流体力学泵与风机考试复习课件.ppt

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1、流体力学， 泵与风机 1 研究流体的运动和平衡规律，以及流体与固 体之间相互作用的一门科学。 换句话说，流体力学的主要任务是研究流体 与物体之间的相互作用，以及流体在静止或运 动时所遵循的基本规律。 流体力学： 2 目录 1.流体的物理性质 2.流体的机械能守恒 3.流动阻力及管路特性曲线 4. 流体机械的分类和结构 5. 流体压力的测量 3 (1)粘性 (2)可压缩性 (3)易流动性 （即受剪切力作用可产生变形） 1.流体的基本物理性质 4 1.1 流体作为连续介质的假设 在研究宏观的流体流动时不考虑流体分子之 间的间隙，而将流体看作是由无数流体质点连 续地、无空隙地充满的介质。 5 1.2

2、 流体的压力，密度 压力： 流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静 压力，简称压力P（Pa）。其表达式： P=F/A 单位：Pa (1Pa=1N/m2) 单位换算： 1MPa=106Pa 1bar=0.1Mpa 1mmH2O=0.918Pa 1atm=1.0133*105Pa 6 压力流体的性质 （1）流体压力的方向总是于作用面垂直，并 指向作用面 （2）静止流体内部任意点处的流体静压力在 各方向上是相等的。 7 流体的密度: 流体的密度指单位体积流体的质量。密度随流体 种类、压力而变化。 流体的比体积流体密度的倒数称为比容。 8 1.3 压缩性与膨胀性 流体的压缩性：流体受到压缩体积就要变

3、小 的特性。 在一般工程中，通常把气体作为可压缩流体 来处理。 流体的膨胀性：物体具有热胀冷缩的性质， 流体也不例外，称为流体的膨胀性。 9 1.4 流体的粘性 为比例系数，通常称作动力粘度，是个物 性系数，与流体的种类、温度有关。 两板间的流体速度u呈线性分布 10 牛顿内摩擦定律 单位面积的摩擦阻力： 牛顿内摩擦定律：单位面积的摩擦力与 速度梯度成正比，其比例系数为。 11 粘性流体 实际流体均具有粘性，即0，所以实际 流体又称为粘性流体。 0的流体则称为理想流体。 静止流体，粘性表现不出来，所以对流体 力学而言，静止流体既可作为理想流体，也可 作为粘性流体。 12 2 流体力学基础 流动

4、的几个基本概念 层流与紊流 管内流速分布 流体动力学基本方程 13 2.1 流体流动的几个基本概念 迹线 某一流体质点在一段时间内运动 的轨迹。 流线流线是一条空间曲线，在某一瞬时， 此曲线上每一点的速度矢量总是在该点与此曲 线相切。 14 流线： 在定常流动条件下，任意一流体质点总有自 己确定的轨迹，流线不能相交，因为在同一瞬 时，同一空间点上不可能有几个流动方向。 定常流动时，流线与迹线重合，且流线 形状及位置始终不变。而在非定常流动 时，流线要随时间变化。15 有效截面: 若截面与流束中每一流线都正交，此截面称 为有效截面。 对不同的截面，有效截面可以如图选取。 16 流量单位时间通过有

5、效截面的流体量。 体积流量 m3/s 重量流量 N/s 质量流量 kg/s 17 2.2 流体的机械能守恒 机械能：由流体的位置、压力和运动所决定的 位能、压力能和动能。 位能：mgz 压力能：mp/ 动能：mv2/2 比机械能：1kg流体所具有的位能、压力能和动 能的总和。 比位能：gz 比压力能：p/ 比动能：v2/2 18 流体的机械能守恒 静止流体和运动流体都遵循能量的守恒原理 ，用一个统一的关系式进行描述。 位置1流体比机械能 = 位置2流体比机械能+1和2间比能量损失 19 理想流体的伯努利方程 如果质量力仅仅是重力f=mg z为单位重量流体具有的位势能，又称位置高 度或位置水头；

6、 为单位重量流体具有的压强势能，又称压 强高度或压强水头； 为单位重量流体具有的动能，又称速度水 头或动压头。 20 整个流场所有各点的总机械能为一常数。 能量方程中，压强标准要一致。 21 流体中总水头线是沿程下降的，而测压管水 头线可沿程上升、下降或不变。 22 2.3 流体动力学基本方程 （1） 流体流动的连续性方程 ： 流入控制面的流体质量 流出控制面的流体质量 23 （2）能量方程 理想流体的伯努利方程 粘性流体总流的伯努利方程 流体力学的基本方程： 连续性方程 伯努利方程 24 粘性流体总流的伯努利方程 对于粘性流体，由于存在摩擦阻力，耗掉 了流体的部分机械能，所以总机械能逐步减

7、少。 粘性流体管流，测压管水头线沿程的变化 可能上升，下降，或保持不变。 25 流体流动基本方程的应用 求流速 求压力 同时求流速和压力 26 3 流动阻力及管路特性曲线 流态的判断 流动阻力 管路特性曲线 27 3.1 层流与紊流: 28 流动状态的判定 雷诺数 Re：反映惯性力与粘性力的对比关系 临界雷诺数 Re 层流 湍流 29 3.2 管内流速分布 一般情况下，某一截面（例如：管内 流动的某一截面）的流体速度分布并非 线性函数，而是曲线分布。 30 圆管内的速度分布 工程计算中,使用界面平均速度v。 对于圆管内的层流流动： 对于圆管内的湍流流动： 31 3.3 管路能量损失 粘性流体沿

8、管道流动的总流伯努里方程为 hw是粘性流体从截面1流到截面2处，单位重量 流体所损失的能量，它等于所有沿程损失和局 部损失之和，即： 32 沿程损失hf是在每段缓变流区域内单位 重量流体沿流程的能量损失。 为沿程损失系数，它与流体的粘度，流速 、管道内径和管壁粗糙度等因素有关，是一个 无量纲系数，除层流流动外，一般需要由试验 确定。 33 局部损失 局部损失hj是当管道中因截面面积或流动 方向的改变所引起的流动急剧变化时，单位 重量流体的能量损失，通常表示为 式中 称为局部损失系数，也是一个无量 纲系数，根据引起流动的各种管件，由试验 来确定。 34 总损失 总损失hw等于各段沿程损失hf和局

9、部 损失hj之和。 若求沿程损失hf和局部损失hj，就必 须确定沿程损失系数和局部损失系数 。 35 3.4 圆管中的层流流动 圆管中层流流动过流断面上的流速分布为旋转 抛物面，流速分布： 圆管中层流流动沿程压强损失与速度的一次方 成正比。沿程能量损失，简称沿程损失为： 36 非圆截面管路沿程损失的计算 非圆截面管道的沿程损失， 当量直径则定义为： A过水截面面积； x湿周； R水力半径。 37 非圆截面管道 对充满流体的矩形截面管道 充满流体的环形截面管道 充满流体的管束（流动为垂直于纸面方向的 纵掠）。 38 3.5 管路中的局部损失 当流体流过阀门、变截面管道（例如管道截 面突然扩大和缩

10、小）、弯管等管件时，由于流 动状态急剧变化，流体质点之间发生碰撞、产 生旋涡等原因，在管件附近的局部范围内产生 的能量损失，称为局部损失或局部阻力。 39 局部损失 管道截面突然扩大 40 弯管 弯管也是管路系统中的常用管件，弯管可引起 另外一种典型的局部损失，但弯管只改变流体 的流动方向，不改变平均流速的大小。 弯管的局部阻力主要包括两部份：（1）旋涡 损失；（2）二次流损失。 41 减小局部损失的措施 1.管道进口：尽量将管道的进口加工成圆滑的 进口，实验证明，圆滑的进口可减少局部损失 系数90%以上。 42 2弯管 避免在弯管的内外侧产生较大的旋涡区，又可 减小二次流的范围。 43 3三

11、通 为减小流体流过三通的局部损失，可在总管中 安装合流板与分流板，如下图所示。或者尽可 能地减小支管与合流管之间的夹角。 44 减少局部损失的方法： 主要思想： 尽量将管件转角加工成圆角，使突然扩大和 突然缩小改变成逐渐扩大与逐渐缩小，并选择 最佳的扩散角。并尽量使管件的边壁接近流线 型，以避免旋涡的产生。 45 3.6 管路计算 因为管路系统的能量损失，包括沿程损失和 局部损失两种，通常根据这两种能量损失在总 能量损失中所占比例的大小而将管道分为长管 与短管。 按结构形式分：管径及流量沿程没有发生变 化的管路，为简单管路；而管径及流量沿程没 有发生变化的为复杂管路； 46 所谓长管即计算管路

12、总能量损失时，以沿 程损失为主，速度水头与局部损失之和小于 沿程损失的5%，即 所谓短管即局部损失和速度水头之和占总 能量损失中相当大的一部分。 47 用于管路计算的公式也有三个，即： （1）连续方程 （2）伯努利方程 其中E为管路系统的外加能量，例如管路中 串联一台泵，则E为泵的扬程。 48 （3）管路能量损失公式 49 简单管路 简单管路就是管路直径不变，没有支管分出 的管路。在简单管路中流速沿流程不变。 50 复杂管路： 串联管路 所谓串联管路即由几段不同管径的简单管路 串联而成。 串联管路有以下两个特点： （1）串联管路的总能量损失等于各简单管路 的能量损失之和。即： 51 （2）串联

13、管路的总流量沿流程不变 52 再由连续方程 53 求流量Q： 54 例题：已知各管长度，沿程损失，局部损失值，但各 段速度未知，求下面串联管路内的管内流量 取两个参考面： 水箱水平面，出口面； 据此写伯努利方程： （1) 3+0+0=0+0+ 55 再由连续方程： （2） 求出 代入式（2），求得具体的h1-3 将h1-3代入式(1) 求出v2,v1 流量：Q=A1V1 V1= 56 并联管路 几条简单管路或串联管路的入口端与出口端 分别连接在一起，这样的管路就称为并联管路 。 57 （1）并联管路中各支管的能量损失相等。并联管 路各支管上的阻力损失相等 各支管的能量损失相等，仅表示流过各支管

14、单位 重量流体的能量损失相等，而通过各支管的流量可 能不同。 58 （2）并联管路的总流量等于各支管分流 量之和。 K 称为流量模数，它综合反映了管道断面形状、尺寸以 及管壁粗糙度对输水能力的影响。显然，流量模数K与流 量Q具有相同的量纲。 59 利用这三个公式，即可解决并联管路中流量 分配，水头计算以及管径选择等问题。 60 关于管路阻抗Sh 由于并联管路，总流量为分流量相加， 而各管路能量损失相等，则可推到出： 并联管路总的阻抗平方根倒数等于各 支路阻抗平方根倒数之和。 61 3.7 分支管路管网 （1）枝状管网：所谓枝状管网，即由干管与 支管组成的管路系统。干管将总流量分配至每 个支管。

15、支管末端，互不相接，如图所示。 62 枝状管网的计算，主要是确定各管段的直径 以及管网的水头损失，在此基础上，确定H， 再选择水泵，或确定水塔高度。 63 （2）环状管网 所谓环状管网，即是由若干管道相互连接组成 的一些环形回路，而从每一个节点流出的流量 可分别来自不同的环形回路，如下图所示。 64 3.7管路特性曲线 管路特性曲线： 表示流体通过某一 特定管路所需要的 压头与流量的关系 。 65 管路特性曲线方程 曲线在H轴上截距；管路所 需最小外加压头； 高阻管路，曲线较陡；低 阻管路曲线较平缓。 管路特性曲线的形状有管 路布局和流量等条件来确定 ，而与离心泵的性能无关。 66 4.流体机

16、械的分类和结构 以流体为工作介质来转换能量的机械。 按能量转换分类： 原动机是将流体的能量转变为机械能， 用来输出轴功率。如汽轮机、燃气轮机、水轮 机等。 工作机是将机械能转变为流体的能 量，用来改变流体的状态(提高流体的压力、使 流体分离等)与输送流体。如压缩机、泵、分离 机等。 67 泵 泵是把原动机的机械能转换为液体的能量的 机器。 原动机（电动机、柴油机等）通过泵轴带动 叶轮旋转，对液体作功，使其能量（包括位能 、压能和动能）增加，从而使液体输送到高处 或要求有压力的地方。 68 （1）按工作原理分： 69 （2）按压力分 70 叶片式泵与风机的基本理论 讨论泵与风机的原理和性能，就是

17、要： 研究流体在泵与风机内的流动规律，从而 找出流体流动与各过流部件几何形状之间的关 系， 确定适宜的流道形状，以便获得符合要求的 水力（气动）性能。 71 72 流体在叶轮内的流动分析 73 离心式泵的工作原理 离心式泵与风机的主要工作部件是叶轮。当原动机 带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片迫使流体旋转，即叶 片对流体沿它的运动方向作功，从而使流体的压力势 能和动能增加。同时，流体在惯性力的作用下，从中 心向叶轮边缘流去并以很高的速度流出叶轮进入压出 室（导叶或蜗壳），再经扩散管排出，这个过程称为 压水（气）过程。由于叶轮中心的流体流向边缘，在 叶轮中心形成低压区，当它具有足够的真空时，在吸 入端

18、压强的作用下，流体经吸入室进入叶轮，这个过 程称为吸水（气）过程。由于叶轮连续地旋转，流体 也就连续地排出、吸入，形成离心式泵与风机的连续 工作。 74 75 76 （2）轴流式泵与风机的工作原理 流体沿轴向流入叶片通道，当叶轮在原动机 驱动下旋转时，旋转着的叶片给绕流流体一个 轴向的推力（根据流体力学可知，流体对叶片 作用有一个升力，同时根据作用力与反作用力 相等的原理，叶片也作用给流体一个与升力大 小相等方向相反的力，即这一推力），此叶片 的推力对流体作功，使流体的能量增加并沿轴 向排出。叶轮连续旋转即形成轴流式泵与风机 的连续工作。 77 翼型和叶栅的概念 轴流泵与风机的叶轮理论 78

19、轴流式泵与风机 特点： 流量大，扬程低，流体轴向流入，轴向流出 ； 结构简单，重量相对较轻，叶片角度可调， 变工况特性良好 用场： 大型制冷系统的送引风机，循环水泵 79 轴流式泵与风机 适用范围： 工作范围很窄，适合于能头变化大时，要求 流量变化不大的场合。 80 （3）泵与风机的总效率 泵与风机的总效率等于有效功率和轴功率之 比。泵与风机的总效率h等于机械效率hm、容 积效率hV和流动效率hh三者的乘积。 81 82 83 机械损失： 由泵轴与轴承之间、泵轴与填料之间、叶轮盖板 外表面与液体之间长生的摩擦而引起的能量损失。 容积损失： 泵泄露造成的损失。 水力损失： 流体在流经流体机械时，

20、由于粘性而与通道产生的 摩擦损失，以及在局部地区由于流动情况突变而产生的 局部阻力。 84 目前，离心式泵的总效率视其大小、结构形 式的不同约在0.45-0.92之间；离心风机的总 效率约在0.5-0.93之间； 轴流泵总效率约为0.74-0.98；轴流风机的 总效率约为0.5-0.9。 85 86 泵与风机的性能曲线 离 心 式 清 水 泵 型号：IS65-50-160 转速：2900r/min 流量：25m3/h 效率：66 扬程：32m 电机功率：4kW 允许吸上真空高度：7m 重量：40kg 出厂编号： 出厂： 年 月 日 87 管路特性曲线及工作点 泵与风机的性能曲线 ，只能说明泵与

21、风机自身 的性能，但泵与风机在管 路中工作时，不仅取决于 其本身的，而且还取决于 管路系统的性能，即管路 特性曲线。由这两条曲线 的交点来决定泵与风机在 管路系统中的运行工况 88 （4）泵与风机的运行工况点 性能曲线上的点可能的工况点运行工 况点？管路系统有关 89 泵、风运行工况点的稳定性 90 影响泵与风机运行工况点变化的一 些因素 1.吸入空间（压出空间）压强（位高）变化的 影响 2. 密度变化的影响 3. 流体含固体杂质时运行工况点的变化 除此之外，流体的粘性变化，管路的积垢、 积灰、结焦、泄漏、堵塞等都会影响泵与风机 的运行工况点， 91 泵或风机的工作点 当风机供给的风量不能符合

22、实际要求时，可采取以 下三种方法进行调整: （一） 减少或增加管网的阻力(压力)损失 92 (二)更换风机 (三)改变风机转数 93 （5）泵内汽蚀现象 由液体中逸出的氧气等活性气体，借助气泡凝 结时放出的热量，会对金属起化学腐蚀作用。这 种气泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全 部过程，称为汽蚀现象。 汽蚀对泵产生诸多危害： （1）材料破坏 （2）噪声振动 （3）性能下降 94 汽蚀表面现象 汽蚀后的叶轮 95 汽蚀通常发生的部位： 轴流式泵轴流式泵 离心式泵离心式泵 96 从运行角度出发如何防止？ 提高泵抗蚀性能的措施： （1）控制泵的流量：泵的工作流量不应大于 额定流量；不应小于允许的最小流量。 （2）限制泵的转速。 （3）不允许采用泵的入口阀门调节流量 （4）泵启动时空运行时间不能过长。 97 5. 流体压力的测量 单管测压计 毕托管测速原理 98 U形管测压计 99