2018一級注冊建筑師考試《建筑結構與設備》講義：流體的基本特征

　　流體的基本特征及流體力學的基本概念

　　一、流體的基本特征

　　流體運動的規(guī)律與作用于流體的外部因素及條件有關(例如水的壓力、溫度等)，但主要決定于流體本身的內(nèi)在物理性質(zhì)。

　　1、易流動性

　　2、質(zhì)量及密度 ρ=m/V

　　3、重量及重度 γ=G/V 單位為N/m3 1kg=9.8N

　　4、黏性

　　流體在運動時，具有抵抗剪切變形能力的性質(zhì)，稱黏性。它是由于流體內(nèi)部分子運動的能量傳輸所應起。當某流層對于相鄰層發(fā)生相對位移而引起體積變形時，流體中所產(chǎn)生的切力(也稱內(nèi)摩擦力)就是這一性質(zhì)的表現(xiàn)。由于內(nèi)摩擦力，流體部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能而消失。(在能量方程式中稱為水頭損失)

　　例舉：河流中水流的流速梯度(圖形-板畫)

　　流層間的切力(內(nèi)摩擦力，作用與相鄰流層間的力，非流層內(nèi)部的力)T的大小與流體的黏性有關()，并與流速梯度du/dy和接觸面及A成正比，而與接觸面積上的壓力無關，即

　　T=μA(du/dy)

　　單位面積上的切力的切力，即切應力τ為

　　τ=μA(du/dy)

　　μ—黏度(與流體黏性有關的系數(shù)，單位為Pa·s)

　　μ的數(shù)值隨流體種類的不同而不同，且隨流體壓強和溫度的變化而變化。

　　對于液體來說，隨著溫度升高，黏度值減少;對于氣體來說則反之。

　　5、壓縮和膨脹性

　　當作用在在流體的壓強增大時流體體積減小，壓強減小時流體體積增大的性質(zhì)稱流體的壓縮性，實際上又可稱為流體的彈性。

　　當流體所受的溫度升高或降低時，流體體積膨脹或收縮的性質(zhì)稱為流體的膨脹性。

　　流體的壓縮性，一般以壓縮系數(shù)β和體積模數(shù)K來表示。

　　不同流體具有不同的β和K，同一流體中它們隨溫度和壓強的變化而變化。

　　一般情況下，水的壓縮性和膨脹性都很小，可忽略不計。

　　在某些特殊情況下，如水擊(高壓強)、熱水輸送(高溫度)等，需考慮壓縮性和膨脹性。

　　二、流體靜力學

　　概念：P7～8

　　(一)壓強的計量單位和表示方法

　　壓強的法定計量單位：帕(Pa)

　　標準大氣壓：溫度為0℃，緯度為450℃時，海平面上的壓強，用atm表示。相當于760㎜水銀柱對柱底部所產(chǎn)生的壓強。1atm=1.013×105Pa

　　大氣壓強的計量方法：

　　1、絕對壓強(p’)：

　　以完全真空狀態(tài)為壓強零點，所測得的壓強為絕對壓強。

　　2、相對壓強(pa)：

　　以當?shù)卮髿鈮簭娮鳛榱泓c測得的壓強。

　　3、絕對壓強與相對壓強的關系：

　　絕對壓強與相對壓強之間相差一個大氣壓(當?shù)貧鈮?

　　p= p’- pa

　　絕對壓強值總是正值，但與標準大氣壓強值相比可能大于標準大氣壓強也可能小于標準大氣壓強。

　　相對壓強可正可負，例如，廣州的高程大約是在20m～80m的范圍，如以平均高程50m作為相對壓強的基準點，那么大于50m的壓強就為正值，小于50m的壓強就為負值。

　　在水工建筑物中，水流和建筑物的表面均受大氣壓的作用。在計算建筑物受力時，不需考慮大氣壓的作用，常用相對壓強來表示。在今后的討論和計算中，一般是指相對壓強，一定要用絕對壓強來表示的話則應加以說明。如果自由表面的壓強p0=pa，(自由表面上未設置加壓裝置)則有p=hγ(此時，以當?shù)卮髿鈮簽榱泓c進行計算)。

　　4、真空壓強：

　　但流體中某點的絕對壓強小于大氣壓時，流體中就出現(xiàn)真空。真空壓強以pv表示：

　　pv=pa - p’

　　就是某點的絕對壓強(設置了減壓設備，如抽水機里的真空泵等，改變了抽水機內(nèi)外的絕對壓強，外部的水在大氣壓的作用下進入抽水機里)小于大氣壓的部分，不是絕對壓強本身，也就是說該點相對壓強的絕對值就是真空壓強。

　　提一個小問題：

　　同學們?nèi)绻�到西藏旅游，最關心的是什么?

　　(提示：外部生存條件的改變)

　　若用液柱高度來表示真空壓強的大小即真空度hv

　　hv= pv /γ

　　γ可以用水或水銀的重度

　　幾種壓強區(qū)分(見圖P.9 圖1-2)

　　同學們自己看10分鐘，看看明白沒有

　　(二)靜止流體壓強特性及其分布

　　1、流體靜壓強的的兩個特性(矢量特性)

　　一是流體靜壓強的方向總是沿著作用面的內(nèi)法線方向，即垂直作用面并指向作用面。

　　二是靜止流體中任一點上流體靜壓強的大小與其作用面的方位無關，即同一點上靜止壓強大小均相等。

　　例如液體在試管同一截面上的各點的壓強是相等的。

　　2、重力作用下流體的平衡方程

　　在許多實際工程中，靜止流體所受的質(zhì)量力只有重力。這種流體稱為靜止重力流體。對于靜止不可壓縮均質(zhì)流體來說，總有一平衡方程式

　　Z+p/γ=C

　　對于靜止流體中任意兩點，上式可寫為

　　Z1+p1/γ=Z2+p2/γ

　　或

　　p2=p1+(Z1-Z2)=p1+γh

　　Z—單位位能(從某一基準面算起所具有的位能)

　　p/γ—單位壓能(單位重量所具有的壓能)

　　流體靜力學基本方程式的物理意義

　　在靜止流體中任一點的單位位能與單位壓能之和，亦即單位勢能為常數(shù)

　　對于氣體來說，由于重度γ較小，氣體中任意兩點的靜壓強高差不大時，可認為相等。

　　對于液體來說，在自由表面上的靜壓強po常為大氣壓，是已知的。由上式可知，液體中任一點的靜壓強p為

　　p=p0+γh

　　該式稱為：水靜力學基本方程(P.10)

　　3、靜壓強分布圖

　　液體靜壓強的分布隨淹沒深度h的變化而呈梯度變化。

　　例舉：水池的設計及施工方法(最大壓力在距水池底部1/3總高度處)

　　(三)壓強的測量方法(同學們自己看)

　　三、流體動力學(對基本概念理解)

　　流體動力學是研究運動而不涉及力的規(guī)律及其在工程中的應用。

　　凡表征流體運動的各種物理量，如質(zhì)量力、表面力、速度、密度、動能、能量等，都是運動要素。研究流體運動就是研究其運動要素隨時間和空間的變化以及建立它們之間的關系。

　　(一)基本概念(P.12～14)

　　1、恒定流與非恒定流

　　2、壓力流與無壓流

　　3、流線和跡線

　　4、均勻流與非均勻流

　　5、元流、總流、過流斷面、流量與斷面平均流速

　　(1)元流

　　流體運動時，在流體中截取一個微積分微小面積dω，并從dω面上各點引出流線，流線形成一股流速稱為元流，見圖1-8(P.13)。

　　在元流內(nèi)的流體不回流到元流外面，在元流外面的流體亦不會流進元流中去。由于dω很小，可以認為dω上各點的運動要素(壓強與流速)相等。

　　(2)總流

　　無數(shù)元流的總和稱為總流。

　　(3)過流斷面

　　流體運動時，與元流或總流的全部流線正交的橫斷面稱為過流斷面。用

　　dω或ω表示，單位為㎡或cm2。均勻流的過流斷面為平面;漸變流的過流斷面可視為平面;非均勻流的過流斷面為曲面。見圖1-9(p.13)

　　(4)流量

　　流體運動時，單位時間內(nèi)通過過流斷面的流體體積稱為體積流量，用符號Q表示，單位是m3/s或L/s。

　　一般流量是指體積流量。

　　(5)斷面平均流速

　　流體運動時，斷面各點流速一般不易確定，而工程中無須確定時，可采用斷面平均流速(v)來簡化流動。如圖1-10(p.14)所示。

　　流量、過流斷面和平均流速的關系

　　v=Q/ω

　　(二)恒定流的連續(xù)方程式

　　恒定流連續(xù)線方程式是流體運動的基本方程式之一。工程中應用廣泛。

　　表達式

　　Q1=Q2 (流體不可壓縮時) 在一個時間段內(nèi)流體進出的質(zhì)量相等。

　　ω1v1=ω2v2

　　(三)恒定總流能量方程式

　　利用能量守恒定律導出

　　1、恒定總流實際液體的能量方程式

　　1738年荷蘭科學家·伯努里根據(jù)功能原理建立了不考慮黏性作用的理想液體能量方程式。然后，考慮液體黏性影響，推出1-1和2-2斷面(見圖1-11 P.14)間流段實際液體恒定總流的能量方程——伯努里方程式

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

　　z1、z2 —過流斷面1-1、2-2單位重量液體位能，也稱位置水頭;

　　p1/γ、p2/γ—過流斷面1-1、2-2單位重量液體壓能，也稱壓強水頭;

　　αυ12/2g、αυ22/2g—過流斷面1-1、2-2單位重量液體動能，也稱

　　流速水頭;

　　hω1-2—單位重量液體通過流段1-2的平均能量損失，也稱水頭損失

　　(1-2距離很短是水頭損失很小，可不考慮，當長距離供水時，需考慮中途設置加壓站以保持一定的供水壓力)

　　α—動能修正系數(shù)，為用斷面平均流速υ代替質(zhì)點實際流速u計算所造成誤差的修正。

　　能量方程式中每一項單位都是長度，都可以在斷面上用鉛直線段在圖中表示出來。這可以對方程式中各項在流動過程中的變化關系以更形象地描述(壓強和流速可用測壓管和測速管測定)。

　　總水頭線：

　　把各個斷面上的總水頭H=(z+p/γ+αυ2/2g)連成一條線，則此線為總水頭線如圖1-12虛線。在實際水流中由于水頭損失hω1-2的存在，所以總水頭線不可能是水平線，他總是沿流程下降的傾斜線。

　　總水頭坡度(水力坡度)：

　　總水頭沿流程的降低值hω1-2與沿程長度l的比值，用i表示

　　i=hω/l

　　測壓管水頭線：

　　把各個過流斷面上的測壓管所測得的測壓管水頭(z+p/γ)連成線，如圖1-12中實線所示，則該線稱為測壓管水頭線，測壓管線可能是水平線(供水管管徑無變化，無漸變截面)，也可能升高或下降，也可能是曲線。

　　2、實際氣體恒定總流的能量方程式(請同學們自己看一看)

　　提示：公式中，由于氣體重量很小，放棄z重力作功

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