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流 体 力 学 泵 与 风 机. 主 编 白 桦 鲍东杰 副主编 赵云鹏 王 京 主 审 刘家春. 内 容 简 介. 内 容 简 介 本书为高等职业技术教育建筑设备专业规划教材,全书共 12 章,主要内容有:流体静力学,一元流体动力学,流动阻力与能量损失,管路计算,孔口、管嘴出流和气体射流,流体测量,明渠流动、堰流和渗流,泵与风机的构造及工作原理,泵与风机的基本理论,泵与风机的运行和选型与使用管理,其它常用泵与风机等。

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流体力学泵与风机

主 编 白 桦 鲍东杰

副主编 赵云鹏 王 京

主 审 刘家春


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内 容 简 介

  • 内 容 简 介

  • 本书为高等职业技术教育建筑设备专业规划教材,全书共12章,主要内容有:流体静力学,一元流体动力学,流动阻力与能量损失,管路计算,孔口、管嘴出流和气体射流,流体测量,明渠流动、堰流和渗流,泵与风机的构造及工作原理,泵与风机的基本理论,泵与风机的运行和选型与使用管理,其它常用泵与风机等。

  • 本教材适用于高职高专院校建筑环境与设备工程技术、供热通风与空调工程技术、制冷工程技术、给排水工程技术等专业,也可供相关专业的师生及工程技术人员参考。


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前 言

  • 本教材从培养高等素质技能型人才的目标出发,以工学结合为主线,以学生的实际水平和职业要求为出发点,精选教学内容,减少数理论证,着重于基本概念的理解和基本原理的应用,不追求体系完整和内容全面,突出实用性和实践性。

  • 内容叙述力求结构合理,层次分明,深入浅出,通俗易懂,各章除配有“知识点”“能力目标”外,还配有“小结”,“思考题与习题”,同时,为便于自学,书末附有部分习题的参考答案。

  • 本教材流体力学引言、第1、7章由徐州建筑职业技术学院白桦编写,第4、8章由邢台建筑职业技术学院鲍东杰编写,第2、3、6章由徐州建筑职业技术学院刘


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前 言

红侠编写,第5章由广西建筑职业技术学院周舟编写,泵与风机引言、第9、10章由黑龙江建筑职业技术学院赵云鹏编写,第11、12章由邯郸建筑职业技术学院王京编写。

  • 本书由白桦、鲍东杰担任主编,赵云鹏担任副主编,由徐州建筑职业技术学院刘家春教授担任主审。全书由白桦统编定稿。

  • 本教材编写过程中,参考引用了有关院校编写的教材和生产科研单位的技术资料及研究成果,在此一并表示感谢!

  • 由于编者水平有限,书中不妥之处,恳请读者批评指正。


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流体力学泵与风机

第一部分 流体力学


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流 体 力 学

  • 1 流体力学及其研究对象

  • 流体力学是一门应用性广、基础性强的学科,它研究的对象主要是流体的内部及其与相邻固体和其它流体之间的动量、热量及质量的传递和交换规律。

  • 流体是气体和液体的总称。

  • 流体力学是力学的基本原理在液体和气体中的应用。力学原理包括质量守恒、能量守恒和牛顿运动定律。流体力学的基本内容可以分为:研究流体处于平衡状态时的压力分布和对固体壁面作用的流体静力学;研究不考虑流体受力和能量损失时的流体运动速度和流线的流体运动学;研究流体运动过程中产生和施加在流体上的力和流体运动速度与加速度之间关系的流体动力学。


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流 体 力 学

  • 2 流体力学的发展

  • 流体力学是人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说;秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰,至今还在发挥着作用;大约与此同时,古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德,他建立了包括浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论,奠定了流体静力学的基础。


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流 体 力 学

  • 3 流体力学的应用

  • 流体及流体力学现象充斥在我们生活的各个方面,如云彩的漂浮、鸟的飞翔、水的流动、天气变化、管道内液体的流动、风道内气体的流动、空气阻力和升力、建筑物上风力的作用、土壤内水分的运动、石油通过地质结构的运动等,都存在于我们日常生活及生产各个方面;血液在血管中的流动,心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送等使流体力学与生物工程和生命科学相联系;水从地下、湖泊或河流中用泵输送到每家每户的供水系统,再进入废水的排放系统,液体和气体燃料送到炉堂内燃烧产生热水或蒸汽用于供热的供热系统或产生动力的动力系统,提供流体携带将热量从低温送到高温空气中的制冷系统,在炎热的夏季将室内热量送到室外的制冷与空调系统,废液和废气的处理与排放系统等,使流体力学现象与日常生活密切相关。


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流 体 力 学

  • 4 流体的力学模型

  • 客观上存在的流体的流动及其物质结构和物理性质是非常复杂的。如果考虑所有因素,将很难推导出它的力学关系式,为此,在分析研究流体力学问题时,对流体加以科学的抽象,建立力学模型,以便列出流体运动规律的数学方程式。下面介绍几个主要的流体力学模型。

    (1)连续介质与非连续介质模型

    (2)不可压缩流体与可压缩流体的力学模型

    (3)理想流体与粘性流体(实际流体)的力学模型


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流 体 力 学

  • 5 流体力学的研究方法

  • 目前,解决流体力学问题的方法有现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四种。

    (1)现场观测

    (2)实验室模拟

    (3)理论分析

    (4)数值计算


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流 体 力 学

  • 6 流体力学的学习

  • 首先,流体力学包含很多内容,在分析和讨论时必须对内容作一定限定,分清研究对象和适用条件。

  • 学习流体力学时需要注意力学原理的应用,把握质量守恒、能量守恒、动量守恒和热力学定律在流体中应用的形式。流体力学中许多理论和概念是建立在这些基本原理和定律以及实验观察之上的。

  • 总之,在学习流体力学中,要注意基本概念、基本原理和基本方法的理解与掌握,只有深刻地理解流体力学原理和掌握这些原理的应用方法才能够解决工程实际中遇到的各种流动问题。所以,将流体力学理论应用到工程实际中是流体力学学习的基本目的之一。


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流体力学泵与风机

第一部分 流体力学

1 流体的物理性质


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1 流体的物理性质

  • 【知识点】

  • 流体的基本特征,流体的惯性和重力特性,流体的压缩性和热胀性,流体的黏性,表面张力,汽化压强

  • 【能力目标】

  • 充分理解:各物理量的定义、产生的原因,外界因素变化对流体的影响,如流体的密度、容重、压缩性、热胀性、黏性、表面张力、汽化压强,特别是黏性必须加以深刻理解。

  • 领会:牛顿黏性内摩擦定律的意义,动力黏性系数和运动黏性系数的关系。

  • 熟练掌握及运用:液体和气体黏性随温度的变化规律,流体各主要物理量的计算和查用。


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1 流体的物理性质

  • 流体的物理性质取决于其分子结构,有些物理性质对流体受力和流体运动有着非常显著的影响,所以学习流体力学及其在工程实际中应用时必须首先了解流体的物理性质。本章介绍与流体运动密切相关的流体主要物理性质。

  • 物质通常有三种存在状态:气态、液态和固态。固体分子通常比较紧密,由于分子间吸引力很大而使其保持固定形状。而流体分子间吸引力小,分子间粘附力小,因此流体没有一定的形状。静止流体在非常微小的切向力作用下将会流动,并且只要切向力存在流动必将持续,因此流动性是流体最基本的特性。这是它便于用管道、渠道进行输送,适宜作供热、供冷等工作介质的主要原因。


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1

1.1 液体的惯性和重力特性

2

1.2 流体的压缩性和热胀性

3

1.3 液体的黏性

4

5

1.4 表面张力

1.5 汽化压强

1 流体的物理性质


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1.1 流体的惯性和重力特性

  • 惯性是流体保持原有运动状态的性质。质量是用来度量物体惯性大小的物理量,质量愈大,惯性也就愈大。流体和固体一样,也具有质量。通常用密度来表示其特征。

  • 单位体积流体的质量称为流体的密度,以符号ρ表示,单位是kg/m3。在连续介质假设的前提下,对于均质流体,其密度的表达式为:

1.1.1流体的惯性


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1.1 流体的惯性和重力特性

  • 式中 V——流体的体积,m3;

  • m——流体的质量,kg。

  • 密度对流体的影响主要体现在单位体积流体的惯性力和加速度的大小。低密度流体,如气体,惯性力小,达到相同加速度时需要的力也小,因此,物体在空气中的运动比在液体(如水)的运动要容易,同样提升相同容积的空气比水要容易的多。


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1.1 流体的惯性和重力特性

1.1.2流体的重力特性

  • 流体处于地球引力场中,它所受的重力是地球对流体的引力。

  • 单位体积流体的重量称为流体的容重,以符号γ表示,单位是N/m3,对于均质流体,其容重的表达式为:

  • 式中 V——流体的体积,m3;

  • G——流体的重力,N。

  • 由于物体的重力等于质量与重力加速度的乘积,即重力为G=mg,故密度与容重的关系为:


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1.1 流体的惯性和重力特性

  • 不同流体的密度和容重各不相同,同一种流体的密度和容重则随温度和压强而变化。一个标准大气压下,常用流体的密度和容重见表1.1。

  • 【例题1.1】试求在标准状态下,3m3空气的重量和质量是多少?

  • 【解】根据式(1.2),查表1.1,得

  • 根据重量与质量的关系式,得

N

kg


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1.1 流体的惯性和重力特性

表1.1 常用流体的密度和容重(标准大气压下)


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1.1 流体的惯性和重力特性

  • 【例题1.2】试设计一个可容纳100t水的蓄水池,若底面积A为25m2,问蓄水池的有效高度为多少?

  • 【解】由式(1.1)知蓄水池的体积为:

m3

故水池的有效高度为:

m


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 温度不变,流体的体积随压强的增加而缩小,这种特性称流体的压缩性。

  • 压强不变,流体的体积随温度的升高而增大,这种特性称流体的热胀性。

  • 液体的压缩性一般用体积压缩系数或体积弹性模量来度量。在一定温度下,液体原有的体积为V,在压强增量dp作用下,体积改变了dV,则压缩系数为:

1.2.1 液体的压缩性和热胀性


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 式中 β——液体体积压缩系数,m2/N;

  • V——压缩前液体的体积,m3;

  • dV——液体体积变化量,m3;

  • dp——压强的增加值,N/m2。

  • 式中的负号是由于dp>0,dV<0,为使压缩系数为正值而加的。

  • 压缩系数的倒数为液体弹性模量,用E表示,单位是N/m2。即

  • β值愈大或E愈小,则液体的压缩性也愈大。


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 表1.2为0℃时水在不同压强下的压缩系数。

  • 从表中可以看出,水的压缩系数是很小的。如压强由4000kPa增加到8000kPa时相对体积的变化为:

  • 该数值表明,此时水的相对体积的变化大约为0.2%。所以工程上一般可将液体视为不可压缩的,即认为液体的体积(或密度)与压强无关。

表1.2 水在不同压强下的压缩系数


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 液体的热胀性一般用体积热胀系数α来度量。在一定的压力下,液体原有的体积为V,当温度升高dT时,体积变化为dV,则热胀系数为:

  • 式中 α——液体的体积热胀系数,1/℃;

  • V——热胀前液体的体积,m3;

  • dV——液体体积变化量,m3;

  • dT——温度的增加值,℃。

  • 水的密度在4℃时具有最大值,高于4℃后,水的密度随温度升高而下降,液体热胀性非常小,表1.3列举了水在一个大气压下,不同温度时的容重及密度。


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1.2 流体的压缩性和热胀性

表1.3 一个大气压下水的容重及密度


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1.2 流体的压缩性和热胀性

1.2.2 气体的压缩性和热胀性

  • 气体和液体在这方面大不相同,压强和温度的改变对气体密度的影响很大,当许多实际气体远离其液相状态时,这些气体可以近似地看作理想气体。理想气体的压强、温度、密度间的关系应服从理想气体状态方程,即:

  • 式中 p——绝对压强,Pa;

  • T——绝对温度,K;

  • ρ——密度,kg/m3

  • R——气体常数,N·m/(kg·K),其值取决于不同的气体, ,n为气体的分子量,对于空气R为287。


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 理想气体从一个状态到另一个状态下的压强、温度和密度间的关系为:

  • 对压强不变的定压情况,则p1= p2,状态方程为:

  • 式(1.9)表明,气体的密度与温度成反比关系。即温度增加,体积增大,密度减小;反之,温度降低,体积缩小,密度增大。这里应指出,当气体的温度降低到气体液化温度时,式(1.9)的规律就不能再应用了。

(式1.8)

(式1.9)


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 表1.4中,列举了标准大气压(760mmHg)下,空气在不同温度时的容重及密度。

表1.4 标准大气压下空气的容重及密度


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1.2 流体的压缩性和热胀性

  • 【例题1.3】已知压强为98.07kN /m2,0℃时锅炉烟气容重为13.13 N /m3,求排烟温度为200℃时烟气的容重和密度。

  • 【解】据题意,锅炉烟气升温过程为等压过程 由式(1.9)可求出排烟容重和密度

kg /m3

因为

kg /m3

所以


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1.2 流体的压缩性和热胀性

N /m3

  • 由此可见,当温度变化较大时,气体的容重和密度有较大变化。

  • 对温度不变的等温情况,则T1=T2,状态方程为:

  • 式(1.10)表明,气体的密度与压强成正比关系。即压强增加,体积缩小,密度增大。根据这个关系,如果使气体密度增大一倍,则需使压强也增大一倍。但是,气体密度存在一个极限值,当压强增加到使气体密度增大到这个极限值时,若再增大压强,气体的密度也不会再增加,这时,式(1.10)不再适用。对应极限密度下的压强为极限压强。

(式1.10)


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1.3 流体的黏性

  • 1.3 流体的黏性

  • 黏性是流体固有的,是有别于固体的主要物理性质。当流体相对于物体运动时,流体内部质点间或流层间因相对运动而产生内摩擦力(切向力或剪切力)以反抗相对运动,从而产生了摩擦阻力。这种在流体内部产生内摩擦力以阻抗流体运动的性质称为流体的粘滞性,简称黏性。

图1.1 平板间速度分布


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1.3 流体的黏性

  • 为了说明流体的粘滞性,现分析两块忽略边缘影响的无限大平板间的流体。如图1.1所示,平板间距离为δ,中间充满了流体,下平板静止,上平板在力F的作用下以速度u做平行移动,平板面积为A。在平板壁面上,流体质点因黏性作用而粘附在壁面上,壁面处流体质点相对于壁面的速度为0,称为黏性流体的不滑移边界条件。因此,上平板处流体质点的速度为u,下平板处流体质点的速度为 0,两平板间流体质点速度的变化称为速度分布。如果平板间距离不是很大,速度不是很高,而且没有流体流入和流出,则平板间的速度分布是线性的。


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1.3 流体的黏性

  • 对于大多数流体,实验结果表明:平板拉力F与平板面积A,平板平移速度u成正比,与平板间距离δ成反比,即

  • 根据相似三角形,可以用速度梯度du/dy代替u/δ,并引入与流体性质有关的比例系数μ,可以得到任意两个薄平板间的切向应力为:

(式1.11)


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1.3 流体的黏性

  • 式(1.11)称为牛顿内摩擦定律,是常用的粘滞力的计算公式。式中,μ称为流体动力黏性系数,一般又称为动力粘度,其单位为N·s/m2或Pa·s。不同的流体有不同的μ值,μ值愈大,表明其黏性愈强。

  • 项,是流体在垂直其流速方向上的速度梯度,实际上是流体微团的角变形速率,表明粘滞性也具有抵抗角变形速率的能力。

  • 工程中还经常用到动力粘度与密度的比值来表示流体的黏性,其单位是m2/s,具有运动学的量纲,故称为运动粘滞系数,以符号ν表示。即:

(式1.12)


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1.3 流体的黏性

  • 实际使用中或都是反映流体粘滞性的参数。μ或ν值愈大,表明流体的粘滞性愈强。但两个粘滞系数也是有差别的,主要表现在:工程中遇到的大多数流体的动力黏性系数与压力变化无关,只是在较高的压力下,其值略高一些。但是气体的运动粘度随压力显著变化,因为其密度随压力变化。因此,如果要确定非标准状态下的运动粘度可先查得与压力无关的动力粘度,再通过计算得到运动粘度。气体的密度可以由状态方程得到。温度则是影响μ和ν的主要因素,图1.2反映了一般流体的黏性取决于温度的情况。当温度升高时,所有液体的黏性是下降的,而所有气体的黏性是上升的。


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1.3 流体的黏性

原因是黏性取决于分子间的引力和分子间的动量交换。因此,随温度升高,分子间的引力减小而动量交换加剧。液体的粘滞力主要取决于分子间的引力,而气体的粘滞力则取决于分子间的动量交换。所以,液体与气体产生粘滞力的主要原因不同,造成截然相反的变化规律。

图1.2 粘度随温度变化趋势


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1.3 流体的黏性

  • 表1.4列出了水在(一个大气压下)不同温度下的黏性系数。

表1.4 水的粘滞系数(一个大气压下)


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1.3 流体的黏性

  • 表1.5列出了空气在(一个大气压下)不同温度下的黏性系数。

表1.5 空气的黏性系数(一个大气压下)


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1.3 流体的黏性

  • 最后需指出:牛顿内摩擦定律不是对所有流体都适用,有些特殊的流体不满足牛顿内摩擦定律,如人体中的血液、油漆、粘土和水的混合溶液等。对这些流体称为非牛顿型流体。能满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿型流体,如水、空气和许多润滑油等。本课程仅涉及牛顿型流体的力学问题。

  • 【例题1.4】如图1.3所示,在两块相距20mm的平板间充满动力粘度为0.065N·s/m2的油,如果以1m/s的速度匀速拉动距上平板5mm处,面积为0.5 m2的薄板,求所需要的拉力。


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1.3 流体的黏性

  • 【解】根据

图1.3 平板间薄板受力

N /m2

N /m2

N


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1.4 表面张力

  • 1.4 表面张力

  • 液体具有附着力和粘附力,两者都是分子的吸引力,附着力使液体能够附着到另一个物体上,而粘附力使液体抵抗切向应力。在液体和气体的交界面处和在两种互不相容液体的界面处,分子间附着力和粘附力产生的向外的平衡吸引力使液体形成了一个明显的表面液膜并在液膜表面内产生了张力,液体的这个特性称为表面张力,用符号σ表示,其单位是N/m。水的表面张力在结冰点和沸点之间的变化范围为0.0075~0.0589 N/m。

  • 对液体来讲,表面张力在平面上并不产生附加压力,它只有在曲面上才产生附加压力,以维持平衡。


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1.4 表面张力

  • 在实际工程中,液体只要有曲面的存在就会有表面张力的附加压力的作用。例如,液体中的气泡、气体中的液滴、液体的自由射流、液体表面和固体表面相接触等,所有这些情况,都会出现曲面,都会引起表面张力,从而产生附加压力。不过在一般情况下,这种影响是比较微弱的。

  • 由于表面张力的作用,如果把两端开口的玻璃管竖立在液体中,液体就会在细管中上升或下降h高度,如图1.4所示。这种现象称毛细现象,其形成是由于粘附力和附着力的作用。当附着力大于粘附力时,液体将浸润与它接触的固体表面,并在接触点处上升;反之,液体表面在接触点处收缩。毛细现象使作用在玻璃管内的水位上升,使水银收缩并低于实际高度。


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1.4 表面张力

图1.4 表面张力与毛细现象


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1.4 表面张力

  • 管内上升的毛细高度,可由表面张力形成的提升力和重力相平衡得到。即:

  • 所以

  • 式中 σ——表面张力,N/m;

  • θ——浸润角;

  • ρ——液体密度,kg/m3;

  • r——管半径,m;

  • h——毛细高度,m。

(式1.13)


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1.4 表面张力

  • 式(1.13)可以用来计算管内液体的上升或下降的毛细高度。如果管子是干净的,水的浸润角为0°,水银的浸润角为140°。管子的直径越大,毛细高度越小。对于直径大于12mm的管子,可以忽略毛细现象。

  • 表面张力的影响在实际工程中是被忽略的,但在水滴和气泡的形成、液体的雾化、气液两相流的传热与传质的研究中,将是重要而不可忽略的。


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1.5 汽化压强

  • 1.5 汽化压强

  • 所有液体都会蒸发或沸腾,将它们的分子释放到表面外的空间中。这样宏观上,在液体的自由表面就会存在一种向外扩张的压强(压力),即使液体沸腾或汽化的压强,这种压强就称为汽化压强(或汽化压力)。因为液体在某一温度下的汽化压强与液体在该温度下的饱和蒸汽压所具有的压强对应相等,所以液体的汽化压强又称为液体的饱和蒸汽压强。

  • 分子的活动能力随温度升高而升高,随压力升高而减小,汽化压强也随温度升高而增大。水的汽化压强与温度的关系见表1.6


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1.5 汽化压强

表1.6 水在不同温度下的汽化压强


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1.5 汽化压强

  • 在任意给定的温度下,如果液面的压力降低到低于饱和蒸汽压时,蒸发速率迅速增加,称为沸腾。因此,在给定温度下,饱和蒸汽压力又称为沸腾压力,在涉及到液体的工程中非常重要。

  • 液体在流动过程中,当液体与固体的接触面处于低压区,并低于汽化压强时,液体产生汽化,在固体的表面产生很多气泡;若气泡随液体的流动进入高压区,气泡中的气体便液化,这时,液化过程产生的液体将冲击固体表面。如这种运动是周期性的,将对固体表面造成疲劳并使其剥落,这种现象称为汽蚀。汽蚀是非常有害的,在工程应用时必须避免汽蚀(参见第11章第2节)。


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小 结

  • 【本章小结】

  • 本章主要介绍了流体的基本特征(流动性),阐述了与流体运动相关的几个物理性质,如惯性、重力特性、压缩性、热胀性、黏性等。学习中应该充分理解各物理量的定义及外界因素对其的影响,熟悉各物理量的表示方法和相关参数的计算,尤其要切实掌握应用牛顿内摩擦定律的解题方法。


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流体力学泵与风机

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