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第1章 流体力学基础 流体包括气体和液体两种，其主要特征是可以流动。 1.1 基础知识与概念 1.1.1 物理量的单位 (1)基本单位和导出单位 任何物理量的大小都是由数字和单位联合来表达的，一般先选择几个独立的物理量，根据使用方便的原则规定出它们的单位，这些选择的物理量称为基本物理量，其单位称为基本单位。其他物理量的单位则根据其本身的物理意义，由有关基本单位组合而成。这种组合单位称为导出单位。 (2)国际单位制（SI制） 在SI制中，同一种物理量只有一个单位，SI共规定了7个基本单位： 物理量 单位 单位代号 长度 米 m 质量 公斤 kg 时间 秒 s 热力学温度 开尔文 K 物质的量 摩尔 mol 电流强度 安培 A 发光强度 坎德拉 cd (3)《中华人民共和国法定计量单位》 1.1.2 流体压强的表示方法 流体的压强有绝对压强和表压强(或真空度)两种表示方法。 以绝对零压为基准计算的压强，称为绝对压强； 以大气压为基准计算的压强，称为表压强(或真空度)。该值是用仪表测出来的，当所测处的压强为大气压时，其读数为零。 一般把绝对压强高于大气压的数值称为表压强，把绝对压强低于大气压的数值称为真空度。 基本关系是： 表压强=绝对压强-大气压强 真空度=大气压强-绝对压强 =-(绝对压强-大气压强) ∴ 表压强=-真空度 压强的单位：SI中为Pa； 压强的几个单位间的换算关系： 1atm=760mmHg=10.33mH2O=1.01325×105Pa 1kgf/cm2=1at=735.6mmHg=10mH2O =9.81×104Pa 1.2牛顿流体及其黏度 1.2.1 牛顿内摩擦（黏性）定律 黏性：流体质点间相对运动时产生阻力的性质。 黏性产生的原因：（1）分子间的引力；（2）分子的横向掺混→动量交换。 结果：流动有阻力，需消耗能量。 黏性的大小用黏度来度量。 牛顿对许多流体进行实验（实验设计如下图）： 发现如下规律：作用在流体上的剪应力(τ)与速度梯度成正比，即： 流速在与流动方向相垂直的坐标方向上的变化率，称为速度梯度。 上式称为牛顿黏性定律，比例系数即为黏度。 黏度的单位：在SI中为Pa.s； 在其它单位制中，用P（泊）和cP（厘泊）。 换算关系： 1Pa.s=10P=1000cP 运动黏度：流体的黏度与密度的比值，即 运动黏度的单位：在SI中为m2/s； 在其它单位制中，用St(cm2/s，斯)和cSt（厘斯）。 换算关系： 1m2/s =104 St=106 cSt 通常，流体的黏度与压强无关，仅与温度有关： T↑，μL↓，μG↑。 1.2.2牛顿流体与理想流体 牛顿流体:服从牛顿黏性定律的流体; 理想流体:流体的黏度μ=0的流体。 1.3管中流动 1.3.1基本概念 流速u：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，m/s。工程上指在管道截面上的平均流速。 质量流速G：单位时间、单位管道截面所流过的流体质量，kg/m2.s。 流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量，有体积流量Q（Vs）（m3/s）和质量流量ws（kg/s）等。 以上几个物理量的关系： 或 或 钢管的表示法： Φd0×δ （mm） d0-管子外径，mm；δ-壁厚，mm。 管内径di=d0-2δ mm 例子：某钢管为Φ108×4mm，求内径。 管内径di=d0-2δ=108-2×4=100mm=0.1m 1.3.2 管中稳定流动连续性方程 稳定流动情况下，单位时间内流进体系的流体质量等于流出体系的流体质量，即 对于不可压缩流体，ρ=常数，则 对于圆管， 即不可压缩流体在圆管内稳定流动时，流速与管道直径的平方成反比。 1．4 流体流动能量平衡 1.4.1稳定流动体系的能量平衡 (1)位能： mgz； (2)动能： mu2/2； (3)内能： E＝me； (4)流动功（压力能）： PV=mPv； (5)（轴）功： W＝mw； (6)热量：Q＝mq。 注意：对于功和热量规定：输入体系为正，输出体系为负。 将热力学第一定律应用于此稳定流动体系，得： E1+p1 V1+mgz1+mu12/ 2+Q+W = E2+p2 V2+mgz2+mu22/ 2 以单位质量（1kg）流体为基准，则： e1+p1 v1+gz1+u12/ 2+q+w = e2+p2 v2+gz2+u22/ 2 或 h1+gZ1+u12/ 2+q+w= h2+gZ2+u22/ 2 或 q+w=Δh+gΔz+Δu2/ 2 上式称为稳定流动总能量方程式。 1.4.2 稳定流动体系能量方程（柏努利方程） 对于单纯的流动问题，q=0，e2-e1=∑Lf(称为能量损失，也称流动阻力