1、流體力學泵與風機流體的物理性質第1頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四1內 容 簡 介本書為高等職業技術教育建筑設備專業規劃教材，全書共12章，主要內容有：流體靜力學，一元流體動力學，流動阻力與能量損失，管路計算，孔口、管嘴出流和氣體射流，流體測量，明渠流動、堰流和滲流，泵與風機的構造及工作原理，泵與風機的基本理論，泵與風機的運行和選型與使用管理，其它常用泵與風機等。本教材適用于高職高專院校建筑環境與設備工程技術、供熱通風與空調工程技術、制冷工程技術、給排水工程技術等專業，也可供相關專業的師生及工程技術人員參考。內 容 簡 介第2頁，共51頁，2022年，5月20日，10

2、點57分，星期四2本教材從培養高等素質技能型人才的目標出發，以工學結合為主線，以學生的實際水平和職業要求為出發點，精選教學內容，減少數理論證，著重于基本概念的理解和基本原理的應用，不追求體系完整和內容全面，突出實用性和實踐性。內容敘述力求結構合理，層次分明，深入淺出，通俗易懂，各章除配有“知識點”“能力目標”外，還配有“小結”，“思考題與習題”，同時，為便于自學，書末附有部分習題的參考答案。 本教材流體力學引言、第1、7章由徐州建筑職業技術學院白樺編寫，第4、8章由邢臺建筑職業技術學院鮑東杰編寫，第2、3、6章由徐州建筑職業技術學院劉前 言第3頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分

3、，星期四3 紅俠編寫，第5章由廣西建筑職業技術學院周舟編寫，泵與風機引言、第9、10章由黑龍江建筑職業技術學院趙云鵬編寫，第11、12章由邯鄲建筑職業技術學院王京編寫。本書由白樺、鮑東杰擔任主編，趙云鵬擔任副主編，由徐州建筑職業技術學院劉家春教授擔任主審。全書由白樺統編定稿。本教材編寫過程中，參考引用了有關院校編寫的教材和生產科研單位的技術資料及研究成果，在此一并表示感謝！由于編者水平有限，書中不妥之處，懇請讀者批評指正。 前 言第4頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四4第一部分 流體力學流體力學 泵與風機第5頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四51

4、 流體力學及其研究對象流體力學是一門應用性廣、基礎性強的學科，它研究的對象主要是流體的內部及其與相鄰固體和其它流體之間的動量、熱量及質量的傳遞和交換規律。流體是氣體和液體的總稱。 流體力學是力學的基本原理在液體和氣體中的應用。力學原理包括質量守恒、能量守恒和牛頓運動定律。流體力學的基本內容可以分為：研究流體處于平衡狀態時的壓力分布和對固體壁面作用的流體靜力學；研究不考慮流體受力和能量損失時的流體運動速度和流線的流體運動學；研究流體運動過程中產生和施加在流體上的力和流體運動速度與加速度之間關系的流體動力學。 流 體 力 學第6頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四62 流體力

5、學的發展流體力學是人類同自然界作斗爭和在生產實踐中逐步發展起來的。古時中國有大禹治水疏通江河的傳說；秦朝李冰父子帶領勞動人民修建的都江堰，至今還在發揮著作用；大約與此同時，古羅馬人建成了大規模的供水管道系統等等。對流體力學學科的形成作出第一個貢獻的是古希臘的阿基米德，他建立了包括浮力定律和浮體穩定性在內的液體平衡理論，奠定了流體靜力學的基礎。流 體 力 學第7頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四73 流體力學的應用流體及流體力學現象充斥在我們生活的各個方面，如云彩的漂浮、鳥的飛翔、水的流動、天氣變化、管道內液體的流動、風道內氣體的流動、空氣阻力和升力、建筑物上風力的作用、

6、土壤內水分的運動、石油通過地質結構的運動等，都存在于我們日常生活及生產各個方面；血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養液的輸送等使流體力學與生物工程和生命科學相聯系；水從地下、湖泊或河流中用泵輸送到每家每戶的供水系統，再進入廢水的排放系統，液體和氣體燃料送到爐堂內燃燒產生熱水或蒸汽用于供熱的供熱系統或產生動力的動力系統，提供流體攜帶將熱量從低溫送到高溫空氣中的制冷系統，在炎熱的夏季將室內熱量送到室外的制冷與空調系統，廢液和廢氣的處理與排放系統等，使流體力學現象與日常生活密切相關。流 體 力 學第8頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四84 流體的力學模型

7、客觀上存在的流體的流動及其物質結構和物理性質是非常復雜的。如果考慮所有因素，將很難推導出它的力學關系式，為此，在分析研究流體力學問題時，對流體加以科學的抽象，建立力學模型，以便列出流體運動規律的數學方程式。下面介紹幾個主要的流體力學模型。 （1）連續介質與非連續介質模型 （2）不可壓縮流體與可壓縮流體的力學模型 （3）理想流體與粘性流體（實際流體）的力學模型 流 體 力 學第9頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四95 流體力學的研究方法目前，解決流體力學問題的方法有現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四種。 （1）現場觀測 （2）實驗室模擬 （3）理論分析 （4）數值

8、計算 流 體 力 學第10頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四106 流體力學的學習首先，流體力學包含很多內容，在分析和討論時必須對內容作一定限定，分清研究對象和適用條件。學習流體力學時需要注意力學原理的應用，把握質量守恒、能量守恒、動量守恒和熱力學定律在流體中應用的形式。流體力學中許多理論和概念是建立在這些基本原理和定律以及實驗觀察之上的。總之，在學習流體力學中，要注意基本概念、基本原理和基本方法的理解與掌握，只有深刻地理解流體力學原理和掌握這些原理的應用方法才能夠解決工程實際中遇到的各種流動問題。所以，將流體力學理論應用到工程實際中是流體力學學習的基本目的之一。流 體

9、 力 學第11頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四11第一部分 流體力學1 流體的物理性質流體力學 泵與風機第12頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四12【知識點】流體的基本特征，流體的慣性和重力特性，流體的壓縮性和熱脹性，流體的黏性，表面張力，汽化壓強【能力目標】充分理解：各物理量的定義、產生的原因，外界因素變化對流體的影響，如流體的密度、容重、壓縮性、熱脹性、黏性、表面張力、汽化壓強，特別是黏性必須加以深刻理解。領會：牛頓黏性內摩擦定律的意義，動力黏性系數和運動黏性系數的關系。熟練掌握及運用：液體和氣體黏性隨溫度的變化規律，流體各主要物理量的計算

10、和查用。 1 流體的物理性質第13頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四13流體的物理性質取決于其分子結構，有些物理性質對流體受力和流體運動有著非常顯著的影響，所以學習流體力學及其在工程實際中應用時必須首先了解流體的物理性質。本章介紹與流體運動密切相關的流體主要物理性質。物質通常有三種存在狀態：氣態、液態和固態。固體分子通常比較緊密，由于分子間吸引力很大而使其保持固定形狀。而流體分子間吸引力小，分子間粘附力小，因此流體沒有一定的形狀。靜止流體在非常微小的切向力作用下將會流動，并且只要切向力存在流動必將持續，因此流動性是流體最基本的特性。這是它便于用管道、渠道進行輸送，適宜作

11、供熱、供冷等工作介質的主要原因。 1 流體的物理性質第14頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四141.1 液體的慣性和重力特性11.2 流體的壓縮性和熱脹性21.3 液體的黏性31.4 表面張力41 流體的物理性質1.5 汽化壓強5第15頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四15慣性是流體保持原有運動狀態的性質。質量是用來度量物體慣性大小的物理量，質量愈大，慣性也就愈大。流體和固體一樣，也具有質量。通常用密度來表示其特征。單位體積流體的質量稱為流體的密度，以符號表示，單位是kg/m3。在連續介質假設的前提下，對于均質流體，其密度的表達式為： 1.1 流

12、體的慣性和重力特性1.1.1 流體的慣性第16頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四16式中 V流體的體積，m3； m流體的質量，kg。 密度對流體的影響主要體現在單位體積流體的慣性力和加速度的大小。低密度流體，如氣體，慣性力小，達到相同加速度時需要的力也小，因此，物體在空氣中的運動比在液體（如水）的運動要容易，同樣提升相同容積的空氣比水要容易的多。1.1 流體的慣性和重力特性第17頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四17流體處于地球引力場中，它所受的重力是地球對流體的引力。單位體積流體的重量稱為流體的容重，以符號表示，單位是N/m3，對于均質流體，其

13、容重的表達式為：式中 V流體的體積，m3； G流體的重力，N。由于物體的重力等于質量與重力加速度的乘積，即重力為G=mg，故密度與容重的關系為： 1.1.2 流體的重力特性1.1 流體的慣性和重力特性第18頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四18不同流體的密度和容重各不相同，同一種流體的密度和容重則隨溫度和壓強而變化。一個標準大氣壓下，常用流體的密度和容重見表1.1。【例題1.1】 試求在標準狀態下，3m3空氣的重量和質量是多少？【解】 根據式（1.2），查表1.1，得 根據重量與質量的關系式，得 N kg 1.1 流體的慣性和重力特性第19頁，共51頁，2022年，5月

14、20日，10點57分，星期四19名稱水水銀純乙醇煤油空氣氧氮密度kg/m31 00013 590790800-8501.21.431.25容重N/m39 807133 31877457 848-8 33811.7714.0212.27測定溫度（）4015152000 表1.1 常用流體的密度和容重（標準大氣壓下） 1.1 流體的慣性和重力特性第20頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四20【例題1.2】 試設計一個可容納100t水的蓄水池，若底面積A為25m2，問蓄水池的有效高度為多少？【解】 由式（1.1）知蓄水池的體積為： m3 故水池的有效高度為：m 1.1 流體的慣

15、性和重力特性第21頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四21溫度不變，流體的體積隨壓強的增加而縮小，這種特性稱流體的壓縮性。壓強不變，流體的體積隨溫度的升高而增大，這種特性稱流體的熱脹性。液體的壓縮性一般用體積壓縮系數或體積彈性模量來度量。在一定溫度下，液體原有的體積為V，在壓強增量dp作用下，體積改變了dV，則壓縮系數為： 1.2 流體的壓縮性和熱脹性1.2.1 液體的壓縮性和熱脹性第22頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四22式中 液體體積壓縮系數，m2/N； V壓縮前液體的體積，m3； dV液體體積變化量，m3； dp壓強的增加值，N/m2。式中

16、的負號是由于dp0，dV0,為使壓縮系數為正值而加的。壓縮系數的倒數為液體彈性模量，用E表示，單位是N/m2 。即值愈大或E愈小，則液體的壓縮性也愈大。1.2 流體的壓縮性和熱脹性第23頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四23表1.2為0時水在不同壓強下的壓縮系數。 從表中可以看出，水的壓縮系數是很小的。如壓強由4000kPa增加到8000kPa時相對體積的變化為：該數值表明，此時水的相對體積的變化大約為0.2%。所以工程上一般可將液體視為不可壓縮的，即認為液體的體積（或密度）與壓強無關。 壓強（kPa）5001 0002 0004 0008 000壓縮系數m2/N0.5

17、3810-90.53610-90.53110-90.52810-90.51510-9表1.2 水在不同壓強下的壓縮系數 1.2 流體的壓縮性和熱脹性第24頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四24液體的熱脹性一般用體積熱脹系數來度量。在一定的壓力下，液體原有的體積為V，當溫度升高dT時，體積變化為dV，則熱脹系數為： 式中 液體的體積熱脹系數，1/； V熱脹前液體的體積，m3； dV液體體積變化量，m3； dT溫度的增加值，。水的密度在4時具有最大值，高于4后，水的密度隨溫度升高而下降，液體熱脹性非常小，表1.3列舉了水在一個大氣壓下，不同溫度時的容重及密度。 1.2 流體

18、的壓縮性和熱脹性第25頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四25溫度（）容重（N/m.3）密度（kg/m3）溫度（）容重（N/m.3）密度（kg/m3）溫度（）容重（N/m.3）密度（kg/m3）09806999.9209790998.2609645983.219806999.9259778997.1659617980.6298071000309775995.7709590977.8398071000359749994.1759561974.9498071000409731992.2809529971.8598071000459710990.2859500968.71098

19、05999.7509690988.1909467965.3159799999.1559657985.71009399958.4表1.3 一個大氣壓下水的容重及密度 1.2 流體的壓縮性和熱脹性第26頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四26氣體和液體在這方面大不相同，壓強和溫度的改變對氣體密度的影響很大，當許多實際氣體遠離其液相狀態時，這些氣體可以近似地看作理想氣體。理想氣體的壓強、溫度、密度間的關系應服從理想氣體狀態方程，即： 式中 p絕對壓強，Pa； T絕對溫度，K； 密度，kg/m3 R氣體常數，Nm/（kgK），其值取決于不同的氣體， ，n為氣體的分子量，對于空氣R

20、為287。 1.2.2 氣體的壓縮性和熱脹性1.2 流體的壓縮性和熱脹性第27頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四27理想氣體從一個狀態到另一個狀態下的壓強、溫度和密度間的關系為：對壓強不變的定壓情況，則p1= p2，狀態方程為：式（1.9）表明，氣體的密度與溫度成反比關系。即溫度增加，體積增大，密度減小；反之，溫度降低，體積縮小，密度增大。這里應指出，當氣體的溫度降低到氣體液化溫度時，式（1.9）的規律就不能再應用了。 （式1.8） （式1.9） 1.2 流體的壓縮性和熱脹性第28頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四28表1.4中，列舉了標準大氣壓

21、（760mmHg）下，空氣在不同溫度時的容重及密度。溫度（）容重（N/m3）密度（kg/m3）溫度（）容重（N/m3）密度（kg/m3）溫度（）容重（N/m3）密度（kg/m3）012.701.2932511.621.1856010.401.060512.471.2703011.431.1657010.101.0291012.241.2483511.231.146809.811.0001512.021.2264011.051.128909.550.9732011.801.2055010.721.0931009.300.947表1.4 標準大氣壓下空氣的容重及密度 1.2 流體的壓縮性和熱脹性第

22、29頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四29【例題1.3】 已知壓強為98.07kN /m2，0時鍋爐煙氣容重為13.13 N /m3，求排煙溫度為200時煙氣的容重和密度。 【解】 據題意，鍋爐煙氣升溫過程為等壓過程 由式（1.9）可求出排煙容重和密度kg /m3 kg /m3 所以 因為 1.2 流體的壓縮性和熱脹性第30頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四30由此可見，當溫度變化較大時，氣體的容重和密度有較大變化。對溫度不變的等溫情況，則T1=T2，狀態方程為：式（1.10）表明，氣體的密度與壓強成正比關系。即壓強增加，體積縮小，密度增大。根據

23、這個關系，如果使氣體密度增大一倍，則需使壓強也增大一倍。但是，氣體密度存在一個極限值，當壓強增加到使氣體密度增大到這個極限值時，若再增大壓強，氣體的密度也不會再增加，這時，式（1.10）不再適用。對應極限密度下的壓強為極限壓強。N /m3 （式1.10） 1.2 流體的壓縮性和熱脹性第31頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四311.3 流體的黏性黏性是流體固有的，是有別于固體的主要物理性質。當流體相對于物體運動時，流體內部質點間或流層間因相對運動而產生內摩擦力（切向力或剪切力）以反抗相對運動，從而產生了摩擦阻力。這種在流體內部產生內摩擦力以阻抗流體運動的性質稱為流體的粘滯

24、性，簡稱黏性。 1.3 流體的黏性圖1.1 平板間速度分布第32頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四32為了說明流體的粘滯性，現分析兩塊忽略邊緣影響的無限大平板間的流體。如圖1.1所示，平板間距離為，中間充滿了流體，下平板靜止，上平板在力F的作用下以速度u做平行移動，平板面積為A。在平板壁面上，流體質點因黏性作用而粘附在壁面上，壁面處流體質點相對于壁面的速度為0，稱為黏性流體的不滑移邊界條件。因此，上平板處流體質點的速度為u，下平板處流體質點的速度為 0，兩平板間流體質點速度的變化稱為速度分布。如果平板間距離不是很大，速度不是很高，而且沒有流體流入和流出，則平板間的速度分

25、布是線性的。 1.3 流體的黏性第33頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四33對于大多數流體，實驗結果表明：平板拉力F與平板面積A，平板平移速度u成正比，與平板間距離成反比，即根據相似三角形，可以用速度梯度du/dy代替u/，并引入與流體性質有關的比例系數，可以得到任意兩個薄平板間的切向應力為：（式1.11） 1.3 流體的黏性第34頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四34式（1.11）稱為牛頓內摩擦定律，是常用的粘滯力的計算公式。式中，稱為流體動力黏性系數，一般又稱為動力粘度，其單位為Ns/m2或Pas。不同的流體有不同的值，值愈大，表明其黏性愈強

26、。 項，是流體在垂直其流速方向上的速度梯度，實際上是流體微團的角變形速率，表明粘滯性也具有抵抗角變形速率的能力。工程中還經常用到動力粘度與密度的比值來表示流體的黏性，其單位是m2/s，具有運動學的量綱，故稱為運動粘滯系數，以符號表示。即： （式1.12） 1.3 流體的黏性第35頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四35實際使用中或都是反映流體粘滯性的參數。或值愈大，表明流體的粘滯性愈強。但兩個粘滯系數也是有差別的，主要表現在：工程中遇到的大多數流體的動力黏性系數與壓力變化無關，只是在較高的壓力下，其值略高一些。但是氣體的運動粘度隨壓力顯著變化，因為其密度隨壓力變化。因此，

27、如果要確定非標準狀態下的運動粘度可先查得與壓力無關的動力粘度，再通過計算得到運動粘度。氣體的密度可以由狀態方程得到。溫度則是影響和的主要因素，圖1.2反映了一般流體的黏性取決于溫度的情況。當溫度升高時，所有液體的黏性是下降的，而所有氣體的黏性是上升的。1.3 流體的黏性第36頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四36 原因是黏性取決于分子間的引力和分子間的動量交換。因此，隨溫度升高，分子間的引力減小而動量交換加劇。液體的粘滯力主要取決于分子間的引力，而氣體的粘滯力則取決于分子間的動量交換。所以，液體與氣體產生粘滯力的主要原因不同，造成截然相反的變化規律。圖1.2 粘度隨溫度

28、變化趨勢 1.3 流體的黏性第37頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四37表1.4列出了水在（一個大氣壓下）不同溫度下的黏性系數。溫度（）（kpas）（106m2/s）溫度（）（kpas）（106m2/s） 01.7811.785400.6530.65851.5181.519450.5890.595101.3001.306500.5470.553151.1391.139600.4660.474201.0021.003700.4040.413250.8900.893800.3540.364300.7980.800900.3150.326350.6930.6981000.28

29、20.294表1.4 水的粘滯系數（一個大氣壓下） 1.3 流體的黏性第38頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四38表1.5列出了空氣在（一個大氣壓下）不同溫度下的黏性系數。溫度（）（kpas）（106m2/s）溫度（）（kpas）（106m2/s）00.017213.7900.021622.9100.017814.71000.021823.6200.018315.71200.022826.2300.018716.61400.023628.5400.019217.61600.024230.6500.019618.61800.025133.2600.020119.62000

30、.025935.8700.020420.52500.028042.8800.021021.73000.029849.9表1.5 空氣的黏性系數（一個大氣壓下） 1.3 流體的黏性第39頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四39最后需指出：牛頓內摩擦定律不是對所有流體都適用，有些特殊的流體不滿足牛頓內摩擦定律，如人體中的血液、油漆、粘土和水的混合溶液等。對這些流體稱為非牛頓型流體。能滿足牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓型流體，如水、空氣和許多潤滑油等。本課程僅涉及牛頓型流體的力學問題。 【例題1.4】如圖1.3所示，在兩塊相距20mm的平板間充滿動力粘度為0.065Ns/m2的油

31、，如果以1m/s的速度勻速拉動距上平板5mm處，面積為0.5 m2的薄板，求所需要的拉力。 1.3 流體的黏性第40頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四40【解】 根據 N /m2 N /m2 N 圖1.3 平板間薄板受力 1.3 流體的黏性第41頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四411.4 表面張力液體具有附著力和粘附力，兩者都是分子的吸引力，附著力使液體能夠附著到另一個物體上，而粘附力使液體抵抗切向應力。在液體和氣體的交界面處和在兩種互不相容液體的界面處，分子間附著力和粘附力產生的向外的平衡吸引力使液體形成了一個明顯的表面液膜并在液膜表面內產生

32、了張力，液體的這個特性稱為表面張力，用符號表示，其單位是N/m。水的表面張力在結冰點和沸點之間的變化范圍為0.00750.0589 N/m。對液體來講，表面張力在平面上并不產生附加壓力，它只有在曲面上才產生附加壓力，以維持平衡。1.4 表面張力第42頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四42在實際工程中，液體只要有曲面的存在就會有表面張力的附加壓力的作用。例如，液體中的氣泡、氣體中的液滴、液體的自由射流、液體表面和固體表面相接觸等，所有這些情況，都會出現曲面，都會引起表面張力，從而產生附加壓力。不過在一般情況下，這種影響是比較微弱的。 由于表面張力的作用，如果把兩端開口的玻

33、璃管豎立在液體中，液體就會在細管中上升或下降h高度，如圖1.4所示。這種現象稱毛細現象，其形成是由于粘附力和附著力的作用。當附著力大于粘附力時，液體將浸潤與它接觸的固體表面，并在接觸點處上升；反之，液體表面在接觸點處收縮。毛細現象使作用在玻璃管內的水位上升，使水銀收縮并低于實際高度。1.4 表面張力第43頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四43圖1.4 表面張力與毛細現象 1.4 表面張力第44頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四44管內上升的毛細高度，可由表面張力形成的提升力和重力相平衡得到。即：所以 式中 表面張力，N/m； 浸潤角； 液體密度，kg/m3； r管半徑，m； h毛細高度，m。（式1.13） 1.4 表面張力第45頁，共51頁，2022年，5月20日，10點57分，星期四45式（1.13）可以用來計算管內液體的上升或下降的毛細高度。如果管子是干凈的，水的浸潤角為0，水銀的浸潤角為140。管子的直徑越大，毛細高度越小。對于直徑大于12mm的管子，可以忽略毛細現象。表面張力的影響在實際工