新型流體機械

1、流體機械與流體動力工程讀書報告流體機械與流體動力工程讀書報告新型流體機械介紹新型流體機械介紹 2007.6v環(huán)保型流體機械環(huán)保型流體機械v微型流體機械微型流體機械v仿生物流體機械仿生物流體機械v高能量密度流體機械高能量密度流體機械主要內(nèi)容環(huán)保型水輪機環(huán)保型水輪機 水電憑借其特有的清潔、可再生等特性，在我國的電力投資中占了越來越多的比重。 在近百年的水力發(fā)電技術(shù)開發(fā)和利用中也發(fā)現(xiàn)，為水力發(fā)電所修建的攔河大壩對河流生態(tài)、水生生物有一定的影響。水庫和大壩會在不同程度上打破原河流食物鏈的平衡，造成部分河流富營養(yǎng)而使某些河段水生生物減少。環(huán)保型流體機械 現(xiàn)有的水輪機結(jié)構(gòu)也存在一些問題，水輪機轉(zhuǎn)動部件及操

2、作機構(gòu)所使用的油與油脂的泄漏造成了對電站下游河流的污染，部分魚類不能順利過往高速旋轉(zhuǎn)的水輪機轉(zhuǎn)輪，造成對大江、大河生態(tài)的影響和生物種群的威脅。 為了真正使水能開發(fā)成為一種可持續(xù)發(fā)展的行為,新的水輪機設(shè)計概念呼之欲出，“新式上流式開放出流水輪機就在這一背景下誕生了,新式水輪機由高德瑜教授(IowaState University,U.S.A.)發(fā)明,并已在美國申請發(fā)明專利。環(huán)保型流體機械設(shè)計特點設(shè)計特點(1)采用垂直向上流道和接近尾水表面的開放出流；(2)將力矩傳輸軸放置于高于尾水面的地方,即水輪機的低壓側(cè)；(3)避免使用尾水管完成殘余動能的恢復(fù),節(jié)省了設(shè)計和建造工作量；(4)應(yīng)用垂直放置的流線

3、型針閥,依靠其上下運動調(diào)節(jié)流速、流量,取代導(dǎo)葉； 環(huán)保型流體機械環(huán)保型流體機械環(huán)保型流體機械與傳統(tǒng)水輪機相比的優(yōu)勢與傳統(tǒng)水輪機相比的優(yōu)勢(1)明顯改善水輪機下游河道水體的通氣狀況。(2)減少了遷徙魚類的意外死亡。(3)減少了結(jié)構(gòu)建設(shè)和維護的成本。環(huán)保型流體機械試驗裝置試驗裝置環(huán)保型流體機械結(jié)論結(jié)論 新式水輪機設(shè)計概念的提出有其深刻的背景和現(xiàn)實意義。它與傳統(tǒng)水輪機最大的差別在其充分重視了未來水輪機發(fā)展的趨勢保護河道水生環(huán)境。 由于受到試驗條件限制,一些工況下流量沒有達到設(shè)計工況,因此一些曲線沒有達到最大效率點,在這種情況下,水輪機效率可以達到85%左右,這說明在考慮環(huán)保因素的同時,水輪機的能量性

4、能是可以滿足實際應(yīng)用需要的。環(huán)保型流體機械v環(huán)保型流體機械環(huán)保型流體機械v微型流體機械微型流體機械v仿生物流體機械仿生物流體機械v高能量密度流體機械高能量密度流體機械主要內(nèi)容微電子機械系統(tǒng)微電子機械系統(tǒng) 微電子機械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems簡稱MEMS)是指由微傳感器、微執(zhí)行器以及微控制器等構(gòu)成的一種微尺度集成系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是多學(xué)科交叉融合的前沿高科技技術(shù)，在工業(yè)、信息通信、國防、航空航天、航海、醫(yī)療生物工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，正成為21世紀全球經(jīng)濟的新增長點。 微型流體機械微流動系統(tǒng)是MEMS的一個重要分支。近年來隨

5、著微系統(tǒng)加工技術(shù)(Micro-systemte chnology, MST)的快速進步，出現(xiàn)了一批以微型泵和微型閥為代表的微流體元件。將微型泵、微型閥與其它微型元件(如微傳感器等)集成在一起可以制成微型流量控制器、微散熱裝置、化學(xué)析與反應(yīng)裝置等微流量系統(tǒng)。它們在醫(yī)療保健、環(huán)境控制、化學(xué)分析和生物工程上都有巨大的市場前景，可廣泛應(yīng)用于體內(nèi)葡萄糖濃度控制和藥物輸送、DNA合成、微量流體供給、精確控制、芯片冷卻和微型衛(wèi)星等，微型泵作為一個重要的微流動系纖的執(zhí)行器件，是近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。 微型流體機械微型泵微型泵 微型泵可分兩大類:非機械作用式和機械作用式。 非機械作用Knudsen(克納特

6、森)泵利用熱蠕變效應(yīng)輸送稀薄氣體。電子液力泵利用離子阻力，該泵因取決于流體的電特性而不能廣泛應(yīng)用。此外，還有利用超聲現(xiàn)象的無閥門泵，但其產(chǎn)生的壓差很小。 機械式微型泵雷諾數(shù)很小，因而不能采用常規(guī)的離心式和軸流式葉輪。有以下幾種已制造出的機械式微型泵：微型流體機械容積泵其中有齒輪泵、隔膜泵、壓電效應(yīng)容積泵、推進波作用的壓電容積泵、激光驅(qū)動泵、無閥擴壓泵以及電動水動式微型泵等。此類微型泵制造加工困難，長期運行會產(chǎn)生磨蝕和堵塞等問題。泵的排量也很小。連續(xù)式平行軸轉(zhuǎn)子泵已設(shè)計出一種螺旋式三維裝置，轉(zhuǎn)軸平行于流動方向。連續(xù)式垂直軸轉(zhuǎn)子泵該泵有一個垂直于流動方向的偏心圓柱轉(zhuǎn)子非對稱地置于平行流道中。大小不

7、同的間隙產(chǎn)生了不同的阻力，推動流體流動。微型流體機械試驗裝置試驗裝置微型流體機械微型流體機械 壓差隨Re增加而近似呈線性增加,不同的截面形狀平均壓差值變化不大。微型流體機械 隨著Re的增加,流體的粘性作用不斷減小,量綱一化速度呈下降趨勢,而截面形狀越規(guī)則,量綱一化速度越大。微型流體機械結(jié)論結(jié)論 隨著Re的減小,流體的粘性作用不斷增大,垂直轉(zhuǎn)子軸結(jié)構(gòu)可對流體進行更加有效的輸送;圓形截面轉(zhuǎn)軸比橢圓和互垂直雙橢圓截面轉(zhuǎn)軸具有更好的泵送性能。微型流體機械v環(huán)保型流體機械環(huán)保型流體機械v微型流體機械微型流體機械v仿生物流體機械仿生物流體機械v高能量密度流體機械高能量密度流體機械主要內(nèi)容仿生物流體機械仿生

8、物流體機械 Weis-Fogh效應(yīng)是1973年英國生物學(xué)家Weir-Fogh.T發(fā)現(xiàn)的一種昆蟲飛行時產(chǎn)生大升力的機制，這種機制的關(guān)鍵是昆蟲的雙翅在每次拍動之前的一種”相撲與急張”(clap and fling)運動。相撲的過程是指雙翅在身后接近時以翅的前緣為軸轉(zhuǎn)動合攏成為一片，此時把雙翅之間的空氣向下擠出。急張的過程是指此后雙翅又以后緣為軸從合攏狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)動張開。在急張過程巾雙翅之間突然形成低壓區(qū)，外界的空氣疾速從上部涌入，在雙翅卜瞬間產(chǎn)生相當(dāng)大的環(huán)量。此環(huán)量為此后揮動雙翅飛行產(chǎn)生足夠的升力創(chuàng)造了條件 。仿生物流體機械 圖中AB,AD兩翼弦長為C，夾角為2a兩翼張開時，它們皆繞角點A以某一角速

9、度轉(zhuǎn)動，并產(chǎn)生大小相等、方向相反的環(huán)量，該機構(gòu)產(chǎn)生的升力系數(shù)為69。仿生物流體機械 開始階段兩翅面靠在一起，然后兩翅面以某一角速度繞后緣勻速轉(zhuǎn)動，翅間的張角增大，空氣擠入兩翅面所張開的區(qū)域中。當(dāng)兩翅面張開的角度增大到一定值時（通常認為是/3）兩翅面脫離接觸，各自以常速度平動。仿生物流體機械 升力和阻力隨時間變化的曲線。從開始計算大約經(jīng)過1015個周期升力和阻力開始隨時間穩(wěn)定的變化。圖中橫坐標(biāo)表示周期數(shù)，縱坐標(biāo)表示單位面積上作用的升力和阻力，單位為N/m。仿生物流體機械研究成果研究成果 近二十多年來,國內(nèi)外開展了Weis-Fogh 機構(gòu)的理論、數(shù)值計算和試驗研究。 日本教授Tsutahara(1

10、987)設(shè)計出一種用于雙體船的Weis-Fogh 機構(gòu)振動推進器,試驗測量其推進效率可達75 %。 美國麻省理工學(xué)院工程系教授邁克樂。特里安塔費盧(1997) 設(shè)計且建造出名為“普羅透斯企鵝船”的樣船,試驗表明,振動推進裝置的效率高達87 % ,已引起世人囑目。目前他們準備建造更大的,和具有實用價值的“普羅透斯船”。仿生物流體機械 趙亞溥(2000)介紹利用昆蟲飛行原理研制的微型飛行器在戰(zhàn)爭、科學(xué)考察等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。美國國防部已投巨資研究微型飛行器,美國佐治亞理工學(xué)院Michelson 已研制出若干種模擬昆蟲飛行的撲翼,亦表明對振動翼的系統(tǒng)研究具有潛在的實際意義。 Eilington(

11、1993) 。對一種稱為鷹蛾(Hawkmoth) 的蝴蝶進行了風(fēng)洞試驗,觀察結(jié)果表明,從導(dǎo)邊形成的分離渦長時間附在導(dǎo)邊機翼背流面,使機翼產(chǎn)生很高的升力。仿生物流體機械 Srygley (2002)也用風(fēng)洞實驗結(jié)果證明了蝴蝶在飛行中產(chǎn)生的升力比通常空氣動力學(xué)計算的升力大得多。對于復(fù)雜邊界流動問題,一般采用數(shù)值計算。 Haussling (1979)應(yīng)用貼體坐標(biāo)計算了Weis-Fogh 機構(gòu)流場,獲得了流場速度分布計算值。 Wei(1999)利用邊界元多重網(wǎng)格法求解了Weis-Fogh機構(gòu)的環(huán)量,證明多重網(wǎng)格法能加快計算速度。并行計算能縮短絕對計算時間,且能解決單臺計算機內(nèi)存容量不足的問題。 仿生

12、物流體機械v環(huán)保型流體機械環(huán)保型流體機械v微型流體機械微型流體機械v仿生物流體機械仿生物流體機械v高能量密度流體機械高能量密度流體機械主要內(nèi)容高能量密度流體機械高能量密度流體機械 現(xiàn)代航天和航海事業(yè)的發(fā)展，要求研究出在有限的空間高能量密度的流體機械。目前，低噪聲潛艇和水陸兩用坦克都傾向于采用噴水推進技術(shù)。為了提高速度，需要體積小，揚程高的軸流水泵，也就是高能量密度的軸流水泵。除了提高泵的轉(zhuǎn)速外，還要提出新型的軸流泵，才能達到要求。 高能量密度流體機械對旋式軸流泵對旋式軸流泵 在同一軸線方向，安裝兩個轉(zhuǎn)向相反的軸流葉輪，這樣會在有限的體積產(chǎn)生更高的揚程。 對旋式軸流泵可以定義為一種前置葉輪與后置

13、葉輪，同時互為反向旋轉(zhuǎn)，并共同將能量傳遞給被抽送的液體，使其能量增加。液體流動的方向沿著葉輪的軸向方向，從而實現(xiàn)抽送液體的機器。 由于對旋式軸流泵與普通軸流泵相比具有揚程高效率高體積小等特點，因此它大大拓寬了普通軸流泵的使用范圍并且可以部分替代離心泵及混流泵，是一種應(yīng)用更為廣泛更富社會與經(jīng)濟價值的新型泵。高能量密度流體機械高能量密度流體機械 對旋式軸流泵的比轉(zhuǎn)數(shù)ns的計算方法與吾通軸流泵比轉(zhuǎn)數(shù)n的計算方法基本相同，即由原始參數(shù)設(shè)計流量Q、設(shè)計揚程Hs,轉(zhuǎn)速n）決定。但是，對旋式軸流泵的前置葉輪輪與后置葉輪是同時共同產(chǎn)生揚程的。由于單位時間內(nèi)通過前置葉輪與后置葉輪某一截面的流量是相同的，因此，對

14、前置葉輪有高能量密度流體機械對后置葉輪有 如果前置葉輪與后置葉輪的轉(zhuǎn)速與揚程相等，則可按照兩極揚程設(shè)計，其比轉(zhuǎn)速為高能量密度流體機械 當(dāng)原始設(shè)計參數(shù)不變時，對旋式軸流泵的比轉(zhuǎn)數(shù)是普通軸流泵比轉(zhuǎn)數(shù)的1.682倍；或者說，當(dāng)原始參數(shù)中設(shè)計流量和設(shè)計揚程不變時，同比轉(zhuǎn)數(shù)的對旋式軸流泵的轉(zhuǎn)速僅僅是普通軸流泵轉(zhuǎn)速的0.5946倍?？梢?，對旋式軸流泵與普通軸流泵相比具有體積小、汽蝕性能好的特點。 高能量密度流體機械對旋式軸流泵全流道三維定常紊流場的數(shù)值模擬對旋式軸流泵全流道三維定常紊流場的數(shù)值模擬高能量密度流體機械高能量密度流體機械（1）前置葉輪與后置葉輪葉片工作面與背面的靜壓分布合理，且各自最低壓力點在吸力面靠近進口處。 （2）后置葉輪的最低壓力值遠大于前置葉輪的最低壓力值，值得注意的是：后置葉輪的低壓區(qū)域較小，高能量密度流體機械且較遠離葉片頭部，因而后置葉輪的空化性能遠好于前置葉輪。（3）從