工程流體力學及泵與風機課件(共87頁).ppt

1、十一、工程流體力學及十一、工程流體力學及泵與風機泵與風機主講教師：趙靜野主講教師：趙靜野 2w11-l流體動力學流體動力學 w11-2相似原理和模型實驗方法相似原理和模型實驗方法w11-3流動阻力和能量損失流動阻力和能量損失w11-4管道計算管道計算w11-5特定流動分析特定流動分析w11-6氣體射流氣體射流w11-7泵與風機與網(wǎng)絡系統(tǒng)的匹配泵與風機與網(wǎng)絡系統(tǒng)的匹配第十一章第十一章工程流體力學及工程流體力學及泵與風機泵與風機311-l流體動力學流體動力學 w11111 11 1描述流體運動的兩種方法描述流體運動的兩種方法w11111 12 2恒定流動和非恒定流動恒定流動和非恒定流動w11111

2、 13 3恒定元流能量方程恒定元流能量方程w11111 14 4恒定總流能量方程伯努利方程恒定總流能量方程伯努利方程及其使用條件及其使用條件411111 11 1描述流體運動的兩種方法描述流體運動的兩種方法wA、拉格朗日法：拉格朗日法：整個流體運動是無數(shù)單個質(zhì)點運動的總和，以個別整個流體運動是無數(shù)單個質(zhì)點運動的總和，以個別質(zhì)點為研究對象來描述流體運動，再將每個質(zhì)點的運動情況匯總起質(zhì)點為研究對象來描述流體運動，再將每個質(zhì)點的運動情況匯總起來，就描述了流體的整個流動。來，就描述了流體的整個流動。w跡線：跡線：一段時間內(nèi)流體質(zhì)點所走過的軌跡，是拉格朗日法形象描述一段時間內(nèi)流體質(zhì)點所走過的軌跡，是拉格

3、朗日法形象描述流體運動的工具。流體運動的工具。wB、歐拉法：歐拉法： 以流體運動的空間點作為觀察對象，觀察一個時刻各以流體運動的空間點作為觀察對象，觀察一個時刻各空間點上流體質(zhì)點的運動，再將每個時刻的情況匯總起來，就描述空間點上流體質(zhì)點的運動，再將每個時刻的情況匯總起來，就描述了整個運動。了整個運動。 w流線：流線：在某一時刻，各點的切線方向與通過該點的流體質(zhì)點的流速在某一時刻，各點的切線方向與通過該點的流體質(zhì)點的流速方向重合的空間曲線稱為流線方向重合的空間曲線稱為流線 ，流線是歐拉法形象描述流體運動的，流線是歐拉法形象描述流體運動的工具。流線上一點的切線方向即為該點的流速方向；流線不能是折工

4、具。流線上一點的切線方向即為該點的流速方向；流線不能是折線；流線不能相交；流線密集的地方流速大，稀疏的地方流速小。線；流線不能相交；流線密集的地方流速大，稀疏的地方流速小。511111 12 2恒定流動和非恒定流動恒定流動和非恒定流動w恒定流動：恒定流動：流場中各點流動參數(shù)不隨時間變化的流場中各點流動參數(shù)不隨時間變化的流動稱為恒定流動，我們研究的流動多數(shù)都按恒流動稱為恒定流動，我們研究的流動多數(shù)都按恒定流動處理。定流動處理。w非恒定流動：非恒定流動：流場中的流動參數(shù)隨時間變化而變流場中的流動參數(shù)隨時間變化而變化的流動稱為非恒定流動?；牧鲃臃Q為非恒定流動。0t0t611111 13 3恒定元流

5、能量方程恒定元流能量方程w理想不可壓縮流體恒定流元流能量方程，或伯努利方程理想不可壓縮流體恒定流元流能量方程，或伯努利方程的表達式為：的表達式為： 2211221222pupuZZggw這是能量守恒定律在流體力學中的特殊表達方式，請注這是能量守恒定律在流體力學中的特殊表達方式，請注意式中各項的物理意義和幾何意義意式中各項的物理意義和幾何意義w元流能量方程的典型應用是畢托管問題，請參照根底局元流能量方程的典型應用是畢托管問題，請參照根底局部的有關內(nèi)容。部的有關內(nèi)容。7w實際不可壓縮流體恒定流元流能量方程，或伯努利方程的實際不可壓縮流體恒定流元流能量方程，或伯努利方程的表達式為：表達式為：2211

6、22121 222lpupuZZhgg w請注意式中各項的物理意義和幾何意義，特別是總水頭，請注意式中各項的物理意義和幾何意義，特別是總水頭，測壓管水頭與水頭損失測壓管水頭與水頭損失1 2lh22upHZgPpHZ811111 14 4恒定總流能量方程恒定總流能量方程伯努利方程及其使用條件伯努利方程及其使用條件w實際不可壓縮流體恒定流總的流能量方程，或伯努利方實際不可壓縮流體恒定流總的流能量方程，或伯努利方程的表達式為：程的表達式為： 2211 122 2121 222lpvpvZZhggw表示表示兩斷面兩斷面單位重量流體單位重量流體平均的平均的能量轉(zhuǎn)化與守恒關系。能量轉(zhuǎn)化與守恒關系。w式中式

7、中為為動能修正系數(shù)：動能修正系數(shù)：是一個大于是一個大于1的數(shù)，與斷面速度的數(shù)，與斷面速度分布均勻性有關，速度分布越均勻該系數(shù)越接近分布均勻性有關，速度分布越均勻該系數(shù)越接近1，紊，紊流時經(jīng)常取流時經(jīng)常取1，而層流時為，而層流時為2AvdAu339伯努利方程的應用條件：伯努利方程的應用條件： pZC 在均勻流或漸變流過流斷面上，壓強分布符合靜壓分布規(guī)律，在均勻流或漸變流過流斷面上，壓強分布符合靜壓分布規(guī)律，或者說各點的測壓管水頭為常數(shù)。或者說各點的測壓管水頭為常數(shù)。在方程推導過程中使用了這一條件，所以要求能量方程的計在方程推導過程中使用了這一條件，所以要求能量方程的計算斷面為均勻流斷面或漸變流斷

8、面。算斷面為均勻流斷面或漸變流斷面。10 w11-2相似原理和模型實驗方法相似原理和模型實驗方法 w11-2-1物理現(xiàn)象相似的概念物理現(xiàn)象相似的概念w11-2-2相似三定理相似三定理w11-2-3方程和因次分析法方程和因次分析法 w11-2-4流體力學模型研究方法流體力學模型研究方法w11-2-5實驗數(shù)據(jù)處理方法實驗數(shù)據(jù)處理方法1111-2-1物理現(xiàn)象相似的概念物理現(xiàn)象相似的概念w 幾何相似幾何相似 運動相似運動相似 動力相似動力相似 1212pplmmllllpm222pAlmll333pVlmll1212pppmmmuuvvuuvppmltmmpvtlutluppppmmmmTGPITGp

9、I相似的前提 研究的目的 相似的保證 1211-2-2相似三定理相似三定理w 相似準數(shù)相似準數(shù)w1、無因次數(shù)、無因次數(shù) 就是雷諾準數(shù)，它表征慣性就是雷諾準數(shù)，它表征慣性力與粘滯力之比力與粘滯力之比 。w2、無因次數(shù)無因次數(shù) 稱為弗諾得準數(shù)，它表征慣稱為弗諾得準數(shù)，它表征慣性力與重力之比性力與重力之比 。w3、無因次數(shù)、無因次數(shù) 稱為歐拉準數(shù)，它表征壓力稱為歐拉準數(shù)，它表征壓力與慣性力之比。與慣性力之比。 w此外還有馬赫數(shù)此外還有馬赫數(shù) 等相似準數(shù)等相似準數(shù)vlReglvFr22pEuvavM 13相似第一定理相似第一定理：兩個相似的物理過程，其對應的同：兩個相似的物理過程，其對應的同名相似準數(shù)

10、相等名相似準數(shù)相等,即：即：mnReRe mmmnnnlvlvmmnnglvglv22mnFrFr 22nmnnmmppvvmnEuEu 14w相似第二定理：w不可壓縮流體運動時，不計彈性力的作用，考慮慣性力、重力、粘性力、壓力四個力的平衡關系，四個中的三個，第四個是唯一確定的，那么四個力組成的三個相似準數(shù)是相互關聯(lián)的，兩個是決定性相似準數(shù)，一個是被決定相似準數(shù)，通常歐拉數(shù)為被決定相似準數(shù)，有：Re),(FrfEu w就是說：如果兩個不可壓縮流動相似，只需要同就是說：如果兩個不可壓縮流動相似，只需要同時滿足重力相似和粘性力相似兩個相似準那么即時滿足重力相似和粘性力相似兩個相似準那么即可?？?。1

11、5w相似第三定理：w兩流動相似除要求相似準數(shù)相等外，還要求單值性條件相似。單值性條件相似包括幾何相似，初始條件和邊界條件相似。w相似準數(shù)相等，意味流動方程有相同的通解，而初始條件和邊界條件相似那么確定了方程的特解。1611-2-3方程和因次分析法方程和因次分析法w把物理量的屬性類別稱為因次或量綱把物理量的屬性類別稱為因次或量綱 ,一個正確的物一個正確的物理方程，其各項的量綱或因此應該是相同的，這就是量綱理方程，其各項的量綱或因此應該是相同的，這就是量綱和諧原理。和諧原理。w根據(jù)量綱和諧原理，可以推求描述物理過程的方程或公式，根據(jù)量綱和諧原理，可以推求描述物理過程的方程或公式，這一過程稱為因次分

12、析。這一過程稱為因次分析。w因次分析法有兩種，一種稱為瑞利法，適用于比較簡單的因次分析法有兩種，一種稱為瑞利法，適用于比較簡單的單項指數(shù)公式推求；另一種為單項指數(shù)公式推求；另一種為 定理或稱巴金漢法，定理或稱巴金漢法，是一種更具有普遍性的方法。是一種更具有普遍性的方法。w對某一流動問題，設影響該流動的物理量有對某一流動問題，設影響該流動的物理量有n個：個：w ；而在這些物理量中的根本因次為；而在這些物理量中的根本因次為m個，個，可以把這些量排列成可以把這些量排列成n-m個獨立的無因次參數(shù)的函數(shù)關系：個獨立的無因次參數(shù)的函數(shù)關系：w這一函數(shù)就是所要推求的新的物理方程，由根本物理量出這一函數(shù)就是所

13、要推求的新的物理方程，由根本物理量出發(fā)，組合無量綱數(shù)是應用發(fā)，組合無量綱數(shù)是應用定理的關鍵。定理的關鍵。nxxx,210),(212mnf17例如有壓管流中的壓強損失例如有壓管流中的壓強損失 ：w解解 根據(jù)實驗，知道壓強損失與管長根據(jù)實驗，知道壓強損失與管長l，管徑，管徑d，管壁粗糙，管壁粗糙度度K，流體運動粘性系數(shù)，密度，流體運動粘性系數(shù)，密度和平均流速和平均流速v有關，即有關，即w取管徑取管徑 d, 平均流速平均流速 v , 密度密度 為根本物理量，其中幾何為根本物理量，其中幾何量量d 只含只含L量綱的，運動量量綱的，運動量v 只含只含T或含或含T，L的，的，動力量動力量 含含M量綱的各一

14、個。量綱的各一個。),(vkdlfpw用用d、v、 對對 中的各項進行無中的各項進行無量綱化，得到量綱化，得到734個無量綱數(shù)：個無量綱數(shù)：),(vkdlfp2kdplvdvd、 、 、w組合成新的函數(shù)關系：組合成新的函數(shù)關系：18式中函數(shù)的具體形式由實驗確定。實驗得知，壓差式中函數(shù)的具體形式由實驗確定。實驗得知，壓差p 與管長與管長l成正比，因此：成正比，因此：這樣，我們運用這樣，我們運用定理，結合實驗，得到了大家熟知的管流沿程損失公式。定理，結合實驗，得到了大家熟知的管流沿程損失公式。由分析過程可見，參數(shù)無量綱化是關鍵，應給予充分的由分析過程可見，參數(shù)無量綱化是關鍵，應給予充分的重視，有時

15、可以用單位分析來進行無量綱化。重視，有時可以用單位分析來進行無量綱化。19 w11-2-4流體力學模型研究方法流體力學模型研究方法 1、模型律的選擇：、模型律的選擇： 為了使模型和原型流動完全相似，除要幾何為了使模型和原型流動完全相似，除要幾何相似外，各獨立的相似準數(shù)應同時滿足。但實際上相似外，各獨立的相似準數(shù)應同時滿足。但實際上要同時滿足各準數(shù)很困難，甚至是不可能的，一般要同時滿足各準數(shù)很困難，甚至是不可能的，一般只能到達近似相似，就是保證對流動起重要作用的只能到達近似相似，就是保證對流動起重要作用的力相似。如有壓管流，粘滯力起主要作用，應按雷力相似。如有壓管流，粘滯力起主要作用，應按雷諾準

16、數(shù)設計模型；在大多明渠流動中，重力起主要諾準數(shù)設計模型；在大多明渠流動中，重力起主要作用，應按弗諾得準數(shù)設計模型。作用，應按弗諾得準數(shù)設計模型。 2、模型設計：、模型設計： 進行模型設計，通常先根據(jù)實驗場地、模型制作進行模型設計，通常先根據(jù)實驗場地、模型制作和測量條件定出長度比尺；再以選定的比尺縮小原和測量條件定出長度比尺；再以選定的比尺縮小原型的幾何尺寸，得出模型的幾何邊界；根據(jù)對流動型的幾何尺寸，得出模型的幾何邊界；根據(jù)對流動受力情況的分析，滿足對流動起主要作用的力相似，受力情況的分析，滿足對流動起主要作用的力相似，選擇模型律；最后按選用的模型律，確定流速比尺選擇模型律；最后按選用的模型律

17、，確定流速比尺及模型的流量。及模型的流量。 20 w11-2-5實驗數(shù)據(jù)處理方法實驗數(shù)據(jù)處理方法 w模型實驗的數(shù)據(jù)處理，主要是根據(jù)實驗時所選定的模型律，模型實驗的數(shù)據(jù)處理，主要是根據(jù)實驗時所選定的模型律，將模型實驗獲得的速度、壓強、流量等實驗數(shù)據(jù)換算成原將模型實驗獲得的速度、壓強、流量等實驗數(shù)據(jù)換算成原型的相應數(shù)據(jù)。型的相應數(shù)據(jù)。w例：管流阻力實驗，模型比尺為例：管流阻力實驗，模型比尺為5，原型模型介質(zhì)相同，假，原型模型介質(zhì)相同，假設測出模型的壓差為設測出模型的壓差為50Kpa，求原型的壓差。，求原型的壓差。w解：根據(jù)雷諾模型律：解：根據(jù)雷諾模型律：w 又：又：w mmmnnnlvlvnmnv

18、1v5mll22nmnnmmppvv2222150225nnnnmmmmmvvpppKPavv21w11-3-1層流與紊流現(xiàn)象層流與紊流現(xiàn)象w11-3-2流動阻力分類流動阻力分類w11-3-3圓管中層流與紊流的速度分布圓管中層流與紊流的速度分布w11-3-4層流與紊流沿程阻力系數(shù)的計算層流與紊流沿程阻力系數(shù)的計算w11-3-5局部阻力產(chǎn)生的原因和計算方法局部阻力產(chǎn)生的原因和計算方法w11-3-6減少局部阻力的措施減少局部阻力的措施w11-3流動阻力和能量損失流動阻力和能量損失22w11-3-1層流與紊流現(xiàn)象層流與紊流現(xiàn)象層流為各層質(zhì)點互不摻混分層有規(guī)那么的流動。層流為各層質(zhì)點互不摻混分層有規(guī)那

19、么的流動。紊流為流體質(zhì)點互相強烈摻混運動極不規(guī)那么的流動。紊流為流體質(zhì)點互相強烈摻混運動極不規(guī)那么的流動。流態(tài)的判別條件是流態(tài)的判別條件是 層流：層流： 紊流：紊流： 2000Revd2000Revdw5004RevdRvReRv 時4deR23w流動阻力分為沿程阻力和局部阻力：流動阻力分為沿程阻力和局部阻力：w11-3-2流動阻力分類流動阻力分類lfjhhh2222242fl vl vlvhdgdegRggvhj2224w層流：層流：圓管中層流斷面流速分布是以管中心線圓管中層流斷面流速分布是以管中心線為軸的旋轉(zhuǎn)拋物面為軸的旋轉(zhuǎn)拋物面 w11-3-3圓管中層流與紊流的速度分布圓管中層流與紊流的

20、速度分布)(4220rrJumax21uv Re6425w層流總結：層流總結：w11-3-3圓管中層流與紊流的速度分布圓管中層流與紊流的速度分布w斷面平均流速是最大流速的斷面平均流速是最大流速的1/2；w動能修正系數(shù)動能修正系數(shù)2w動量修正系數(shù)動量修正系數(shù)1.33w沿程損失系數(shù)只是沿程損失系數(shù)只是Re數(shù)的函數(shù)而與管道數(shù)的函數(shù)而與管道粗糙程度無關：粗糙程度無關：26w紊流：紊流：w對于圓管紊流，可以從理論上證明斷面上流速分對于圓管紊流，可以從理論上證明斷面上流速分布是對數(shù)型的布是對數(shù)型的 ：cyuln10式中式中為卡門通用系數(shù)由實驗確定，為卡門通用系數(shù)由實驗確定，y為點到管壁的距離，為點到管壁的

21、距離，C為為積分常數(shù)。積分常數(shù)。27w11-3-4層流與紊流沿程阻力系數(shù)的計算層流與紊流沿程阻力系數(shù)的計算164(Re)Ref根據(jù)尼古拉茲實驗沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)和粗糙度的根據(jù)尼古拉茲實驗沿程阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)和粗糙度的變化，劃分為五個區(qū)：變化，劃分為五個區(qū)：I、層流區(qū)、層流區(qū) II、臨界過渡區(qū)、臨界過渡區(qū) (Re)2f III、紊流光滑區(qū)、紊流光滑區(qū) 30.250.3164(Re)RefIV、紊流過渡區(qū)、紊流過渡區(qū) )(Re,4dKf V、紊流粗糙區(qū)、紊流粗糙區(qū)(阻力平方區(qū)阻力平方區(qū)) )(5dKf28w 尼古拉茲實驗曲線尼古拉茲實驗曲線29光滑區(qū)的布拉修斯公式光滑區(qū)的布拉修斯公式 25. 0

22、Re3164. 0粗糙區(qū)的希弗林松公式粗糙區(qū)的希弗林松公式 25. 0)(11. 0dk柯列勃洛克公式光滑、過渡、粗糙均適用柯列勃洛克公式光滑、過渡、粗糙均適用)Re51. 27 . 3lg(21dk阿里特蘇里公式光滑、過渡、粗糙均適用阿里特蘇里公式光滑、過渡、粗糙均適用25. 0)Re68(11. 0dk 常用計算公式常用計算公式 ： 30莫迪圖 31w11-3-5局部阻力產(chǎn)生的原因和計算方法局部阻力產(chǎn)生的原因和計算方法w局部阻力產(chǎn)生的原因主要是由于固體邊界斷面的尺寸、形局部阻力產(chǎn)生的原因主要是由于固體邊界斷面的尺寸、形狀、流動方向的改變而造成局部流速分布的重新組合，形成狀、流動方向的改變而

23、造成局部流速分布的重新組合，形成漩渦，從而加大了局部的機械能消耗。漩渦，從而加大了局部的機械能消耗。32w局部阻力局部阻力計算方法計算方法2j2vhggvAAgvAAhj21212221221221突然擴大突然擴大22111AA212()2jvvhg突然縮小突然縮小22210.5 12jAvhAg2210.5 1AA建議記憶流速大的對應的系數(shù)兩個特殊情況：兩個特殊情況：淹沒出流，管道進口 1 0.533w1、流線或錐形管道進口、流線或錐形管道進口w2、漸擴縮或階梯擴縮代替突擴縮、漸擴縮或階梯擴縮代替突擴縮w3、加大彎管轉(zhuǎn)彎半徑、加大彎管轉(zhuǎn)彎半徑w4、導葉彎管減小二次流、導葉彎管減小二次流w5、

24、順流三通或、順流三通或TY三通或切割折角三通三通或切割折角三通w6、先擴后彎或先彎后縮、先擴后彎或先彎后縮w11-3-6減少局部阻力的措施減少局部阻力的措施34w11-4-1 簡單管路的計算簡單管路的計算w11-4-2 串聯(lián)管路的計算串聯(lián)管路的計算w11-4-3并聯(lián)管路的計算并聯(lián)管路的計算w11-4管道計算管道計算35w所謂簡單管路就是具有相同管徑所謂簡單管路就是具有相同管徑d，相同流量，相同流量Q的管段，的管段，它是組成各種復雜管路的根本單元它是組成各種復雜管路的根本單元 11-4-1簡單管路的計算簡單管路的計算2428QgddlH5242/8msgddlSH2HHSQw液體情況液體情況36

25、氣體情況：氣體情況：2QSHpH428ddlSSHp2ppSQS稱為管路阻抗，在阻力平方區(qū)，稱為管路阻抗，在阻力平方區(qū)，S 不隨流不隨流速的變化而變化，認為是常數(shù)速的變化而變化，認為是常數(shù)37氣體情況：氣體情況：2QSHpH428ddlSSHp2ppSQS稱為管路阻抗，在阻力平方區(qū)，稱為管路阻抗，在阻力平方區(qū)，S 不隨流不隨流速的變化而變化，認為是常數(shù)速的變化而變化，認為是常數(shù)38 虹吸管即管道中一局部高出上游供水液面的簡單管路。虹吸管即管道中一局部高出上游供水液面的簡單管路。因為虹吸管中存在真空區(qū)段，有氣化問題。為了保證虹吸因為虹吸管中存在真空區(qū)段，有氣化問題。為了保證虹吸管正常流動，必須限

26、定管中最大真空高度不得超過允許值管正常流動，必須限定管中最大真空高度不得超過允許值hv=78.5m3911-4-2串聯(lián)管路的計算串聯(lián)管路的計算串聯(lián)管路是兩條或兩條以上串聯(lián)管路是兩條或兩條以上簡單管路首尾相接組合而成簡單管路首尾相接組合而成 。管段相接之點稱為節(jié)點。管段相接之點稱為節(jié)點。水力特征：水力特征：如各節(jié)點沒有流量流出那么如各節(jié)點沒有流量流出那么各管段流量相等：各管段流量相等：各管段損失之和為總損失：各管段損失之和為總損失： 321QQQ23322221132131QSQSQShhhhllll321SSSS4011-4-3并聯(lián)管路的計算并聯(lián)管路的計算w并聯(lián)管路并聯(lián)管路是兩條或是兩條或兩條

27、以上簡單管路兩條以上簡單管路首首相連尾尾相連首首相連尾尾相連而成而成 。水力特征水力特征： 總流量等于各支管總流量等于各支管的流量之和的流量之和 321QQQQ各支管的水頭損失相等，等于總損失各支管的水頭損失相等，等于總損失blalllhhhh32141w得到總阻抗公式：得到總阻抗公式：3211111SSSSw各管段的流量關系：各管段的流量關系：1212111:.:.:nnQQQSSS42w11-5-1勢函數(shù)和流函數(shù)概念勢函數(shù)和流函數(shù)概念w11-5-2簡單流動分析簡單流動分析w11-5-3圓柱形測速管原理圓柱形測速管原理w11-5-4旋轉(zhuǎn)氣流性質(zhì)旋轉(zhuǎn)氣流性質(zhì)w11-5-5紊流射流的一般特性紊流

28、射流的一般特性w11-5-6特殊射流特殊射流w11-5特定流動分析與射流特定流動分析與射流43w為無旋流動，也為無旋流動，也稱為有勢流動，稱為有勢流動，簡稱簡稱勢流勢流w11-5-1勢函數(shù)和流函數(shù)概念勢函數(shù)和流函數(shù)概念021021021yuxuxuzuzuyuxyzzxyyzx速度勢函數(shù)速度勢函數(shù) 與速度分量存在與速度分量存在如下關系：如下關系：dzudyudxuzyxdzyx),(dzzdyydxxdzuyuxuzyx44w不可壓縮流體勢流的速度勢函數(shù)，滿足不可壓縮流體勢流的速度勢函數(shù)，滿足拉普拉斯方程，是調(diào)和函數(shù)拉普拉斯方程，是調(diào)和函數(shù) 2222220 xyz對于不可壓縮流體平面流動，存在

29、流函數(shù)對于不可壓縮流體平面流動，存在流函數(shù)),(yx。xuyuyx不可壓縮流體平面無旋流動的流函數(shù)，滿足拉普拉斯方程，不可壓縮流體平面無旋流動的流函數(shù)，滿足拉普拉斯方程，也是調(diào)和函數(shù)也是調(diào)和函數(shù) 02222yx流函數(shù)等值線即流線和勢函數(shù)流函數(shù)等值線即流線和勢函數(shù)等值線簡稱等勢線正交，構成等值線簡稱等勢線正交，構成流網(wǎng)。流網(wǎng)。 45。w 一切不可壓縮流體的一切不可壓縮流體的平面平面流動，無論是有旋流動，無論是有旋流動或是無旋流動都存在流函數(shù)，但是，只流動或是無旋流動都存在流函數(shù)，但是，只有無旋流動才存在勢函數(shù)。平面勢流的流函有無旋流動才存在勢函數(shù)。平面勢流的流函數(shù)和勢函數(shù)互為共軛函數(shù)。數(shù)和勢函數(shù)

30、互為共軛函數(shù)。 46w勢流在數(shù)學上的一個非常有意義的性質(zhì)，是勢流的可疊勢流在數(shù)學上的一個非常有意義的性質(zhì)，是勢流的可疊加性，新流動的流函數(shù)為原來流函數(shù)的代數(shù)和。加性，新流動的流函數(shù)為原來流函數(shù)的代數(shù)和。w偶極流與勻速直線流的疊加就形成繞圓柱體的流動，疊偶極流與勻速直線流的疊加就形成繞圓柱體的流動，疊加后的速度分量為：加后的速度分量為：w11-5-3圓柱形測速管原理圓柱形測速管原理cos)1 (220rRvrursin)1 (220rRvru在輪廓線上：在輪廓線上： sin200vuur47w圓柱形測速管原理圓柱形測速管原理在輪廓線上在輪廓線上/2處：處： 02uv 為來流速度的為來流速度的2倍

31、倍利用這一關系可以制成圓柱形測速管：利用這一關系可以制成圓柱形測速管：在輪廓線上在輪廓線上/6和和5/6處：處： 0uv sin20vvs00212vvvvCB0Av22022ABBABBBppvzzgvpzg4820()()2ABABvppzzg02()()ABABppvgzz如果如果B孔開在孔開在/2處怎么計算？處怎么計算？20(2)()()2ABABvppzzg012()()2ABABppvgzz()()ABABppzz的計算依舊是關鍵的計算依舊是關鍵49w 可將旋轉(zhuǎn)射流的速度分解為三個分量：可將旋轉(zhuǎn)射流的速度分解為三個分量：w(1)沿射流前進方向的軸向速度；沿射流前進方向的軸向速度；w

32、(2)在橫截面上沿半徑方向的徑向速度；在橫截面上沿半徑方向的徑向速度；w(3)在橫截面上做圓周運動的切向速度在橫截面上做圓周運動的切向速度 。w切向速度的存在或旋轉(zhuǎn)是其根本特征，由于離心力的作用切向速度的存在或旋轉(zhuǎn)是其根本特征，由于離心力的作用和一般射流相比其擴散速度快，射程短，紊動性強，中心和一般射流相比其擴散速度快，射程短，紊動性強，中心區(qū)域有回流。區(qū)域有回流。w由于切向速度、徑向速度沿半徑方向上分布不均勻，使得由于切向速度、徑向速度沿半徑方向上分布不均勻，使得沿半徑方向上靜壓強分布也不均勻，那么對于周圍介質(zhì)的沿半徑方向上靜壓強分布也不均勻，那么對于周圍介質(zhì)的靜壓差也不相等。這與軸對稱圓斷

33、面自由射流是不同的。靜壓差也不相等。這與軸對稱圓斷面自由射流是不同的。50w 氣體自孔口、管嘴或條縫向外噴射所形成的流動，稱為氣體淹沒射氣體自孔口、管嘴或條縫向外噴射所形成的流動，稱為氣體淹沒射流。簡稱為氣體射流。當出口速度較大，流動呈紊流狀態(tài)時，叫做紊流流。簡稱為氣體射流。當出口速度較大，流動呈紊流狀態(tài)時，叫做紊流射流。出流到無限大空間中，流動不受固體邊壁的限制，為無限空間射射流。出流到無限大空間中，流動不受固體邊壁的限制，為無限空間射流，又稱自由射流。反之，為有限空間射流，又稱受限射流。流，又稱自由射流。反之，為有限空間射流，又稱受限射流。w11-5-5紊流射流的一般特性紊流射流的一般特性

34、51w 1、射流結構：過流斷面、起始段及主體段、射流結構：過流斷面、起始段及主體段w 2、幾何特征：射流按一定的擴散角向前作擴散運動，這就、幾何特征：射流按一定的擴散角向前作擴散運動，這就是它的幾何特征，圓斷面射流射流半徑沿射程的變化規(guī)律：是它的幾何特征，圓斷面射流射流半徑沿射程的變化規(guī)律： 147. 08 . 600dasdDw 3、運動特征：用半經(jīng)驗公式表示射流各橫截面上的無因次、運動特征：用半經(jīng)驗公式表示射流各橫截面上的無因次速度分布速度分布 ：25 . 11Ryvvmw 4、動力特征：沿程動量守恒、動力特征：沿程動量守恒w計算可參照表格數(shù)據(jù)和公式計算可參照表格數(shù)據(jù)和公式52w11-5-

35、6特殊射流特殊射流w 1 溫差或濃差射流：溫差、濃差射流就是射流本身的溫溫差或濃差射流：溫差、濃差射流就是射流本身的溫度或濃度與周圍氣體的溫度、濃度有差異。射流是質(zhì)量交度或濃度與周圍氣體的溫度、濃度有差異。射流是質(zhì)量交換，熱量交換，濃度交換的過程。而在這些交換中，由于換，熱量交換，濃度交換的過程。而在這些交換中，由于熱量擴散比動量擴散要快些，因此溫度邊界層比速度邊界熱量擴散比動量擴散要快些，因此溫度邊界層比速度邊界層開展要快些厚些。層開展要快些厚些。53w 3有限空間射流有限空間射流 ：由于房間邊壁限制了射流邊界層的開展：由于房間邊壁限制了射流邊界層的開展擴散，射流半徑及流量不是一直增加，增大

36、到一定程度后擴散，射流半徑及流量不是一直增加，增大到一定程度后反而逐漸減小，使其邊界線呈橄欖形，如圖反而逐漸減小，使其邊界線呈橄欖形，如圖 w橄欖形的邊界外部橄欖形的邊界外部與固體邊壁間形成與固體邊壁間形成與射流方向相反的與射流方向相反的回流區(qū)，于是流線回流區(qū)，于是流線呈閉合狀。這些閉呈閉合狀。這些閉合流線環(huán)繞的中心，合流線環(huán)繞的中心，就是射流與回流共就是射流與回流共同形成的旋渦中心。同形成的旋渦中心。w貼附射流貼附射流：射流噴：射流噴w口比較靠近固體邊界時會出現(xiàn)射流的貼附現(xiàn)象。貼附射流口比較靠近固體邊界時會出現(xiàn)射流的貼附現(xiàn)象。貼附射流可以看成是完整射流的一半，規(guī)律相同?？梢钥闯墒峭暾淞鞯囊?/p>

37、半，規(guī)律相同。54w11-6-1壓力波傳播和音速概念壓力波傳播和音速概念w11-6-2可壓縮流體一元穩(wěn)定流動的根本方程可壓縮流體一元穩(wěn)定流動的根本方程w11-6-3漸縮噴管與拉伐爾管的特點漸縮噴管與拉伐爾管的特點w11-6-5實際噴管的性能實際噴管的性能w11-6氣體動力學氣體動力學55 音波傳播速度很快，在傳播過程中與外界來不及進行音波傳播速度很快，在傳播過程中與外界來不及進行熱量交換，且忽略切應力作用，無能量損失。所以整個傳熱量交換，且忽略切應力作用，無能量損失。所以整個傳播過程可作為等熵過程。播過程可作為等熵過程。 應用氣體等熵過程方程式，應用氣體等熵過程方程式， ，得到，得到氣體中音速

38、氣體中音速公式公式: :cpkkRTpkddpc 其中其中k為定壓比熱與定容比熱之比為定壓比熱與定容比熱之比 。 氣流某斷面的流速，設想以無摩擦絕熱過程降低至零氣流某斷面的流速，設想以無摩擦絕熱過程降低至零時，斷面各參數(shù)所到達的值，稱為氣流在該斷面的滯止時，斷面各參數(shù)所到達的值，稱為氣流在該斷面的滯止參數(shù)。滯止參數(shù)以下標參數(shù)。滯止參數(shù)以下標“0表示。例如表示。例如 等相等相應地稱為滯止壓強、滯止密度、滯止溫度、滯止焓值、應地稱為滯止壓強、滯止密度、滯止溫度、滯止焓值、滯止音速滯止音速 。00000,ciTp56w(1)等熵流動中，各斷面滯止參數(shù)不變，其中等熵流動中，各斷面滯止參數(shù)不變，其中 反

39、映了包括熱能在內(nèi)的氣流全部能量。反映了包括熱能在內(nèi)的氣流全部能量。w(2)等熵流動中，氣流速度假設沿流增大，那么氣流溫等熵流動中，氣流速度假設沿流增大，那么氣流溫度、焓、音速，沿程降低。度、焓、音速，沿程降低。w(3)由于當?shù)貧饬魉俣鹊拇嬖?，同一氣流中當?shù)匾羲儆烙捎诋數(shù)貧饬魉俣鹊拇嬖?，同一氣流中當?shù)匾羲儆肋h小于滯止音速，氣流中最大音速是滯止時的音速。遠小于滯止音速，氣流中最大音速是滯止時的音速。w馬赫數(shù)為當?shù)厮俣扰c該點當?shù)匾羲俚谋戎担厚R赫數(shù)為當?shù)厮俣扰c該點當?shù)匾羲俚谋戎担簑 即氣流本身速度大于音速，那么氣流中即氣流本身速度大于音速，那么氣流中參數(shù)的變化不能向上游傳播，這就是超音速流動。參數(shù)的變

40、化不能向上游傳播，這就是超音速流動。w 氣流本身速度小于音速，那么氣流中參氣流本身速度小于音速，那么氣流中參數(shù)的變化能夠各向傳播，這就是亞音速流動。數(shù)的變化能夠各向傳播，這就是亞音速流動。 w馬赫數(shù)馬赫數(shù)M是氣體動力學中一個重要無因次數(shù)，它反映是氣體動力學中一個重要無因次數(shù)，它反映慣性力與彈性力的相比照值，是確定氣體流動狀態(tài)的慣性力與彈性力的相比照值，是確定氣體流動狀態(tài)的準數(shù)。準數(shù)。cvM cvM , 1cvM , 1000,ciT57w氣體一元流動微分形式的伯努利方程：氣體一元流動微分形式的伯努利方程：w定容流動定容流動w等溫流動等溫流動w絕熱流動絕熱流動 w其中其中k為定壓比熱與定容比熱之

41、比為定壓比熱與定容比熱之比 w11-6-2可壓縮流體一元穩(wěn)定流動的根本方程可壓縮流體一元穩(wěn)定流動的根本方程0)2(2vddp c，cgvp22 cT cvpRT2ln2221212kpvkvRTckkcpk58 絕熱過程中，單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能：絕熱過程中，單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能：w絕熱過程的全能方程式：絕熱過程的全能方程式：w用焓用焓 表示的全能方程式：表示的全能方程式：w空氣的絕熱指數(shù)空氣的絕熱指數(shù)k1.4，氣體常數(shù)，氣體常數(shù)wR287J/kg K ， 1VkpucTk22pvuc22vicpiu59 氣體連續(xù)性運動方程：氣體連續(xù)性運動方程：w斷面斷面A與氣流速度與氣流速度v間的關系

42、間的關系 ， 0AdAdvdvvdvMAdA) 1(2w1、 M 1時為時為亞音速亞音速，A增大增大v減小，與不可壓減小，與不可壓縮時情況縮時情況相同相同；w2、 M 1時為時為超音速超音速，A增大增大v增大，與不可壓增大，與不可壓縮時情況縮時情況不同不同； 3、 M1為臨界狀態(tài)，氣體到達為臨界狀態(tài)，氣體到達臨界狀態(tài)的斷面，稱為臨界斷臨界狀態(tài)的斷面，稱為臨界斷面，臨界斷面只能是最小斷面。面，臨界斷面只能是最小斷面。60w 為了得到超音速氣流，為了得到超音速氣流，可使亞音速氣流流經(jīng)收縮管，可使亞音速氣流流經(jīng)收縮管，并使其在最小斷面上到達音并使其在最小斷面上到達音速，然后再進入擴張管，滿速，然后再

43、進入擴張管，滿足氣流的進一步膨脹增速，足氣流的進一步膨脹增速，便可獲得超音速氣流。這就便可獲得超音速氣流。這就確定了從亞音速獲得超音速確定了從亞音速獲得超音速的噴管形狀，見圖，此種噴的噴管形狀，見圖，此種噴管稱為拉伐爾噴管管稱為拉伐爾噴管 。管斷面。管斷面面積、壓力、流速的變化規(guī)面積、壓力、流速的變化規(guī)律如圖。律如圖。w w11-6-3漸縮噴管與拉伐爾管的特點漸縮噴管與拉伐爾管的特點61w噴管中各參數(shù)的變化規(guī)律噴管中各參數(shù)的變化規(guī)律62w11-6-4實際噴管的性能實際噴管的性能63w11-7-1泵與風機的運行曲線泵與風機的運行曲線w11-7-2網(wǎng)絡系統(tǒng)中泵與風機的工作點網(wǎng)絡系統(tǒng)中泵與風機的工作

44、點w11-7-3離心式泵與風機的工況調(diào)節(jié)離心式泵與風機的工況調(diào)節(jié)w11-7-4離心式泵與風機的選擇離心式泵與風機的選擇w11-7-5氣蝕氣蝕 安裝要求安裝要求w11-7泵與風機與網(wǎng)絡系統(tǒng)的匹配泵與風機與網(wǎng)絡系統(tǒng)的匹配64w11-7-1泵與風機的運行曲線泵與風機的運行曲線 由于泵和風機的揚程、流量以及所需的功率等性能是由于泵和風機的揚程、流量以及所需的功率等性能是互相影響的，所以通常用以下三種形式來表示這些性能互相影響的，所以通常用以下三種形式來表示這些性能之間的關系：之間的關系： 1、泵或風機所提供的流量和揚程之間的關系，、泵或風機所提供的流量和揚程之間的關系，用用 來表示；來表示；2、泵或風

45、機所提供的流量和所需外加軸功率之間的關、泵或風機所提供的流量和所需外加軸功率之間的關系，用系，用 來表示。來表示。3、泵或風機所提供的流量與設備本身效率之間的關系，、泵或風機所提供的流量與設備本身效率之間的關系，用用 來表示；來表示； 上述三種關系常以曲線形式繪在以流量上述三種關系常以曲線形式繪在以流量Q為橫坐標為橫坐標的圖上。這些曲線叫做性能曲線。的圖上。這些曲線叫做性能曲線。)(1QfH )(2QfN )(3Qf65w泵與風機的性能參數(shù)及有關概念泵與風機的性能參數(shù)及有關概念 w水泵揚程水泵揚程H：單位重量的水通過水泵獲得的機械能增量。：單位重量的水通過水泵獲得的機械能增量。w風機全壓風機全

46、壓p：以壓強表示的，單位重量的氣體通過風機獲得：以壓強表示的，單位重量的氣體通過風機獲得的機械能增量。的機械能增量。w體積流量體積流量Q：單位時間里泵或風機輸送流體的體積。：單位時間里泵或風機輸送流體的體積。w功率功率Ne，N:單位時間內(nèi)流體從泵或風機所獲得的機械能稱單位時間內(nèi)流體從泵或風機所獲得的機械能稱為為有效功率有效功率；單位時間內(nèi)原動機給泵或風機的機械能稱為；單位時間內(nèi)原動機給泵或風機的機械能稱為軸軸功率功率。w效率效率：有效功率占軸功率的百分比稱為效率。：有效功率占軸功率的百分比稱為效率。NeQHNepQ（泵） （風機） 22221121()()22pvpvHzzggpHNeN66w

47、泵的揚程計算泵的揚程計算w1、讀表、讀表22221121()()22pvpvHzzggw2、向水箱供水：、向水箱供水：w 單位重量水的機械能的增量，加上管路總損失單位重量水的機械能的增量，加上管路總損失w3、閉合管路、閉合管路2HHSQ67w機器內(nèi)的各種損失機器內(nèi)的各種損失 w泵或風機損失可分為流動水力損失泵或風機損失可分為流動水力損失(降低實際壓力降低實際壓力)，容，容積損失積損失(減少流量減少流量)，機械損失。，機械損失。w1水力損失水力損失，主要包括進口損失，撞擊損失，葉輪中的，主要包括進口損失，撞擊損失，葉輪中的水力損失，動壓轉(zhuǎn)換和機殼出口損失。水力損失，動壓轉(zhuǎn)換和機殼出口損失。w2容

48、積損失容積損失，由高壓區(qū)泄漏回低壓區(qū)的回流量。，由高壓區(qū)泄漏回低壓區(qū)的回流量。w3機械損失機械損失，泵和風機的機械損失包括軸承和軸封的摩，泵和風機的機械損失包括軸承和軸封的摩擦損失，還包括葉輪轉(zhuǎn)動時其外表與機殼內(nèi)流體之間發(fā)擦損失，還包括葉輪轉(zhuǎn)動時其外表與機殼內(nèi)流體之間發(fā)生的所謂圓盤摩擦損失。生的所謂圓盤摩擦損失。mhvmTTeHQQHNN68w機器內(nèi)的各種損失機器內(nèi)的各種損失 w水力損失水力損失w各種損失各種損失w容積損失與圓盤損失容積損失與圓盤損失w其他機械損失其他機械損失69w性能曲線形成過程示意性能曲線形成過程示意 70w實際的性能曲線實際的性能曲線 71w性能曲線中性能曲線中HQ曲線最

49、常用，因為它揭示了泵或風機的曲線最常用，因為它揭示了泵或風機的兩個最重要、最有實用意義的性能參數(shù)之間的關系兩個最重要、最有實用意義的性能參數(shù)之間的關系 。通常。通常按照曲線的大致傾向可將其分為以下三種：按照曲線的大致傾向可將其分為以下三種：w(1)平坦型，平坦型，(2)陡降型，陡降型，(3)駝峰型。駝峰型。w有駝峰性能的泵或風機在一定的運行條件下可能出現(xiàn)不穩(wěn)有駝峰性能的泵或風機在一定的運行條件下可能出現(xiàn)不穩(wěn)定工作。這種不穩(wěn)定工作，是應當防止的。定工作。這種不穩(wěn)定工作，是應當防止的。w 性能曲線的作用主要是為設計選型和指導運行性能曲線的作用主要是為設計選型和指導運行w離心泵和風機一般應關閥門啟動

50、和停止。離心泵和風機一般應關閥門啟動和停止。 72w11-7-2網(wǎng)絡系統(tǒng)中泵與風機的工作點網(wǎng)絡系統(tǒng)中泵與風機的工作點 通常泵或風機是通常泵或風機是與一定的管路相連接與一定的管路相連接而工作的。一般情況而工作的。一般情況下，流體在管路中流下，流體在管路中流動時所消耗的能量，動時所消耗的能量，首先首先用于補償用于補償壓差、壓差、高差高差：112HHppZ73w其次其次是用來克服流體在管路中的流動阻力及是用來克服流體在管路中的流動阻力及由管道排出時的動壓頭：由管道排出時的動壓頭： 21SQh w揚程為上述兩者之和：揚程為上述兩者之和：21112SQHhHppHZw上述上述 方程描述的方程描述的HQ關

51、關系做成管路系做成管路特性曲線，特性曲線，與與泵的特性曲線的交點即為泵的特性曲線的交點即為其其工作點工作點。7475w泵與風機的不穩(wěn)定工作泵與風機的不穩(wěn)定工作dQdHdQdH機管為穩(wěn)定工況點，為穩(wěn)定工況點，反之，為不穩(wěn)定反之，為不穩(wěn)定工況點工況點 76w泵與風機的聯(lián)合運行泵與風機的聯(lián)合運行w泵與風機并聯(lián)運行泵與風機并聯(lián)運行77w泵與風機串聯(lián)運行泵與風機串聯(lián)運行78w泵與風機的串并聯(lián)都最好是性能一致的機器泵與風機的串并聯(lián)都最好是性能一致的機器之間進行，如果條件不允許，至少應該是流之間進行，如果條件不允許，至少應該是流量接近的串聯(lián)，揚程接近的并聯(lián)，否那么會量接近的串聯(lián)，揚程接近的并聯(lián)，否那么會大大降低系統(tǒng)整體效率。大大降低系統(tǒng)整體效率。79w工況調(diào)節(jié)就是改變工作點，從而改變流量。應從改變工況調(diào)節(jié)就是改變工作點，從而改變流量。應從改變機器性能曲線和改變管路性能曲線兩個途徑著手。機器性能曲線和改變管路性能曲線兩個途徑著手。w11-7-3離心式泵與風機的工況調(diào)節(jié)離心式泵與風機的工況調(diào)節(jié)一、改變管路性能曲線的調(diào)節(jié)方法一、改變管路性能曲線的調(diào)節(jié)方法1節(jié)流法：節(jié)流法：在泵在泵或風機轉(zhuǎn)數(shù)不變或風機轉(zhuǎn)數(shù)不變的情況下，只調(diào)的情況下，只調(diào)節(jié)管路閥門開度節(jié)管路閥門開度(節(jié)流節(jié)流)，人為地，人為地改變管路性能曲改變管路性能曲線。線。