物受力时，不需考虑大气压的作用，常用相对压强来表示。在今后的讨论和计算中，一般是指相对压强，一定要用绝对压强来表示的话则应加以说明。如果自由表面的压强p0=pa，(自由表面上未设置加压装置)则有p=hγ(此时，以当地大气压为零点进行计算)。

　　4、真空压强：

　　但流体中某点的绝对压强小于大气压时，流体中就出现真空。真空压强以pv表示：

　　pv=pa - p’

　　就是某点的绝对压强(设置了减压设备，如抽水机里的真空泵等，改变了抽水机内外的绝对压强，外部的水在大气压的作用下进入抽水机里)小于大气压的部分，不是绝对压强本身，也就是说该点相对压强的绝对值就是真空压强。

　　提一个小问题：

　　同学们如果到西藏旅游，最关心的是什么?

　　(提示：外部生存条件的改变)

　　若用液柱高度来表示真空压强的大小即真空度hv

　　hv= pv /γ

　　γ可以用水或水银的重度

　　几种压强区分(见图P.9 图1-2)

　　同学们自己看10分钟，看看明白没有

　　(二)静止流体压强特性及其分布

　　1、流体静压强的的两个特性(矢量特性)

　　一是流体静压强的方向总是沿着作用面的内法线方向，即垂直作用面并指向作用面。

　　二是静止流体中任一点上流体静压强的大小与其作用面的方位无关，即同一点上静止压强大小均相等。

　　例如液体在试管同一截面上的各点的压强是相等的。

　　2、重力作用下流体的平衡方程

　　在许多实际工程中，静止流体所受的质量力只有重力。这种流体称为静止重力流体。对于静止不可压缩均质流体来说，总有一平衡方程式

　　Z+p/γ=C

　　对于静止流体中任意两点，上式可写为

　　Z1+p1/γ=Z2+p2/γ

　　或

　　p2=p1+(Z1-Z2)=p1+γh

　　Z—单位位能(从某一基准面算起所具有的位能)

　　p/γ—单位压能(单位重量所具有的压能)

　　流体静力学基本方程式的物理意义

　　在静止流体中任一点的单位位能与单位压能之和，亦即单位势能为常数

　　对于气体来说，由于重度γ较小，气体中任意两点的静压强高差不大时，可认为相等。

　　对于液体来说，在自由表面上的静压强po常为大气压，是已知的。由上式可知，液体中任一点的静压强p为

　　p=p0+γh

　　该式称为：水静力学基本方程(P.10)

　　3、静压强分布图

　　液体静压强的分布随淹没深度h的变化而呈梯度变化。

　　例举：水池的设计及施工方法(最大压力在距水池底部1/3总高度处)

　　(三)压强的测量方法(同学们自己看)

　　三、流体动力学(对基本概念理解)

　　流体动力学是研究运动而不涉及力的规律及其在工程中的应用。

　　凡表征流体运动的各种物理量，如质量力、表面力、速度、密度、动能、能量等，都是运动要素。研究流体运动就是研究其运动要素随时间和空间的变化以及建立它们之间的关系。

　　(一)基本概念(P.12～14)

　　1、恒定流与非恒定流

　　2、压力流与无压流

　　3、流线和迹线

　　4、均匀流与非均匀流

　　5、元流、总流、过流断面、流量与断面平均流速

　　(1)元流

　　流体运动时，在流体中截取一个微积分微小面积dω，并从dω面上各点引出流线，流线形成一股流速称为元流，见图1-8(P.13)。

　　在元流内的流体不回流到元流外面，在元流外面的流体亦不会流进元流中去。由于dω很小，可以认为dω上各点的运动要素(压强与流速)相等。

　　(2)总流

　　无数元流的总和称为总流。

　　(3)过流断面

　　流体运动时，与元流或总流的全部流线正交的横断面称为过流断面。用

　　dω或ω表示，单位为㎡或cm2。均匀流的过流断面为平面;渐变流的过流断面可视为平面;非均匀流的过流断面为曲面。见图1-9(p.13)

　　(4)流量

　　流体运动时，单位时间内通过过流断面的流体体积称为体积流量，用符号Q表示，单位是m3/s或L/s。

　　一般流量是指体积流量。

　　(5)断面平均流速

　　流体运动时，断面各点流速一般不易确定，而工程中无须确定时，可采用断面平均流速(v)来简化流动。如图1-10(p.14)所示。

　　流量、过流断面和平均流速的关系

　　v=Q/ω

　　(二)恒定流的连续方程式

　　恒定流连续线方程式是流体运动的基本方程式之一。工程中应用广泛。

　　表达式

　　Q1=Q2 (流体不可压缩时) 在一个时间段内流体进出的质量相等。

　　ω1v1=ω2v2

　　(三)恒定总流能量方程式

　　利用能量守恒定律导出

　　1、恒定总流实际液体的能量方程式

　　1738年荷兰科学家·伯努里根据功能原理建立了不考虑黏性作用的理想液体能量方程式。然后，考虑液体黏性影响，推出1-1和2-2断面(见图1-11 P.14)间流段实际液体恒定总流的能量方程——伯努里方程式

　　z1+p1/γ+αυ12/2g= z2+p2/γ+αυ22/2g+hω1-2

　　z1、z2 —过流断面1-1、2-2单位重量液体位能，也称位置水头;

　　p1/γ、p2/γ—过流断面1-1、2-2单位重量液体压能，也称压强水头;

　　αυ12/2g、αυ22/2g—过流断面1-1、2-2单位重量液体动能，也称

　　流速水头;

　　hω1-2—单位重量液体通过流段1-2的平均能量损失，也称水头损失

　　(1-2距离很短是水头损失很小，可不考虑，当长距离供水时，需考虑中途设置加压站以保持一定的供水压力)

　　α—动能修正系数，为用断面平均流速υ代替质点实际流速u计算所造成误差的修正。

　　能量方程式中每一项单位都是长度，都可以在断面上用铅直线段在图中表示出来。这可以对方程式中各项在流动过程中的变化关系以更形象地描述(压强和流速可用测压管和测速管测定)。

　　总水头线：

　　把各个断面上的总水头H=(z+p/γ+αυ2/2g)连成一条线，则此线为总水头线如图1-12虚线。在实际水流中由于水头损失hω1-2的存在，所以总水头线不可能是水平线，他总是沿流程下降的倾斜线。

　　总水头坡度(水力坡度)：

　　总水头沿流程的降低值hω1-2与沿程长度l的比值，用i表示

　　i=hω/l

　　测压管水头线：

　　把各个过流断面上的测压管所测得的测压管水头(z+p/γ)连成线，如图1-12中实线所示，则该线称为测压管水头线，测压管线可能是水平线(供水管管径无变化，无渐变截面)，也可能升高或下降，也可能是曲线。

　　2、实际气体恒定总流的能量方程式(请同学们自己看一看)

　　提示：公式中，由于气体重量很小，放弃z重力作功

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