建筑设备工程-流体力学及传热学基础知识.doc

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第一篇　建筑给水排水及采暖
1流体力学及传热学
基础知识
建筑设备工程
主编: 刘昌明
　　　鲍东杰

　目　录
流体主要的力学性质
1
流体静力学基本概念
流体动力学基础
2
3
4
流动阻力与能量损失
稳态传热的基本概念
传热的基本方式
53
6
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传热过程及传热的增强与削弱
7

1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
1.1.1 连续介质假设
�从微观上讲, 流体是由大量的彼此之间有一定间隙的
单个分子所组成, 而且分子总是处于随机运动状态。
�从宏观上讲, 流体视为由无数流体质点( 或微团) 组
成的连续介质。
�
所谓质点, 是指由大量分子构成的微团, 其尺寸远小
于设备尺寸, 但却远大于分子自由程。
�
这些质点在流体内部紧紧相连, 彼此间没有间隙, 即
流体充满所占空间, 称为连续介质。

1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
1.1.2 流体的主要力学性质
1. 易流动性
流体这种在静止时不能承受切应力和抵抗剪切变形
的性质称为易流动性
2. 质量密度
单位体积流体的质量称为流体的密度, 即ρ=m/V
3. 重量密度
流体单位体积内所具有的重量称为重度或容重, 以γ
表示。γ=G/V

1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
　　质量密度与重量密度的关系为:
γ=G/V=mg/V=ρg
4. 粘性
表明流体流动时产生内摩擦力阻碍流体质点或流层
间相对运动的特性称为粘性, 内摩擦力称为粘滞力。
粘性是流动性的反面, 流体的粘性越大, 其流动性
越小。
平板间液体速度变化如图1.1所示。
实际流体在管内的速度分布如图1.2所示。

1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
　　实验证明, 对于一定的流体, 内摩擦力F与两流体层
的速度差du成正比, 与两层之间的垂直距离dy成反比,
与两层间的接触面积A成正比, 即
　　　　F=μAdu/dy 　　　( 1-4)
　　一般情况下, 单位面积上的内摩擦力称为剪应力,
以τ表示, 单位为Pa, 则式( 1-4) 变为
　　　　τ=μdu/dy 　　 ( 1-5)
　　式( 1-4) 、 式( 1-5) 称为牛顿粘性定律, 表明流
体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度成正比。

1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
5.压缩性和膨胀性
　　流体体积随着压力的增大而缩小的性质, 称为流体
的压缩性。
　　流体体积随着温度的增大而增大的性质, 称为流体
的膨胀性。
　　液体与气体的压缩性和膨胀性的区别:
　　( 1) 液体是不可压缩流体, 液体具有膨胀性 ;
　　( 2) 气体具有显著的压缩性和膨胀性。

1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
图1.1 平板间液体速度变化
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1 流体力学及传热学基础知识

1.1 流体主要的力学性质
图1.2 实际流体在管内的速度分布
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1 流体力学及传热学基础知识

1.2 流体静力学基本概念

　　　处于相对静止状态下的流体, 由于本身的重力或
其它外力的作用, 在流体内部及流体与容器壁面之间
存在着垂直于接触面的作用力, 这种作用力称为静压
力。
　　　单体面积上流体的静压力称为流体的静压强。
　　　若流体的密度为ρ, 则液柱高度h与压力p的关系
为:
　　　　　　p=ρgh

1 流体力学及传热学基础知识

1.2 流体静力学基本概念
1.2.1 绝对压强、 表压强和大气压强
�以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力, 它是流
体的真实压力; 以大气压为基准测得的压力称为表压
或真空度、 相对压力, 它是在把大气压强视为零压强
的基础上得出来的。
�绝对压强是以绝对真空状态下的压强( 绝对零压强)
为基准计量的压强;表压强简称表压, 是指以当时当
地大气压为起点计算的压强。两者的关系为:
　　　　　绝对压=大气压+表压

1 流体力学及传热学基础知识

1.2 流体静力学基本概念
图1.3 绝对压力、 表压与真空度的关系

1 流体力学及传热学基础知识

1.2 流体静力学基本概念
1.2.2 流体静力学平衡方程
1.2.2.1 静力学基本方程
1.2.2.1 静力学基本方程
　　　假如一容器内装有密度为ρ的液体, 液体可认为
是不可压缩流体, 其密度不随压力变化。在静止的液
体中取一段液柱, 其截面积为A, 以容器底面为基准
水平面, 液柱的上、 下端面与基准水平面的垂直距离
分别为z1和z2, 那么作用在上、 下两端面的压力分别
为p1和p2。

1 流体力学及传热学基础知识

1.2 流体静力学基本概念
　　重力场中在垂直方向上对液柱进行受力分析:
　　　　(1) 上端面所受总压力P1=p1A, 方向向下;
　　　　(2) 下端面所受总压力P2=p2A, 方向向上;
　　　　(3) 液柱的重力G=ρgA(z1-z2), 方向向下。
　　液柱处于静止时, 上述三项力的合力应为零, 即
　　　　p2A-p1A-ρgA(z1-z2)=0
　　整理并消去A, 得
　　　　p2=p1+ρg(z1-z2)　　(压力形式)　　( 1-8)

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1.2 流体静力学基本概念
　　变形得
　　　　p1/ρ+z1g=p2/ρ+z2g　(能量形式)( 1-9)
　　若将液柱的上端面取在容器内的液面上, 设液面上方的
压力为pa, 液柱高度为h, 则式( 1-8) 可改写为
　　　　p2=pa+ρgh 　　　　　　　　 ( 1-10)
　　式( 1-8) 、 式( 1-9) 及式( 1-10) 均称为静力学基本
方程, 其物理意义在于: 在静止流体中任何一点的单位位能
与单位压能之和(即单位势能)为常数。

1 流体力学及传热学基础知识

1.2 流体静力学基本概念
1.2.2.2 静压强的特性
1.2.2.2 静压强的特性
�静压强的方向性流体具有各个方向上的静压强。
�流体内部任意一点的静压强的大小与其作用的方向无
关。
�流体的静压强仅与其高度或深度有关, 而与容器的形
状及放置位置、 方式无关。

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
1.3.1 流体运动的基本概念
1. 流线和迹线
　　流线是指同一时刻不同质点所组成的运动的方向线。
　　迹线是指同一个流体质点在连续时间内在空间运动中
所形成的轨迹线, 它给出了同一质点在不同时间的速度的
方向。
图1.4

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
2. 流管、 过流断面、 元流和总流
　　在流场内作一非流线且不自闭相交的封闭曲线, 在
某一瞬时经过该曲线上各点的流线构成一个管状表面,
称流管。
　　在流体中取一封闭垂直于流向的平面, 在其中划出
极微小面积, 则其微小面积的周边上各点都和流线正
交, 这一横断面称为过流断面。
　　若流管的横截面无限小, 则称其为流管元, 亦称为
元流。
　　过流断面内所有元流的总和称为总流。

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1.3 流体动力学基础
3. 流量
　　流体流动时, 单位时间内经过过流断面的流体体积
称为流体的体积流量, 一般用Q表示, 单位为L/s。
　　单位时间内流经管道任意截面的流体质量, 称为质
量流量, 以ms表示, 单位为kg/s或kg/h。
　　体积流量与质量流量的关系为:
　　　　ms=Qρ
　　体积流量、 过流断面面积A与流速u之间的关系为:
　　　　Q=Au

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
1.3.2 流体运动的分类
1. 根据流动要素(流速与压强)与流行时间来进行分类
( 1) 恒定流
　　流场内任一点的流速与压强不随时间变化, 而仅与
所处位置有关的流体流动称为恒定流。
( 2) 非恒定流
　　运动流体各质点的流动要素随时间而改变的运动称
为非恒定流。

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
2. 根据流体流速的变化来进行分类
( 1) 均匀流
　　在给定的某一时刻, 各点速度都不随位置而变化的
流体运动称为均匀流。
( 2) 非均匀流
　　流体中相应点流速不相等的流体运动称为非均匀流。

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
3. 按液流运动接触的壁面情况分类
( 1) 有压流
　　流体过流断面的周界为壁面包围, 没有自由面者称
为有压流或压力流。一般供水、 供热管道均为压力流。
( 2) 无压流
　　流体过流断面的壁和底均为壁面包围, 但有自由液
面者称为无压流或重力流, 如河流、 明渠排水管网系统
等。

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
( 3) 射流
　　流体经由孔口或管嘴喷射到某一空间, 由于运动的
流体脱离了原来的限制它的固体边界, 在充满流体的空
间继续流动的这种流体运动称为射流, 如喷泉、 消火栓
等喷射的水柱。

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
4. 流体流动的因素
( 1) 过流断面
　　流体流动时, 与其方向垂直的断面称为过流断面,
单位为m2。在均匀流中, 过流断面为一平面。
( 2) 平均流速
　　在不能压缩和无粘滞性的理想均匀流中, 流速是不
变的。

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
1.3.3 定态流体系统的质量守恒－连续性方程
　　　如图1-5所示的定态流动系统, 流体连续地从1—1
截面进入, 从2—2截面流出, 且充满全部管道。以
1—1、 2—2截面以及管内壁为衡算范围, 在管路中流
体没有增加和漏失的情况下, 单位时间进入截面1—1
的流体质量与单位时间流出截面2—2的流体质量必然
相等, 即
　　　　　ms1=ms2　　　　　　　(1-15)
　　　或　ρ1u1A1=ρ2u2A2　　 (1-16)

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
　　　推广至任意截面, 有　
　　　　　ms=ρ1u1A1=ρ2u2A2=…=ρuA=常数　(1-17)
　　　式( 1-15) ～式(1-17)均称为连续性方程, 表明在
定态流动系统中, 流体流经各截面时的质量流量恒定。
　　　对不可压缩流体, ρ＝常数, 连续性方程可写为:
　　　　　Vs=u1A1=u2A2=…=uA=常数　　　(1-18)
　　　对于圆形管道, 式( 1-18) 可变形为
　　　　　u1/u2=A2/A1=(d2/d1)2　　　　　　　　 (1-19)

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
【例1.1】如图1-6所示, 管路由一段Φ89mm×4mm的
管1、 一段Φ108mm×4mm的管2和两段Φ
57mm×3.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以
9×10-3m3/s的体积流量流动, 且在两段分支管内的流
量相等, 试求水在各段管内的速度。
图1-6

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
【解】管1的内径为: 　d1=89-2×4=81(mm)
则水在管1中的流速为:　u1=1.75(m/s)
管2的内径为:　d2=108-2×4=100(mm)
由式( 1-19) , 则水在管2中的流速为:
　　u2=1.15(m/s)
管3a及3b的内径为:　d3=57-2×3.5=50(mm)
因水在分支管路3a、 3b中的流量相等, 则有　　
　　　u2A2=2u3A3
即水在管3a和3b中的流速为:　u3= 2.30(m/s)

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
图1-5连续性方程的推导
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1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
1.3.4 　能量守恒定律－伯努利方程
　　　在理想流动的管段上取两个断面1—1和2—2, 两
个断面的能量之和相等, 即
P u12
P u22
= Z2 + +
γ 2g
Z1 + +
γ 2g
　　　假设从1—1断面到2—2断面流动过程中损失为
h, 则实际流体流动的伯努利方程为
P u12
Z1 + +
γ 2g
P u
= Z2 + +
γ 2g
2
2
+ h

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
【例1.2】如图1-7所示, 要
用水泵将水池中的水抽到用
水设备, 已知该设备的用水
量为60m3/h, 其出水管高
出蓄水池液面20m, 水压为
200kPa。如果用直径 d＝
100mm的管道输送到用水
设备, 试确定该水泵的扬程
需要多大才能够达到要求?
图1-7

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
【解】( 1) 取蓄水池的自由液面为1—1断面, 取
用水设备出口处为2—2断面。
( 2) 以1—1断面为基准液面, 根据伯努利方程列
出两个断面的能量方程:
Z1 + P u12 + hb = Z2 + P u
2
1
+
2
+ + h
2
γ 2g
γ 2g
式中Z1=0, P1=0, u1=0;Z2＝20m, P2＝
200kPa, 且u2=Q/A=4Q/(πD)
=60×4/(3.14×0.01×3600)=2.12(m/s)

1 流体力学及传热学基础知识

1.3 流体动力学基础
故水泵的扬程为:
2
2
hb = Z2 + P u
2
+
+ h = 40.92+ h
γ 2g

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
1.4.1 流体在管道中的流动阻力
　　如图1-8所示, 流体在
水平等径直管中作定态流
动。在1—1截面和2—2截
面间列伯努利方程, 得
1 P
1
2 ρ
1 P
2
1
+Wf
2
Z1g + u +
1
= Z2g + u +
图1-8
2
2 ρ

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
　　　因是直径相同的水平管, u1=u2,Z1=Z2, 故　　
　　　　　Wf=(P1-P2)/ρ　　　　　　( 1－22)
　　　若管道为倾斜管, 则
　　　　　Wf=(P1/ρ+Z1g)-(P2/ρ+Z2g) ( 1－23)
　　　由此可见, 无论是水平安装还是倾斜安装, 流体
的流动阻力均表现为静压能的减少, 仅当水平安装
时, 流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
1.4.2 沿程损失和局部损失
1. 沿程损失
　　流体在直管段中流动时, 管道壁面对于流体会产
生一个阻碍其运动的摩擦阻力( 沿程阻力) , 流体流
动中为克服摩擦阻力而损耗的能量称为沿程损失。
　　一般采用达西-维斯巴赫公式计算, 即
h1 = λ L u2
d 2g

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
2. 局部损失
　　流体运动过程中经过断面变化处、 转向处、 分支
或其它使流体流动情况发生改变时, 都会有阻碍运动
的局部阻力产生, 为克服局部阻力所引起的能量损失
称为局部损失。计算公式为:
　　　　hj=ξu2/(2g)
　　流体在流动过程中的总损失等于各个管路系统所
产生的所有沿程损失和局部损失之和, 即
　　　　h=∑hl+∑hj

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
【例1.3】如图1-7所示, 若蓄水池至用水设备的输水管的
总长度为30m, 输水管的直径均为100mm, 沿程阻力系
数为λ=0.05, 局部阻力有: 水泵底阀一个, ξ=7.0;
90°弯头四个, ξ=1.5; 水泵进出口一个, ξ=1.0; 止回
阀一个, ξ=2.0;闸阀两个, ξ=1.0;用水设备处管道出口
一个, ξ=1.5。试求:
　　( 1) 输水管路的局部损失;
　　( 2) 输水管道的沿程损失;
　　( 3) 输水管路的总水头损失;
　　( 4) 水泵扬程的大小。

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
【解】由于从蓄水池到用水设备的管道的管径不变, 均
为100mm, 因此, 总的局部水头损失为: 　　
　　　　hj=∑ξu2/(2g)= 4.47(m)

整个管路的沿程损失为:
　　　　hl=λL u 2/(d2g)=3.45(m)
输水管路的总损失为:
　　　　h=hj+hl=4.47+3.45=7.92(m)
水泵的总扬程为:
　　　　 hb=40.92+h=40.92+7.92=48.84(m)

1 流体力学及传热学基础知识

1.4 流动阻力与能量损失
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图1-7

1 流体力学及传热学基础知识

1.5 稳态传热的基本概念
1.5.1 温度和热量
1.5.1.1 温度
1.5.1.1 温度
�物质具备某种宏观性质, 当各物体的这一性质不同
时, 它们若相互接触, 其间将有净能流传递; 当这一
性质相同时, 它们之间达到热平衡。一般把这一宏观
物理性质称为温度。
�从微观上看, 温度标志物质分子热运动的激烈程度。

1 流体力学及传热学基础知识

1.5 稳态传热的基本概念
1.5.1.2 热量
1.5.1.2 热量
　　　这种由于温差作用而经过接触边界传递的能量,
称为热量。
　　　热量一般见Q表示。。
　　　　　1焦耳＝1牛顿·米 (1J＝1N·m)
　　　　　1瓦＝1焦耳／秒 (1W＝1J／s)
　　　根据热功当量值可知, 两种单位制的换算关系
为:
　　　　　1千卡＝4.19千焦耳 (＝4.19kJ)
1 流体力学及传热学基础知识

1.5 稳态传热的基本概念
1.5.2 稳态传热的基本概念
�热量传递过程分为稳态过程和非稳态过程两大类。
�凡物体中各点温度不随时间而改变的热量传递过程称
为稳态热传递过程; 反之则称为非稳态热传递过程。
�各种设备在持续稳定运行时的热传递过程属于稳态过
程, 而在起动、 停机和工况改变时的热传递过程则属
于非稳态过程。大多数设备都可认为在稳定运行条件
下工作。

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
　　热量传递过程中要经历三个阶
段(如图1-9所示) :
　　(1) 热量由室内空气以对流换热
和物体间的辐射换热的方式传给墙
壁的内表面。
　　(2) 墙壁的内表面以固体导热的
方式传递到墙壁外表面。
　　(3) 墙壁外表面以对流换热和物
体间辐射换热的方式把热量传递给
图1-9
室外环境。

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
1.6.1 热传导
　　　当物体内有温差或两个不同温度的物体接触时,
在物体各部分之间不发生相对位移的情况下, 物质微
粒( 分子、 原子或自由电子) 的热运动传递了热量,
使热量从高温物体传向低温物体, 或从同一物体的高
温部分传向低温部分, 这种现象被称为热传导, 简称
导热。

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
　　设有如图1-10所示的一块大平壁, 壁厚为δ, 一侧
表面面积为A, 两侧表面分别维持均匀恒定温度tw1和tw2。
实践表明, 单位时间内从表面1传导到表面2的热量Φ
(热流量)与导热面积A和导热温差( tw1-tw2) 成正比, 与
厚度δ成反比, 写成等式为:
∆t tw1 −tw2
φ = λA = λA
δ
δ
图1-10

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
1.6.2 热对流
�在流体中, 温度不同的各部分之间发生相对位移时所
引起的热量传递过程叫做热对流。
�流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自
然对流; 而由于机械(泵或风机等)的作用或其它压差
而引起的相对运动称为强迫对流(或受迫对流)。
�工程上经常遇到的流体流过固体壁时的热传递过程就
是热对流和导热作用的热量传递过程, 称为表面对流
传热, 简称对流传热。

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
　　当温度为tf的流体流过温度为tw( tw≠tf) 、 面积为
A的固体壁(见图1-11)时, 对流传热的热流量Φc与面积
A、 流体和壁面的温差Δt成正比, 即
　　　　　Φc=hcAΔt　　　( 1-28)
　　这就是牛顿冷却公式。
　　流体被加热( tw＞tf) 时,
取Δt＝tw-tf; 当物体被冷却
( tw＜tf)时, 取Δt＝tf－tw。
图1-11

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
1.6.3 热辐射
�物质是由分子、 原子、 电子等基本粒子组成的, 原子
中的电子受激或振动时会产生交替变化的电场和磁
场, 能量以电磁波的形式向外传播, 这就是辐射。
�电磁波的分类和名称如图1-12所示。
图1-12 电磁波谱

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
�一般把投射到物体上能产生明显热效应的电磁波称为
热射线, 其中包括可见光线、 部分紫外线和红外线。
�物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间经过热
辐射而进行的热量传递, 称为表面辐射传热, 简称辐
射传热。
�热辐射的本质决定了辐射传热的特点:
　　(1) 辐射传热与导热和对流传热不同, 它不依靠物质
的直 接接触而进行能量传递。

1 流体力学及传热学基础知识

1.6 传热的基本方式
　　(2) 辐射传热过程伴随着能量形式的两次转化, 即物
体的内能首先转化为电磁波能发射出去, 当此波射到另
一物体表面并被吸收时, 电磁波能又转化为物体的内能。
　　(3) 一切物体只要其温度高于绝对零度, 都会不停地
向外发射热射线。辐射传热是两物体互相辐射的结果。

1 流体力学及传热学基础知识

1.7 传热过程及传热的增强与削弱
1.7.1 传热过程
�热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度
较低流体的过程, 称为总传热过程, 简称传热过程。
�传热过程实际上是导热、 热对流和辐射三种基本方式
共同存在的复杂换热过程。
�传热过程的热流量可用下式表示:
　　　　Φ＝ KAΔ t

1 流体力学及传热学基础知识

1.7 传热过程及传热的增强与削弱
1.7.2 传热的增强
　　　所谓增强传热, 就是经过传热分析, 找出影响传
热的主要因素, 进而采取措施使热力设备的热流量增
加。
　　　增强传热的途径主要有以下几个方面:
　　( 1) 加大传热温差。
　　( 2) 减小传热面总热阻。减小传热面的总热阻能够
分别从减小导热热阻、 对流传热热阻和辐射传热热阻着
手。

1 流体力学及传热学基础知识

1.7 传热过程及传热的增强与削弱
1.7.3 传热的削弱
　　　经过减小传热温差和增加传热过程的总热阻来削
弱传热。
　　　保温隔热的目的有以下几个方面:
�
�
�
�
减少热损失。
保证流体温度, 满足工业要求。
保证设备的正常运行。
减少环境热污染, 保证可靠的工作环境。
保证工作人员的安全。
�

1 流体力学及传热学基础知识

1.7 传热过程及传热的增强与削弱
　　　保温隔热技术包括保温隔热材料的选择、 最佳保
温层厚度的确定、 合理的保温结构和工艺、 检测技术
以及保温隔热技术、 经济性评价方法等。
　　　保温隔热材料的要求 :
�
�
�
�
有最佳密度(或容重)。
热导率小。
温度稳定性好。
有一定的机械强度 。
吸水、 吸湿性小。
�

1 流体力学及传热学基础知识

建筑设备工程
主编: 刘昌明
　　　鲍东杰