专业班级 建筑环境与设备工程 指导教师 院系名称 翻译说明 翻译材料 翻译内容 部分内容 第二章 流体流动 流体特性 流体动力学的基本关系 流动基本过程 流动分析 流体流动噪声 流体流动在采暖，通风，空气调节系统 中能够传递热量，质量和动量。

这章主要介绍流体流动在 进程中的基本机理，回顾相关的流动过程，同时讨论单相流体流动的分析。

流动特性 固体和液体在剪切应力作用下的 表现不同固体会在该作用力下有个有限制的变形，然而液体会持续变形直到移除该作用力。

液体和气体都是流体，虽然流动时他们的分子作用力在压缩性和组成方面有很大不同。

总的来说，液体被认为是不可压缩流体。

气体在不可压缩和可压缩之间。

液体在表面有不平衡的粘滞力，所以液体 表面有聚合的趋势，它的特性就像是拉伸的薄膜。

因此， 个液体表面是有 张力 作用 的。

流体流动可以用 几个简单的模型的描述。

最简单的 个模型 是理想流体流体模型，它假设流体不用抵抗剪切力。

理想的流体流体流动分析已经得到较好发展比如 ， 该理论具有广泛的应用。

粘滞力是流体抵抗剪切力的量度，粘滞力因牛顿流体和分牛顿流体的不同而不同。

在牛顿流体中，变形程度与切应力大小呈正相关， 在 工程中的流体比如水，空气大多数制冷剂 大多数 能够看作牛顿流体。

在非牛顿流体中，变形程度和切应力大小呈复杂的关系。

密度 流体的密度是指每单位容量流体的质量。

在标准室内状况下温度 度，密度 空气和水的密度是 粘度 粘度是流体用来抵抗相邻流体的剪切应力。

个经典的关于切应 力的图在图 中展现，流体在两个平行平板间，区域 被距离 所分离。

最下面的平板固定，最上面的平板移动，对流体产生剪切力。

对于牛顿流体来说，每单位面积的力 正比于速度 和速度垂直方向 的比值。

这里的系数 是指流体的动态粘度。

和 的比值是指剪切应力 ， 是指速度变化梯度。

在复杂变化流体中，速度和切应力会随流畅的不同而不同。

用式表达为 速度梯度关系到 方向的速度 和垂直于速度 方向的距离 ，此关系在图表 中表示 绝对粘度 主要是受温度的影响。

对于气体 除了 在临界点附近 ， 气体动能理论可以预测到粘度会随着绝对温度的平方根而增加 。

相反 ，液体粘度会随着温度的增加而减小 。

各种流体的绝对粘度在第 章中给出。

绝对 粘度的 单位是 。

在室内标准状态下，水和 干 空气的绝对粘度分别是 粘度的另个统单位是 厘泊。

在标准状况下，水有接近于 厘泊的粘度。

在动态流体中运 动粘度有的时候可以替代 绝对粘度或 动力粘度。

动力粘度是运动粘度和密度的比值 在室内标况下水和 干 空气的运动粘度分别是 流体动力学的基本关系 这节会讨论恒流流体的基本原则，性质相同，不可压缩的流体和介绍 在大多数分析中 流体动力学的应用。

在水管和风管中的连续性 质量守恒在管路流动流体中的应用要求质量不能凭空产生也不能凭空消失 。

确切的说，在没有质量增加和损失的前提下，进入管道质量速率和离开管道的质量 比如泄漏 速率应该相等。

可以表达为 这里的 是指在正常流动下质量流动的速率， 是指在微分 的区域内的标准流速， 是指流体密度。

密度和速度在管路的管路的不同部位有 不同的值。

在分析风管或水管中的不可压缩流体时，平均流速可以表达为 ∫ ，质量流动速率可以写为 ，或者 ⁄ 是指容积流速。

伯努力方程和流向方向的气压变化 伯努力方程是分析流体流动的基本准则。

它涉及到在流线方向上动量和能量的守恒。

但在流线方向上不是普遍适用。

理论 发展是 逐渐进步的 ，第个热力学定律可以在机械流动能量和热力学能量中得到应用。

流体流动中每单位质量能量的变化量 是由 每单位 机械工 和 每单位 得失 热量 决定的 流体能量是由动能，势能和位能决定的。

对于每单位质量的流体，两不同截面能量的变化量为 此式的适用条件是 表示流体 从外界获得的 机械能 可由水泵或鼓风机提供 流动 功为 代表压力 是重力加速度常量 再次整理，能量等式也可以写为通用伯努力方程 在等式 中，括号之内的内容是每质量流量内流体的动能，势能，内能和流体做功。

在没有相互作用功，没有热传递，没有粘性摩擦力使机械工转化为内能的情况下，这个表达式是恒定的，可以把恒定常量看为伯努力常量 伯努力 的其他表达式可以通过乘以密度和除以重力加速度得到 这里的 是指容重。

假设等式 和等式 中没有摩擦损耗。

表达式 中 的第部分是指每质量流量流体的能量，表达式 中是指每容积流量的能量，表达式 ，每单位质量所具有的能量称为头。

在气体流动分析中，等式 经常会用到， 可以忽略。

当密度变化时，等式 可以被用到。

对于液态流体，等式 会经常用到。

如果单位是连续的，流动性质也是同性的，三种形式的方程得到的结果样。

许多系统如 风管，水管，水泵，扬风机可以看为在流线内的元流动风管和水管内的流速不同可以忽略，局部速度就是平均速度当横截面上的速度发生很大变化时，动能的伯努力常数可以表达为 ， 这里的动能系数 反映了实际动能和平均动能的比值。

对于层流宽矩形的通道， ，在管内流体 对于风道内的混流， 热量传递 通常被忽略。

机械能转化为内能的能量 可以被表示为能量损失 ，沿管路位置 和 伯努 力常数 的变化量可以表示为 或者等式两 边同时除以 得到如下形式 值得注意的是等式 的能量单位是每单位质量，而等式 的能量单位是每单位重量或没单位头。

术语 和 被定义为正， 表示通过水泵或鼓风机加到管路中的能量。

个汽轮机或液压马达具有负的 或 。

术语 和 被定义为正的，代表通过水泵或鼓风机加入流体中的能量。

等式 的简化应注意到，位置 的总水头压力水头加速度水头加上位置水头加上通过泵给的水头 减去摩擦损失的水头 是位置 的水头。

层流 当考虑到实 际流体的粘度和 紊 流运动时，等式 的连续性关系没有改变，但是 必须从速度分布的积分 中 计算出来，用到局部速度。

在流体流过固定的边界时，速度在边界处为 ，存在速度梯度，产生剪 切应力，运动方程会变得复杂，精确的解决方案会很难发现，除非是平板间层流，旋转滚筒，或管道内的运动。

对于两平行平板间稳定，充分发展的层流运动，剪切力 与距离中心线距离 的线性变化有关横向流动 的通道的中心，对于个宽矩形宽为 的通道， 可以被写为 这里 为壁面的剪切应力 ， 是流动方向。

因为在壁面出速度为 ，等式 可以被综合写为 在宽矩形通道内得到的抛物线形速度轮廓曲线通常叫做 流体。

最大的速度发生在中心处 ，平均速度 是最大速度的 。

在这里，由于 造成的纵向压降可以写为 抛物线型的速度分布也可以看为半径为 的管路的速度分布，平均 是最大速度的 ，压力降可以写为 紊流 液体的流动大多数情况下是紊流，涉及随机扰动和流动的波动包括速度和压力因大小和频率的分层， 具有不同的特征 流动扰动不是混乱的，它具有定周期性 比如实体后面的震荡涡旋 轨迹紊流流动 流动只涉及随机扰动，不涉及任何 规律 或周期流体流动的速度随时间和位置的不同而不同 图表 紊 流运动可以通过统计数量化。

通常用到的速度是定时间内的平均速度。

紊 流强度的大小通常通过瞬时速度变化的平方根 来表示。

紊 流导致流体在流动过程中非常迅速的传递动量，热量和质量。

层流和 紊 流可以使用雷诺数来区分 ，是惯性力和黏性力比值的个无量纲的常量 其中 是指特征长度， ν 是指特征长度。

在流体流过水管或风管时，特征长度是指水力半径 ，可以表示为 其中 是指管，水管或风管的横截面积， 是指湿周。

对于圆管， 等于管道直径。

般情况下，在水管或风管中的层流运动雷诺数基于水力半径小于 ，完全紊流的雷诺数大于 ，对于雷诺数大于 ，小于 的情况，过渡流存在，对它的预测会不准确。

流动的基本过程 壁面摩擦 在实际流体流动的边 界，在流体表面相对切向速度为 ，有时在紊流运动中，壁面处的速度可能会出现有限不为零的情况。

这意味着流体在墙面处分离。

然而实际情况并非如此，壁面处速度的难以测定是问题的焦点 壁面处速度为零会导致较大的剪切应力，同时减慢相邻界面流体的速度。

因此在有限的横向距离内，速度会从壁面处的零速度逐渐增加。

层流和 紊 流的速度轮廓具有显著差异， 紊 流的速度轮廓是扁平的而层流的速度轮廓比较尖图标 如前所述，紊流运动在壁面处速度变化为零的速率比层流的速度变化率更快，所以剪切应力和摩 擦力在层流中会更大。

充分发展的管流可以表征为管道因子，是指平均速度和最大速度中心线处的比值。

粘度速度轮廓来自于管道因子数在 和 之间的宽矩形或对称圆形管道。

图表 显示了管道因子对于宽矩形或圆形管道的重要价值。

因为是平缓的速度轮廓，在等式 和等式 中运动能量常数在充分发展的紊流管道中介于 和 之间。

边界层 边界层是靠近墙表面，有摩擦力对流体影响的区域。

边界层的厚度通常写作 比下游流动的距离小