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第七章气体及蒸汽的流动思考、判断、证明、简答题(1) 流动过程中摩擦是不可避免的，研究定熵流动有何实际意义和理论价值。
解：实际流动过程都是不可逆的，势差、摩擦等不可逆因素都是不可避免的，而且不可逆因素的种类及程度是多种多样的。
因此，不可能直接从不可逆的实际流动过程的研究中，建立具有普遍意义的基本关系式。
流动问题的热力学分析方法，是暂且不考虑摩擦等不可逆因素，在完全可逆的理想条件下，建立具有普遍意义的基本关系式，然后，再根据实际工况加以修正。
“可逆”是纯理想化的假定条件。
采用可逆的假定，虽然是近似的，但也是合理的。
这不仅使应用数学工具来分析流动过程成为可能，而且，其分析结论为比较实际流动过程的完善程度，建立了客观的标准，具有重要的理论意义和实用价值。
(2) 喷管及扩压管的基本特征是什么？解：不能单从变截面管道的外形，即不能单从截面变化规律，来判断是喷管还是扩压管。
一个变截面管道，究竟是喷管还是扩压管，是根据气流在管道中的流速及状态参数的变化规律来定义的。
使流体压力下降、流速提高的管道称为喷管；反之，使流体压力升高、流速降低的管道称为扩压管。
对于喷管必定满足下列条件：d c＞0；d p＜0；d v＞0；d h＜0对于扩压管则必定满足：d c＜0；d p＞0；d v＜0；d h＞0(3) 在变截面管道中的定熵流动，判断d v/v与d c/c究竟是哪个大的决定因素是什么？解：连续方程的微分关系式为d A/A=d v/v -d c/c上式表明通道截面的相对变化率必须等于比容相对变化率与流速相对变化率之差值，否则就会破坏流动的连续性。
例如，当d v/v＞d c/c时，气体的膨胀速率大于气流速度的增长率，这时截面积必须增大，应当有d A/A＞0，否则就会发生气流堵塞的现象。
同理，当d v/v＜d c/c时，必须有d A/A＜0，否则就会出现断流的现象。
显然，如果破坏了流动的连续性，也就破坏了流动的稳定性。
所以，稳定流动必须满足连续方程。
流体力学中的能量守恒定律流体力学是研究流体在运动中的力学现象和规律的学科。
其中的能量守恒定律是流体力学中的基本概念之一。
能量守恒定律指出在流体的运动过程中，能量总是保持恒定的。
本文将详细介绍流体力学中的能量守恒定律及其应用。
一、基本概念能量守恒定律又称为伯努利定律，它是指在不受外力的作用下，流体在流动过程中，沿着流线方向其单位质量的总能量保持不变。
这里的总能量包括动能、压力能和位能三种形式。
1. 动能：动能是流体由于运动而具有的能量。
对于单位质量的流体，其动能可以表示为K=1/2ρv^2，其中ρ代表流体的密度，v代表流体的速度。
2. 压力能：压力能是由于流体受到压力而具有的能量。
对于单位质量的流体，其压力能可以表示为P/ρ，其中P代表流体的压力。
3. 位能：位能是流体在重力场中由于所处位置不同而具有的能量。
位能可以表示为gz，其中g代表重力加速度，z代表流体的高度。
二、能量守恒定律的表达式根据能量守恒定律，可以得到下面的表达式：E = K + P/ρ + gz = 常数这个表达式说明了在流体的运动过程中，它的总能量保持不变。
在特定条件下，当流体的速度、压力或者高度发生变化时，会导致其他形式的能量发生相应改变，以保持能量守恒的总量。
三、应用能量守恒定律在实际中有非常重要的应用。
以下是几个典型的应用场景：1. 管道流动：在流体通过管道的过程中，由于速度的改变会导致压力的变化。
根据能量守恒定律，可以通过测量不同位置的速度和压力来计算流体的流速。
2. 空气动力学：在飞机的飞行过程中，空气通过机翼和发动机喷口时会发生速度和压力的改变。
利用能量守恒定律，可以研究飞机的升力和推力，并优化设计。
3. 水力发电：水在水坝中坠落时会转化为旋转的水轮机，通过能量守恒定律可以计算水的动能转化为机械能和电能的过程。
四、结论流体力学中的能量守恒定律是非常重要的基本概念。
通过对流体运动过程中能量变化的研究，可以有效地预测和控制流体的行为。
流体力学基础流体的性质与流体力学原理流体力学基础——流体的性质与流体力学原理流体力学是研究流体运动和流体力学基本原理的学科，广泛应用于航空、航海、能源、化工等领域。
本文将介绍流体的性质以及流体力学的基本原理。
一、流体的性质流体指的是气体和液体，在力学中被视为连续介质。
流体具有以下几个主要的性质：1. 可流动性：与固体不同，流体具有较低的粘性和内聚力，因此可以流动。
流体的流动性使其在工程领域中应用广泛，并且流体力学正是研究流体流动的力学学科。
2. 不可压性：对于液体来说，密度变化相对较小，一般可视为不可压缩的。
而对于气体来说，变化较大的压力会引起密度变化，所以流体力学中对气体流动的研究需要考虑密度的变化。
3. 流体静力学压力：流体静力学压力是由于流体自身重力或外力作用下的压力差异引起的。
流体中的每一点都承受来自其周围流体的压力。
4. 流体动力学压力：流体动力学压力是由于流体的动力作用引起的压力差异。
当流体以较高速度通过管道或物体时，流体动力学压力扮演着重要的角色。
二、流体力学原理流体力学原理是研究流体运动的基本规律，它由庞加莱提出的运动方程、贝努利定律、连续方程等组成。
以下将分别介绍这几个基本原理：1. 流体运动方程：流体运动方程描述了流体在空间中运动的规律。
流体运动方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程指出质量在流体中不会凭空消失或产生；动量守恒方程描述了流体运动中受到的作用力和压力的关系；能量守恒方程则研究了流体在流动过程中的能量转化。
2. 贝努利定律：贝努利定律是流体力学中最为著名的定律之一。
它说明了在无粘度和定常状态下，流体在不同位置的速度、压力和高度之间存在着一种平衡关系。
贝努利定律在飞行器设计和管道流动等领域中有广泛的应用。
3. 材料导数：材料导数是流体力学中用来描述物质随时间变化的速率的重要概念。
对于流体来说，由于其非刚性的特性，物质随时间的变化需要通过材料导数来描述，它包括时间导数和空间导数。
流体力学中的湍流与层流流体力学是研究流体运动规律的学科，其中湍流与层流是流体运动中的两种基本类型。
湍流和层流在流体力学中具有不同的特点和运动规律，对于理解流体的行为以及各种流体系统的设计和优化具有重要意义。
一、湍流的特点与规律湍流是指流体在流动过程中出现的不规则、混乱的运动状态。
与湍流相对的是层流，层流是指流体在管道、河流等狭窄空间中呈现平行的流动状态。
湍流和层流的主要区别在于流体的速度和流动方式。
湍流的特点有以下几个方面：1. 不规则性：湍流的流速和流向都不是固定不变的，而是随机变化的。
流体颗粒在湍流中呈现出旋转、混杂的状态，导致流体运动迅猛且不可预测。
2. 湍流能量耗散快：湍流中能量的转移和耗散比层流更快。
湍流的不规则性使得流体颗粒之间发生碰撞和混合，导致动能耗散增加，从而使湍流的能量耗散速率更高。
3. 湍流的湍流：湍流内部还存在着更小尺度的湍流结构，形成了多层次的湍流现象。
这种湍流内部的湍流结构不断分裂和混合，使得湍流的流速和流向变得更加复杂。
湍流的产生与维持是一个相对复杂的过程，受到多种因素的影响。
主要因素包括流体的速度、粘度、密度以及流动的几何形状等。
当流体速度超过一定的临界值时，湍流就会发生。
湍流的维持则需要持续提供足够的能量，否则流体会逐渐转变为层流状态。
二、层流的特点与规律层流是指流体在管道、河流等狭窄空间中呈现平行的流动状态。
相对于湍流而言，层流的主要特点在于流体颗粒之间没有明显的相互干扰和碰撞，流体运动呈现出有序的状态。
层流的特点如下：1. 平行流动：层流中的流体颗粒沿着管道或河流的轴线方向运动，且速度相同。
流体颗粒之间的相对位置保持稳定，没有明显的交换和混合。
2. 速度分布均匀：由于流体颗粒之间没有明显的相互作用，层流中的速度分布均匀。
流体速度沿着截面的任意一条线上都相同，呈现出流速分布均匀的状态。
层流的形成与流体的流速、粘度、管道直径等因素有关。
当流体速度较低、粘度较高、管道直径较小时，流体倾向于呈现出层流的状态。
流体流动曲线一、引言流体力学是研究流体运动规律的一门学科，其中流体流动曲线是研究流体在管道中运动时的重要内容。
本文将详细介绍流体流动曲线的相关概念、特点和计算方法。
二、基本概念1. 流量：单位时间内通过管道某一截面的液体或气体质量或体积。
2. 流速：单位时间内通过管道某一截面的液体或气体质量或体积与该截面所对应的横截面积之比。
3. 压力：作用于液体或气体表面上垂直于表面方向上的力。
4. 阻力：由于液体或气体粘性阻力而产生的阻碍其运动的力。
三、特点1. 速度分布不均匀：由于摩擦作用，管道内离壁越近，液体或气体速度越小，越靠近中心轴线，速度越大。
2. 压力分布不均匀：由于惯性作用和摩擦作用，管道内压力最大处在管道中心轴线上，最小处在离中心轴线最远处。
3. 流量相等：在管道截面积不变的情况下，流量相等，即在一段管道中流速越大，横截面积就越小。
四、计算方法1. 流量计算：根据质量守恒定律和能量守恒定律，可以得到流量公式：Q=Av其中，Q表示流量；A表示管道截面积；v表示平均流速。
2. 流速计算：根据雷诺数的大小可以判断流体状态的稳定性，并可得到平均流速公式：v= 1/nρD(ΔP/L)^0.5其中，v表示平均流速；n为粘度系数；ρ为密度；D为管道直径；ΔP 为压力差；L为管道长度。
3. 压力计算：根据能量守恒定律可得到压力公式：P1+ (1/2)ρv1^2+ ρgh1= P2+ (1/2)ρv2^2+ ρgh2其中，P1和P2分别表示两个截面的压力；v1和v2分别表示两个截面的平均流速；h1和h2分别表示两个截面所在位置的高度。
五、应用流体流动曲线广泛应用于工业生产和日常生活中，如管道输送、水力发电、空气调节等。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的管道材质、直径和长度，以及流量和流速等参数，以确保流体流动的稳定性和安全性。
六、结论本文详细介绍了流体流动曲线的相关概念、特点和计算方法，并阐述了其在工业生产和日常生活中的应用。
第一章空气在管道中流动的基本规律工程流体力学以流体为对象，主要研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关实际工程中去。
涉及流体的工程技术很多，如水力电力，船舶航运，流体输送，粮食通风除尘与气力输送等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界条件也有差异。
通风除尘与气力输送属于流体输送，它是以空气作为工作介质，通过空气的流动将粉尘或粒状物料输送到指定地点。
由于通风除尘与气力输送是借助空气的运动来实现的，因此，掌握必要的工程流体力学基本知识，是我们研究通风除尘与气力输送原理和设计、计算通风除尘与气力输送系统的理论基础。
本章中心内容是工程流体力学基本知识，主要是空气的基本特性及运动时的基本规律。
1.1 空气的基本特性及流动的基本概念流体是液体和气体的统称，由液体分子和气体分子组成，分子之间有一定距离。
而我们在通风除尘与气力输送中所接触到的流体（主要是空气）可视为连续体，即所谓连续性的假设。
这意味着流体在宏观上质点是连续的，其次还意味着质点的运动过程也是连续的。
研究证明，按连续质点的概念所得出的结论与试验结果是很符合的。
因此在工程应用上，用连续函数来进行流体及运动的研究，并使问题大为简化。
1.1.1 空气的基本特性1．密度和重度单位体积空气所具有的空气质量称为空气密度，用符号ρ表示。
其表达式为：（1-1）式中：ρ——空气的密度（kg/m3）；m——空气的质量（kg）；V——空气的体积（m3）。
单位体积空气所具有的空气重量称为空气重度，用符号表示。
其表达式为：（1-2）式中：——空气的重度（N/m3）；——空气的重量（N）；——空气的体积（m3）。
对于液体而言，重度随温度改变而变化。
而对于气体而言，气体的重度取决于温度和压强的改变。
由公式（1-2）两边除以，可以得出空气的密度与重度存在如下关系；（1-3）式中：——当地重力加速度，通常取9.81（m/s2）。
2．温度温度是标志物体冷热程度的参数。
就空气而言，温度和空气分子热运动的平均动能有关。
温度越高，空气分子热运动越强，空气分子热运动的平均动能也就越大。
空气的温度用测量温度的仪表测定。
为了标志温度的高低和保证温度测量的准确一致，就要规定一个衡量温度高低的标准尺子，称为温度标尺，简称温标。
目前国际上通用的温标主要有两种。
摄氏温标（t）——摄氏温标规定：在1标准大气压下，纯水开始结冰时的温度（冰点）定为0°C，纯水沸腾时的温度（沸点）定为1000C。
在0°C与此同时1000C之间划为100等分。
每一等分就是摄氏温度的1°C。
绝对温标（T）——绝对温标规定：把-273.15°C 作为零点，由此而测量出的温度就是绝对温度。
用绝对温标表示温度时，在度数的右边加上字母“K”。
绝对温标的每1K与摄氏温标每1°C在数值上完全相等。
1标准大气压下，纯水的冰点为273.15K（工程上取273K 已足够准确），沸点为373.15K。
摄氏温度和绝对温度之间的换算关系为：T=273+t°（K）3．压强气体或液体分子总是永远不停地作无规则的热运动。
在管道中这种无规则的热运动，使管道中的分子间不断地相互碰撞，这就形成了对管道的撞击力。
虽然每个分子对管道壁的碰撞是不连续的，致使撞击力也是不连续的，但是由于管道中有大量的分子，它们不停且非常密集地碰撞管壁，因此，从宏观上就产生了一个持续的有一定大小的压力。
正如雨点落到伞面上，虽然每个雨点对伞面的作用力并不是连续的，但是，大量密集的雨点落到伞面上，就能感觉到雨点对伞面形成了一个持续的压力。
对管壁而言，作用在管壁上压力的大小取决于单位时间内受到分子撞击的次数以及每次撞击力量的大小。
单位时间撞击次数越多，每次撞击的力量越大，作用于管壁的压力也越大。
压强的大小可用垂直作用于管壁单位面积上的压力来表示，即：（1-4）式中：P——压强（N/m2）；F——垂直作用于管壁的合力（N）；A——管壁的总面积（m2）；。
压强的单位通常有三种表示方法。
第一种，用单位面积的压力表示。
在工程应用中，常以千克为力的单位,平方米作为面积的单位，于是压强的单位为kg/m2，有时也用kg/cm2作为压强的单位。
在国际单位制中压强单位采用[帕]，即N/m2。
其换算关系为：1帕=1/9.81（kg/m2）第二种，用液柱高度表示。
在测定管道中空气的压强时，常采用里面装有水或水银的U型压力计为测量仪器，以液柱高度表示压强的大小。
如图1-1，液柱作用于管底的压力为液柱的重量，其大小为：（1-5）式中：——液体重度(kg/m3)；——液柱高度(m)；——受力面积(m2)。
压强为：（1-6）或：例如，水的重度为100（kg/m3）,水银的重度为13600（kg/m3），试将P=1（kg/cm3）换算成相应的液柱高度。
用水银柱（汞柱）高度表示：=10000/13600=0.736（mHg）=736（mmHg）用水柱高度表示：=10000/100=1000（mmH2O）第三种，用大气压表示。
国际上，把海拔高度为零，空气温度为0°C，纬度为45°时测得的大气压强为1个标准大气压，它等于10336（kg/m2）。
工程上为简化起见，在不影响计算精度的前提下，取一个工程大气压为10000（kg/m2）。
工程中需要规定某一状态的空气为标准空气。
国际上把一个标准大气压，温度为0°C的空气状态规定为标准状态。
标准状态下的空气称为标准空气。
标准空气的密度为ρ=1.2（kg/m3）。
表示压强的三种方法换算关系为：1标准大气压=10336（kg/m2）=10336（mmH2O）=760（mmHg）1工程大气压=10000（kg/m2）=10000（mmH2O）=736（mmHg）为了满足工程上的需要，压强可按以下三种方法进行计算，如图1-2所示。
绝对压强——当计算压强以完全真空为基准算起，称为绝对压强，用P s 表示，其值恒为正。
相对压强——当计算压强以当地大气压（P a）为基准算起时，称为相对压强，用P r表示。
也称为表压(P b)。
真空度——当绝对压强低于大气压强时，其大于大气压的数值称为真空度。
需要说明的是，通风工程中所指的压力就是物理学中所指的压强。
由于通风工程中的压力（压强）相对较小，常用帕毫米水柱作单位，其换算关系为：1（mm/H2O）=1（kgf/m2）=9.81（P a）4．粘滞性流体流动时所表现出的内摩擦力（粘滞力）反映了流体抵抗外力使其产生变形的特性，这种特性称为粘滞性，简称粘性。
当我们把油和水倒在同一斜度的平面上，发现水的流动速度比油要快的多，这是因为油的粘滞性大于水的粘滞性。
流体的粘性大小用动力粘性系数（粘度）μ表示，单位为帕·秒（Pa·s）。
而动力粘性系数μ值越大，流体的粘性越大。
而动力粘性系数μ又随不同流体及温度和压力而变化。
通常粘性系数与压力的关系不大，在多数情况下可以忽略压力对液体粘性系数的影响。
流体的粘性系数与温度的关系已被大量的实验所证明。
即液体的粘性系数随温度的增加而下降，气体的粘性系数随温度而增加。
这种截然相反的结果可用液体的微观结构去阐明。
流体间摩擦的原因是分子间的内聚力、分子和壁面的附着力及分子不规则的热运动而引起的动量交换，使部分机械能变为热能。
这几种原因对液体与气体的影响是不同的。
因为液体分子间距增大，内聚力显著下降。
而液体分子动量交换的增加又不足以补偿，故其粘性系数下降。
对于气体则恰恰相反，其分子热运动对粘滞性的影响居主导地位，当温度增加时，分子热运动更为频繁，故气体粘性系数随温度而增加。
另外，在我们研究流体运动规律的时候，ρ和μ经常是以μ/ρ的形式相伴出现，这是为了实用方便，就把μ/ρ叫做运动粘性系数，用符号υ表示。
υ=μ/ρ（m2/s）(1-7)5．比容比容是单位重量的流体占有的容积，它是定量流体容积大小的状态参数。
它与重度的关系为：γ·υ=1 （1-8）气体的比容随温度和压力变化。
6．空气状态变化（理想气体状态方程）理想气体指一种假想的气体，它的质点是不占有容积的质点；分子之间没有内聚力。
虽然自然界中不存在真正的理想气体，但是为了研究流体的客观规律，从复杂的现象中抓住主要环节而忽略某些枝节，在工程应用所要求的精度内，使问题合理化，不至于引起太大的误差。
就此意义来讲，引出理想气体的概念是十分重要的。
在研究通风除尘与气力输送时，完全可以引用理想气体的定律。
空气在压力P或温度T 变化时能改变自身的体积V，具有显著的压缩性和膨胀性，因此，当温度、压力变化时，气体的密度ρ也随之变化。
它们之间的关系，服从于理想气体状态方程。
即：（1-9）或：（1-10）由带入上式得：对于单位质量的气体：（1-11）气体状态方程中的R称为气体状态常数，与气体状态无关。
在通风工程领域，R=288.4牛·米/千克·开（N·m/kg·K）。
1.1.2 与空气流动的有关概念空气是一种流体，其流动规律遵循流体力学的一般规律。
在介绍反映流体流动规律的流体力学基本方程之前，先介绍一些有关的流动的基本概念。
充满运动流体的空间称为流场。
用以表示流体运动规律的一切物理统称为运动参数，如速度v、加速度a、密度ρ、压力P和粘性力F等。
流体运动规律，就是在流场中流体的运动参数随时间及空间位置的分布和连续变化的规律。
1．稳定流与非稳定流如果流场中各点上流体的运动参数不随时间而变化，这种流动就称为稳定流。
如果运动参数不随时间而变化，这种流动就称为非稳定流。
对于稳定流：（1-12）对于非稳定流：（1-13）上述两种流动可用流体经过容器壁上的小孔泄流来说明（如图1-3）。
图1-3（a）表明：容器内有充水和溢流装置来保持水位恒定，流体经孔口的流速及压力不随时间变化而变化，流出的形状为一不变的射流，这就是稳定流。
图1-3（b）表明：由于没有一定的装置来保持容器中水位恒定，当孔口泄流时水位将渐渐下降。
因此，其速度及压力都将随时间而变化，流出的形状也将是随时间不同而改变的流，这就是属于非稳定流在通风除尘网路中，如果网路阻力不变，风机转速不变，则空气的流动可视为稳定流动。
在气力输送网路中，如果提升管的输送量不变，管内空气流动也可以视为稳定流动。
2．迹线与流线（1）迹线流场中流体质点在一段时间内运动的轨迹称为迹线。
（2）流线流场中某一瞬时的一条空间曲线，在该线上各点的流体质点所具有的速度方向与该点的切线方向重合。
3．流管与流束（1）流管流场中画一条封闭的曲线。
经过曲线的每一点作流线由这些流线所围成的管子称为流管。
非稳定流时流管形状随时间变化；稳定流时流管不随时间而变化。
由于流管的表面由流线所组成，根据流线的定义流体不能穿出或穿入流体的表面。
