工程流體力學(xué)與流體機械(環(huán)境工程師)小田

1、工程流體力學(xué)與流體機械工程流體力學(xué)與流體機械流體動力學(xué)流體阻力管道計算明渠均勻流和非均勻流紊流射流氣體動力學(xué)基礎(chǔ)相似原理和模型實驗方法泵與風(fēng)機1.拉格朗日法對流體質(zhì)點進(jìn)行分析研究，并將其質(zhì)點的運動匯總起來，從而得到整個流體的運動情況。（質(zhì)點法) 物理概念清晰，但處理問題十分困難研究流體運動的兩種方法2.歐拉法以流動空間作為對象，觀察不同時刻各空間點上流體質(zhì)點的運動情況，并將其匯總，從而得到整個流體的運動情況。（空間法）以固定空間、固定斷面或固定點為對象，應(yīng)采用歐拉法 加 速 度zuuyuuxuutuazuuyuuxuutuazuuyuuxuutuazzzyzxzzyzyyyxyyxzxyxxx

2、x當(dāng)?shù)丶铀俣?遷移加速度 全加速度222zyxaaaa流體運動的類型流體運動的類型 若流場中各空間點上的任何運動要素均不隨時若流場中各空間點上的任何運動要素均不隨時間變化，稱流動為間變化，稱流動為恒定流恒定流。否則，為。否則，為非恒定流。非恒定流。 恒定流中，所有物理量的表達(dá)式中將不含時間，恒定流中，所有物理量的表達(dá)式中將不含時間，它們只是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，時變加速度為零它們只是空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，時變加速度為零。恒定流、非恒定流恒定流、非恒定流 任何實際流動從本質(zhì)上講都是在三維空間內(nèi)發(fā)生任何實際流動從本質(zhì)上講都是在三維空間內(nèi)發(fā)生的，二元和一元流動是在一些特定情況下對實際流動的簡化和的，二元

3、和一元流動是在一些特定情況下對實際流動的簡化和抽象，以便分析處理。抽象，以便分析處理。 注意：注意：一元流、二元流、三元流一元流、二元流、三元流 一元流動：只與一個空間自變量有關(guān)一元流動：只與一個空間自變量有關(guān) 。二元流動：與兩個空間自變量有關(guān)二元流動：與兩個空間自變量有關(guān) 。三元流動：與三個空間自變量有關(guān)三元流動：與三個空間自變量有關(guān) 。zyxuu, xuu yxuu, 在實際問題中，常把總流也簡化為一元流動在實際問題中，常把總流也簡化為一元流動，但由于但由于過流斷面上的流動要素一般是不均勻的，所以一維簡化的關(guān)鍵過流斷面上的流動要素一般是不均勻的，所以一維簡化的關(guān)鍵是要在過流斷面上給出運動要

4、素的代表值，通常的辦法是取平是要在過流斷面上給出運動要素的代表值，通常的辦法是取平均值。均值。s 一元簡化 元流是嚴(yán)格的一元流動。元流是嚴(yán)格的一元流動。運動要素是否沿程變化運動要素是否沿程變化？均勻流均勻流非均勻流非均勻流均勻流、非均勻流均勻流、非均勻流 均勻流的流線必為相互平行的直線，而均勻流的流線必為相互平行的直線，而非均勻流的流線要么是曲線，要么是不相平行的直線。非均勻流的流線要么是曲線，要么是不相平行的直線。 注意：注意：均勻流時，遷移加速度為零連續(xù)性方程連續(xù)性方程恒定總流的連續(xù)性方程速度與斷面之間的關(guān)系2211AvAv若為分叉管路332211AvAvAvQ=C伯努利方程伯努利方程w理

5、想流體的伯努利方程理想流體的伯努利方程機械能守恒w實際流體的伯努利方程實際流體的伯努利方程速度與位置和壓強（主要是壓強）之間的關(guān)系w適用條件：恒定流動、質(zhì)量力只有重力、不可壓縮流體、所取過流斷面為漸變流斷面、兩斷面間無分流和匯流。gugpzgugpz2222222111fhgugpzgugpz2222222111伯努利方程伯努利方程物理意義和幾何意義物理意義和幾何意義wz：過流斷面上單位重量流體所具有的位能、位置高度（水頭）wp/g：過流斷面上單位重量流體所具有的壓能、測壓管高度（壓強水頭）wu2/2g：過流斷面上單位重量流體所具有的平均動能、流速高度（水頭）whf：兩過流斷面之間單位重量流體

6、機械能的損失、水頭損失。伯努利方程在應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題伯努利方程在應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題w過流斷面的選取: 必須是漸變流斷面或均 勻流斷面；w基準(zhǔn)面的選取: 原則上可任意，但必須選擇同一基準(zhǔn)面，且z0;w計算點的選取: 原則上可任意，但特殊點應(yīng)注意,如管道出口;w壓強的選取: 可取絕對壓強，也可以取相對壓強，但必須統(tǒng)一.例 文丘里流量計gvgpzgvgpz2222222111能量方程（忽略損失）連續(xù)性方程2221AvAvgpzgpzgddv22114211211gpzgpzgdddAvQ22114212111214儀器常數(shù)KhhKQ流量系數(shù)（0.960.98）注意：水（）-水銀（）氣（）-

7、液（）hhhKhh水力坡度水力坡度shsHJwdddd稱為水力坡度稱為水力坡度水頭線的斜率冠以負(fù)號水頭線的斜率冠以負(fù)號測壓管坡度測壓管坡度 dsdHJPP稱為測壓管坡度稱為測壓管坡度 位置水頭線一般為總流斷面中心線。位置水頭線一般為總流斷面中心線。 測壓管水頭線可能在位置水頭線以下，表示當(dāng)?shù)販y壓管水頭線可能在位置水頭線以下，表示當(dāng)?shù)貕簭娛秦?fù)值。壓強是負(fù)值。恒定總流能量方程的幾何表示恒定總流能量方程的幾何表示水頭線水頭線 注意：注意：總壓線和全壓線總壓線和全壓線(氣體氣體)w總壓線是沿程各斷面總壓 w 的連線w全壓線是沿程各斷面全壓 w 的連線22upgzPdldpdldPJw 22vpHpdl

8、dHJpP實際流體的總水頭線(總壓線)總是沿程下降的.流體阻力流體阻力w分分 類類w沿程水頭損失在均勻流段（包括漸變流）中產(chǎn)生的流動阻力為沿程阻力（或摩擦阻力），由此引起的水頭損失，與流程的長度成正比，用hf表示；w局部水頭損失在非均勻流段（流動邊界急劇變化）中產(chǎn)生的流動阻力為局部阻力，由此引起的水頭損失，取決于管配件的形式，用hm表示；w整個管道中的水頭損失等于各段的沿程水頭損失和各處的局部水頭損失之和?？偰芰繐p失mfwhhhjfwppp用水頭線表示阻力損失的計算單位重量流體的局部損失gvdlhf22沿程阻力系數(shù)guhm22單位重量流體的沿程損失局部阻力系數(shù)雷諾試驗雷諾試驗w揭示了沿程水頭損

9、失與流速的關(guān)系。當(dāng)vvc時， hfv1.752.0 。w發(fā)現(xiàn)了流體流動中存在兩種性質(zhì)不同的形態(tài)，即層流和紊流。w層流流體呈層狀流動，各層質(zhì)點互不摻混；w紊流流體質(zhì)點的運動軌跡極不規(guī)則，各層質(zhì)點相互摻混，且產(chǎn)生隨機脈動。粘性流體的兩種流態(tài)1.雷諾實驗（1883年）（a）層流（b）臨界狀態(tài)（c）紊流下臨界流速vc臨界流速上臨界流速vcccvv 請看雷諾實驗動畫演示雷諾數(shù)dvcdvdvcccReRec臨界雷諾數(shù)（2000左右）Re=vd/雷諾數(shù)（無量綱）ReRec紊流（包括層流向紊流的臨界區(qū)20004000）結(jié)論：用雷諾數(shù)判斷流態(tài)Rvvddv4ReAR 非圓管，引入水力半徑R濕周w各力之間的平衡式:

10、w兩斷面的能量方程:w均勻流基本方程式w切應(yīng)力分布:0cos021lgAlApApRJ0fhgvgpzgvgpz222222211100rr沿程水頭損失與切應(yīng)力的關(guān)系圓管中的層流運動1.流動特性l 流體呈層狀流動，各層質(zhì)點互不摻混層流中的切應(yīng)力為粘性切應(yīng)力其中 y=r0-rdydudrdu2.斷面流速分布drdu牛頓內(nèi)摩擦定律又Jrg2rdrgJdu2積分（a）2204rrgJu旋轉(zhuǎn)拋物面20max4rgJurrurdrgJdu020（b）平均速度AudAAQv20002rrdrur208Jrgmax21u沿程損失系數(shù)208grvlJlhf又gvdlhf22比較ReRe64f注意：v，但hfv

11、232gdvl0 . 1v例：應(yīng)用細(xì)管式粘度計測油的粘度，細(xì)管d=6mm，l=2m，Q=77cm3/s，水銀壓差計讀值h=30cm，水銀密度m=13600kg/m3，油的密度=900kg/m3，求油的運動粘度解：fhsmdQv/73. 242設(shè)為層流gvdlhf2Re642mhm23. 4解得運動粘度smlvgdhf/1054. 8642262校核流態(tài)20001918Revd計算成立紊 流 運 動1.紊流的特性渦體的產(chǎn)生2.紊流運動的時均化脈動性（1）瞬時速度u（2）時均速度（3）脈動速度u（4）斷面平均速度vuTttudtTu001uuu0100TttdtuTudAuAvA1紊流的切應(yīng)力w紊

12、流運動分解為兩種流動的疊加：w時均運動w脈動運動wa、時均運動流層間產(chǎn)生的粘性切應(yīng)力：ydudx1b.脈動流動引起的切應(yīng)力（附加切應(yīng)力、慣性切應(yīng)力、雷諾切應(yīng)力）22yxuuc.切應(yīng)力21靠近壁面且Re數(shù)較小時，占主導(dǎo)地位離開壁面且Re數(shù)很大時，1125.紊流的速度分布規(guī)律紊流2202dydul壁面附近切應(yīng)力kyl （k是實驗確定的常數(shù)，稱卡門常數(shù)k0.4）01kydydu積分得cykuln10普朗特-卡門對數(shù)分布規(guī)律6.紊流流動結(jié)構(gòu)圖圓管紊流的沿程損失dkf Re,k絕對粗糙度k/d相對粗糙度1.尼古拉茲實驗（1933-1934）（1）實驗曲線（2）變化規(guī)律層流底層的變化紊流光滑區(qū)紊流過渡區(qū)紊

13、流粗糙區(qū)主要計算公式水力光滑區(qū)：布拉修斯公式（e0,正坡或順坡(沿流w程降低);w i=0,平坡(渠底水平);w i0,且不變;w壁面粗糙系數(shù)n沿程不變;w棱柱形渠道;w恒定流;特征:總水頭線與水面線與渠底線相互平行.即 iJJp梯形過水?dāng)嗝娴膸缀我豾邊坡系數(shù):w水面寬:w過水?dāng)嗝娣e:w濕周:w水力半徑: cotmBhb1mmhbB2hmhbA212mhbAR 均勻流的基本公式w謝才公式:由于J=i,流量謝才系數(shù)RJCv RiCv iKiARnRiACAvQ21321611RnC K流量模數(shù)n粗糙系數(shù)均勻流的基本公式w謝才公式:由于J=i,流量謝才系數(shù)RJCv RiCv iKiARnRiAC

14、AvQ21321611RnC K流量模數(shù)n粗糙系數(shù)水力最優(yōu)斷面 w明渠的輸水能力取決于底坡i、渠壁的粗糙系數(shù)n及過水?dāng)嗝鍭的大小及形狀。通常，i的大小隨當(dāng)?shù)氐牡匦味?，n則取決于所選的渠壁材料。因此，渠道的Q僅取決于A的大小及形狀R。而在底坡i、粗糙系數(shù)n和過流面積A一定的條件下，能使渠道的輸水能力最大的斷面形狀稱為水力最優(yōu)斷面。w在i、n、A已給的條件下，要使Q最大，則要求R最大，即濕周最小。所謂水力最優(yōu)斷面，就是濕周最小的斷面形狀。w優(yōu)點：輸水能力最大，渠道護(hù)壁材料最省，渠道滲水量損失也最少。 32352/121321AniiAnAQ 水力最優(yōu)斷面w梯形斷面的寬深比h：w當(dāng)m=0時，即為矩

15、形斷面，寬深比h=2。w水力最優(yōu)斷面時，任意形狀斷面的水力半徑為水深的二分之一。mmhbhh2122hARh允許流速w允許流速-對渠身不會產(chǎn)生沖刷，也不會使水中懸浮的泥紗在渠道中發(fā)生淤積的斷面平均流速。 在設(shè)計中，要求渠道的流速在不沖、不淤的允許流速范圍內(nèi)，即minmaxvvv 明渠均勻流的水力計算w渠道的水力計算，可分成三類問題：1.驗算渠道的輸水能力已知渠道斷面形狀及大小、粗糙系數(shù)及渠道的底坡，求渠道的輸水能力。即已知K、i，求Q。2確定渠道底坡已知渠道斷面尺寸、粗糙系數(shù)、流量或流速，求渠道的底坡。即已知b、h、m、n、Q或各量，求i。這類的計算主要用于：下水道為避免沉積淤塞，要求有一定的

16、“自清”速度，這就必須要求有一定的坡度。3.確定渠道的斷面尺寸已知渠道輸水量Q、渠道底坡、粗糙系數(shù)n及邊坡系數(shù)m，求渠道斷面尺寸b和h。這是設(shè)計新渠道斷面的問題，但從基本公式中可知，一個方程要解兩個未知數(shù)（b和h），則有無數(shù)組解，因此要得到唯一的解，就必須附加條件。 補充條件一般分為四種：水深h已定，求相應(yīng)的底寬b。 計算時，給出不同的b值，即可計算出相對應(yīng)的K，并根據(jù)這些b和K值，作出曲線，再從給定的Q和i，計算出K=Q/i0.5。找出對應(yīng)于這K值的b值，即為所求。底寬b已定，求相應(yīng)的水深h。 仿照上述解法，先作出曲線，同樣找出對應(yīng)于K=Q/i0.5的h值，即為所求。按水力最優(yōu)斷面的條件=b

17、/h，設(shè)計斷面尺寸b和h。 按當(dāng)?shù)赝临|(zhì)條件確定邊坡系數(shù)m值，在水力最優(yōu)斷面時，計算出=b/h ，這樣就建立了附加條件，然后再仿照或中的方法，求出b或h。用最大允許不沖流速作為渠道中的實際流速，求相應(yīng)的b和h。無壓圓管均勻流w無壓圓管-非滿管流的圓形管道。 w無壓圓管均勻流的特征及基本公式：w 與明渠均勻流完全一樣。與明渠均勻流完全一樣。w水力計算（分三類）w1.驗算輸水能力；w2.決定管道坡度；w3.計算管道直徑。輸水性能最優(yōu)充滿度：當(dāng)h/d=0.94時，Q/Q0=1.08，則此時通過的流量最大，為恰好滿管流時流量的1.08倍；當(dāng)h/d=0.81時，v/v0=1.14，則此時管中的流速最大，為

18、恰好滿管流時流速的1.14倍。 11fdhfiRCARiACQQAdddd 22fdhfiRCRiCvvBddd明渠非均勻流w明渠非均勻流的形成明渠非均勻流的形成: 非正坡或坡度沿程變化; 或n沿程變化; 或非棱柱形渠道；或非恒定流; 或明渠中有障礙物.明渠非均勻流動的特點明渠非均勻流動的特點: 流線已不再是相互平行的直線，同一條流線上各點的流速（包括大小和方向）不同，明渠的底坡線、水面線、總水頭線彼此互不平行，通常分為明渠非均勻漸變流和急變流兩種。斷面單位能量(斷面比能) w斷面單位能量=過流斷面最低點的單位重量液體的機械能 任意基準(zhǔn)面的單位重量液體的機械能 兩者的差異：0dsdE22222

19、gAQhgvhegvhzgvpzEAA22220dsde0dsde0dsde比能曲線和臨界水深w把斷面比能e隨水深h的變化情況用曲線來表示,則此曲線稱為斷面比能曲線)(hfe 臨界水深相對應(yīng)于最小斷面比能的水深，用hK表示。臨 界 水 深w臨界水深-當(dāng)e=emin時的水深kkBAgQ3232322gqgbQhk 0123222dhdAgAQgAQhdhddhdev矩形斷面:由于BdhdAkkkhgvhe2322臨 界 底 坡w在棱柱形渠道中，斷面形狀、尺寸和流量一定時，若水流的正常水深h0恰好等于臨界水深hk時，則此渠道底坡稱為臨界底坡，用ik表示。w在正坡渠道中，當(dāng)對應(yīng)于某一流量時 w緩 坡

20、iik，則此時hOhk；w臨界坡i=ik，則此時hO=hk；w陡 坡iik，則此時hOhk。KKKKKKKBCgRCAQi2222明渠非均勻流流動形態(tài)w臨界流速=水的波速w緩 流: vvK, FrvK, Fr1ghBAgvk微波在各流態(tài)中的傳播（a）靜止水流；（b）緩流；（c）臨界流；（d）急流23211FrgABQdhde 弗 勞 德 數(shù)推論: 緩 流 hhk,vvk; 臨界流 h=hk,v=vk; 急 流 hvk;hgvhgvhgAQgABQFr222222322 是斷面單位動能對平均勢能比值的2倍 w例 底寬b=5m的長直矩形斷面渠道，通過流量Q=40m3/s，若渠道內(nèi)某斷面水深2m。試

21、用各種方法判別水流流態(tài)。w解：w采用臨界水深來判別 因2mhc，故水流屬緩流。w采用佛汝得數(shù)判別 其中，v=4m/s Fr1.0，水流為緩流。w采用臨界速度判別 而 v=4m/svc=4.28m/s，水流為緩流。w除了上述幾種方法外，還可繪制eh比能曲線（本例略），看h=2m的點是否位于曲線的上半支，若是，則為緩流。mgbQhK87. 158 . 9401322322816. 028 . 940 . 1222ghvFr smghvKK/28. 487. 18 . 9 明渠恒定非均勻漸變流的基本微分方程BgAQJidsdh3212221FrKQidsdh一、自由紊流射流的一般特征自由（無限空間）

22、紊流射流.動力特征射流中壓強與周圍壓強相等，即動量守恒常數(shù)2020002002vRAvdAv1.幾何特征射流半徑沿軸線方向呈線性增加147. 08 . 600dasdD.運動特征各截面速度分布相似性25 . 11Ryvvm圓形斷面（軸對稱）的射流射流流體與周圍介質(zhì)之間的摻混是在圓錐面上進(jìn)行的平面射流出口為扁平條縫狀射流流體與周圍介質(zhì)之間的摻混是在上下表面進(jìn)行的平面射流的發(fā)展較圓斷面射流緩慢氣體動力學(xué)基礎(chǔ)1.連續(xù)性方程積分形式微分形式cvA 0AdAvdvd2.狀態(tài)方程RTpR氣體常數(shù)（空氣：287J/kgK）3.歐拉運動微分方程0vdvdp4.理想氣體一元恒定流的能量方程cvdvdp一些常見的

23、熱力過程（1）等容過程cvp22機械能守恒（2）等溫過程pRT1cvpRT2ln2可壓縮理想氣體在等溫過程中的能量方程ccT （3）絕熱過程理想氣體的絕熱過程等熵過程cpkvpcck 絕熱指數(shù)cvpkk212音速聲音的傳播是一種小擾動波連續(xù)性方程動量方程略去高階微量，得AdtdvcdcAdtdvcdcAdvpAAdppddpc 音速定義式氣體：視作等熵過程CpkkRTpkcdpkdp解得cdvdp得討論：（1）音速與本身性質(zhì)有關(guān)（2）dpdc1dpd /越大，越易壓縮，c越小音速是反映流體壓縮性大小的物理參數(shù)（3） TVpfTfc,當(dāng)?shù)匾羲伲?）空氣Tc2874 . 1KT288smc/340

24、馬赫數(shù)cvM 微小擾動在空氣中的傳播M1超音速流動討論dv與dp、d、dT異號流動參數(shù)M1漸縮管漸擴管漸縮管漸擴管流速v壓強p密度溫度T增大減小減小減小減小增大增大增大減小增大增大增大增大減小減小減小一元等熵氣流各參數(shù)沿程的變化趨勢 拉伐爾噴管cvcvcv壓強下降擴壓管cvcvcv壓強上升引射器（噴管+擴壓管）相 似 性 原 理lmpmpddllmp222lmpmpllAA1.力學(xué)相似（1）幾何相似模型和原型的幾何形狀相似。原型中任何長度尺寸和模型中相對應(yīng)長度尺寸的比值處處相等，對應(yīng)角相等。 l長度比尺333lmpmpllVV幾何相似只有一個長度比尺，幾何相似是力學(xué)相似的前提（2）運動相似模型

25、和原型流場中的相應(yīng)點上存在的同名速度都成一定的比值，且方向相同。vmpmpuuvvv速度比尺時間比尺vlmmppmptvlvltt加速度比尺lvtva2運動相似只有一個速度比尺，運動相似是實驗的目的（3）動力相似模型和原型流場中的相應(yīng)點上存在的同名力都成一定的比值，且方向相同。即模型和原型的矢量圖相似。 FmpFFF力的比尺TGPF達(dá)朗伯定理：0IEPGTFFFFF動力相似對應(yīng)點上的力的封閉多邊形相似動力相似是運動相似的保證（4）初始條件和邊界條件相似模型和原型流場中的初始條件和邊界條件滿足相似。w恒定流,則初始條件不必考慮。w邊界條件也可以歸趨于幾何相似。w幾何相似是前提，動力相似是主導(dǎo)，運

26、動相似是具體表現(xiàn) 2.相似準(zhǔn)則常選慣性力為特征力，將其它作用力與慣性力相比，組成一些準(zhǔn)則，由這些準(zhǔn)則得到的準(zhǔn)則數(shù)（準(zhǔn)數(shù)）在相似流動中應(yīng)該是相等的（1）雷諾準(zhǔn)則粘性力是主要的力ImIPTmTPFFFF改成TmImTPIPFFFFlvlvdydvAFT22vlmaFImmmppplvlv無量綱數(shù)vlRe雷諾數(shù)粘性力的相似準(zhǔn)數(shù)1,Re(Re)Remp（2）佛勞德準(zhǔn)則重力是主要的力ImIPGmGPFFFF改成GmImGPIPFFFF3glmgFG22vlFImmmppplgvlgv221,FrmpFrFr無量綱數(shù)glvFr 佛勞德數(shù)重力的相似準(zhǔn)數(shù)（3）歐拉準(zhǔn)則壓力是主要的力ImIPPmPPFFFF改成

27、ImPmIPPPFFFF2lFP22vlFI22mmmPPpvpvp1,EumpEuEu無量綱數(shù)22vpvpEu歐拉數(shù)壓力的相似準(zhǔn)數(shù)高 速 氣 體Ea mmPPavav將無量綱數(shù)avM 馬赫數(shù)彈性力的相似準(zhǔn)數(shù)代入柯西數(shù) ，得1,MampMaMa222Ellv模型律的選擇w雷諾準(zhǔn)則管流、水面下的潛艇運動、輸油管道、飛機在空中的低速飛行以及隧洞中的有壓流動等，粘性力起主要作用;w佛汝德準(zhǔn)則閘孔出流、堰上出流、水面船舶運動以及明渠流動等，重力起主要作用;w由于壓強通常是待求的量，可能是由粘性力引起，也可能是由重力引起，所以只要當(dāng)滿足粘性力或重力相似時，壓強相似會自動滿足,即歐拉準(zhǔn)則自動滿足;w水擊現(xiàn)

28、象的研究則采用柯西準(zhǔn)則。w可壓縮氣流流速接近或超過聲速時，采用馬赫數(shù)相等。因次（量 綱） 分 析1.量綱量綱的和諧性基本量綱相互獨立的不可壓縮流體的基本量綱M、L、T物理量A的量綱cbaTLMAdim2dim MLTF如0a0b0c幾何學(xué)量0a0c運動學(xué)量0a動力學(xué)量2.無量綱的物理量0cba1dimRedim000121TLMTLLLTvd如無量綱物理量的意義：（1）客觀性；（2）不受運動規(guī)模的影響；（3）清楚反映問題實質(zhì)（如一個系列一條曲線）；（4）可進(jìn)行超越函數(shù)的運算w定理（布金漢法）任何一個物理過程，如包括n個物理量，涉及到m個基本因次，則這個物理過程就可由（n-m）個無因次量所表達(dá)的

29、關(guān)系式來描述。w基本因次：(對國際單位制)wM質(zhì)量、L長度、T時間。量 綱 分 析 法理論建立方程式的步驟如下：w1選擇與流動現(xiàn)象有關(guān)的物理變量（此為最關(guān)鍵的一步）。w2寫成函數(shù)關(guān)系式。如w3選擇基本變量（注意三條原則，即：基本變量與基本因次相對應(yīng)；選擇重要的基本變量；不能有任意兩個基本變量的因次是完全一樣的）。通常，管流中選 三個作基本變量為多；明渠流中則選 為多。w4把基本變量和其它變量組成數(shù)，并找出這些數(shù)。w5把結(jié)果代入函數(shù)關(guān)系式。0),(pHDVfdv,Hv,3dim ML0,vkdlpf7nb.選取基本量常?。簬缀螌W(xué)量l（d），運動學(xué)量v，動力學(xué)量m=3基本量獨立條件：指數(shù)行列式不等

30、于零1dim LTvLd dim110111cba，010222cba，例：求有壓管流壓強損失的表達(dá)式 解：步驟a.找出物理過程中有關(guān)的物理量， 組成未知的函數(shù)關(guān)系031333cba，c.基本量依次與其余物理量組成項，共nm=73=4個1111cbadvp2222cbadv3333cbadvl4444cbadvkd.決定各項的基本量的指數(shù)111dimdim1cbadvp： 1113121cbaMLLLTTML比較兩邊系數(shù)11c11131cba12aMLT得a1=2，b1=0，c1=121vp同理vd2dl3dk4e.整理方程式0,24321 dkdlvdvpffdkdlvdfvp,22Re,2

31、2vdlvdldkfp（2）雷利法有關(guān)物理量少于5個0,4321qqqqf3個基本量，只有一個項小結(jié)：變量的選取對物理過程有一定程度的理解是非常重要的介紹快速方法泵 與 風(fēng) 機w流體輸送機械 為流體提供能量的機械。w 泵 輸送液體機械；w 風(fēng)機或壓縮機 輸送氣體機械。w分類：葉片式、容積式、其他類型w離心式泵與風(fēng)機的基本性能參數(shù)： 1.流量-水泵在單位時間內(nèi)所輸送液體的體積，以符號Q表示。 m3/s; 2.揚程-單位重量液體通過水泵后其能量的增值，即單位能的增值。以符號H表示. m.水泵揚程的確定w當(dāng)設(shè)計新建輸水系統(tǒng)，所需要的水泵揚程為:w w式中：H0 靜揚高；whw1 吸水管的水頭損失；w

32、hw2 壓水管的水頭損失；whw 吸、壓水管的水頭損失之總和。 wwwhHhhHH0210w 如果如果p1為真空度，為真空度，p1則為負(fù)值，則為負(fù)值，h W = 0VMVMhgpphH0120whgvvgpphH221221200h對于運轉(zhuǎn)中的水泵，所需揚程對于運轉(zhuǎn)中的水泵，所需揚程H為為w3軸功率-原動機輸送給水泵的功率，以符號N表示，常用單位為千瓦。w有效功率-水泵傳輸給液體的功率。有效功率通常以符號Ne表示，計算公式為w w軸功率與有效功率之差，即為在水泵中損失掉的功率。對于水泵來說，軸功率就是輸入功率，有效功率就是輸出功率。gQHNe4效率-水泵的有效功率與軸功率之比值，即 w由此可得

33、到水泵的軸功率：%100NNegQHNNew5轉(zhuǎn)速w水泵葉輪的轉(zhuǎn)動速度，以符號n表示。單位為r/min。w各種水泵都是按一定的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行設(shè)計的，如果使用時水泵的實際轉(zhuǎn)速不同于設(shè)計轉(zhuǎn)速時，則水泵的其它性能參數(shù)（如流量Q、揚程H、軸功率N等）也將會按一定的規(guī)律變化。w6允許吸上真空高度及氣蝕余量w允許吸上真空高度是指水泵在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（即20，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）運轉(zhuǎn)時，水泵所允許的最大吸上真空高度。以符號HS表示，單位為米水柱。w氣蝕余量是指水泵進(jìn)口處，單位重量液體所具有超過飽和蒸汽壓力的富裕能量。以符號h表示，單位為米水柱。離心式泵與風(fēng)機的基本方程式w假設(shè)：w1.葉片數(shù)量無限多，葉片厚度無限小;w2

34、.理想液體.w根據(jù)動量矩方程:222222222cot12cot1rTvuugbQrgHH式中:u2切向速度；Vr2徑向速度；2出口安裝角。有三種形式w根據(jù)出水角 的大小不同，可分為三種類型:w當(dāng) 90時，葉片與旋轉(zhuǎn)方向呈前彎式；w當(dāng) =90時，葉片與旋轉(zhuǎn)方向呈徑向式；w當(dāng) 90時，葉片與旋轉(zhuǎn)方向呈后彎式。w 角的大小反映了葉片的彎度，是構(gòu)成葉片形狀和葉片性能的一個重要數(shù)據(jù)。在實際工程中，水泵使用的葉片大多為后彎式葉片。22222離心泵的理論揚程與被輸送介質(zhì)的容重?zé)o關(guān)，即同一臺離心泵，輸送不同的流體，所產(chǎn)生的理論揚程值是完全一樣的。但水泵所消耗的功率卻是不相同的。流體容重越大，水泵消耗的功率也

35、越大。因此，當(dāng)輸送流體的容重不同，而理論揚程相同時，原動機所須供給的功率消耗是完全不相同的。離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線02900290一、離心泵的理論特性曲線一、離心泵的理論特性曲線w在轉(zhuǎn)速n一定時，HT、NT、與QT的關(guān)系曲線。w HTQT性能曲線HTQT02902ctgBQAHTTwNTQT性能曲線 2ctgBQAQHQNTTTTTNTQT029002900290w 1水力損失w水力損失由兩部分組成，一部分為由于流體通過葉輪并被甩到泵殼中去的摩擦損失，另一部分則是由于流體進(jìn)入葉輪時對葉片撞擊而引起的沖擊損失。因此，扣除水力損失后的水泵和風(fēng)機的實際揚程應(yīng)為：w式中h為流體在水泵和風(fēng)機殼

36、體中的水力損失。w殼體內(nèi)的這些水力損失必然要消耗一部分功率，會導(dǎo)致水泵和風(fēng)機的總效率下降。其值可用水力效率來表示：w hHHT ThHH w2容積損失w這一部分是由于部分流體仍然通過減漏環(huán)流回葉輪進(jìn)口以及經(jīng)填料盒漏入大氣中造成的。設(shè)流體的泄露量為，則通過水泵和風(fēng)機的實際流量應(yīng)為：w w相對應(yīng)的容積效率為：w qQQT TvQQw3機械損失w水泵和風(fēng)機在運行中機械零件還存在摩擦損失，所以由電機傳給水泵和風(fēng)機的功率N與由水泵和風(fēng)機傳給流體的功率是不相等的。兩者的比值用機械效率來表示：w w4全效率w綜上所述，水泵和風(fēng)機的全效率即為上述各效率之乘積，即w NNhjjvhw離心泵的實際特性曲線w 當(dāng)轉(zhuǎn)

37、速n一定時w 考慮了水力損失、容積損失和機械損失wH、N、 與Q的關(guān)系曲線 HQH Q QN Q管路系統(tǒng)特性曲線220SQlQShhhjfwdlgAS2212SQHhHHSTwST 離心泵裝置的工況點（圖解法）QH泵特性曲線泵特性曲線管路特性曲線管路特性曲線工作點工作點MHMQM工作點應(yīng)在高效區(qū)泵與風(fēng)機裝置的工況點的變化w離心泵裝置的工況點，是建立在水泵和管道系統(tǒng)能量平衡上。而一旦這種平衡關(guān)系被破壞，則離心泵裝置的工況點也必然會改變。w工況點的調(diào)節(jié)從兩方面考慮：w1.改變管道性能曲線水位變化、閥門調(diào)節(jié)等w2.改變水泵的性能曲線改變水泵轉(zhuǎn)速、切削葉輪等。w利用水泵出水閥門進(jìn)行工況點的調(diào)節(jié)，稱閥門

38、調(diào)節(jié)。是一種作為臨時性或小型泵調(diào)節(jié)的常用方法 改變泵的轉(zhuǎn)速流量、揚程、功率會隨之改變32;nnNNnnHHnnQQ切削水泵葉輪流量、揚程、功率也隨之改變32222222;DDNNDDHHDDQQ前提條件：兩水泵效率不變泵與風(fēng)機的并聯(lián)工作 w并聯(lián)工作幾臺水泵向一條公共管道供水w 特點：w增加供水量；w增強供水可靠性；w調(diào)節(jié)水量方便。w并聯(lián)工作計算規(guī)則：w流量規(guī)則：w Q并=Q1+Q2；w揚程規(guī)則：w H并=H1=H2。泵與風(fēng)機的串聯(lián)工作w串聯(lián)工作后一臺水泵的吸水管接在前一臺水泵的壓水管上。w特點：增加揚程， 有時還可增加流量。w串聯(lián)工作計算規(guī)則：w流量規(guī)則：w Q串=Q1=Q2；w揚程規(guī)則：w H串=H1+H2。w多級泵多個葉輪串聯(lián)起來的水泵。離心式泵或風(fēng)機的選擇1.選擇類型 應(yīng)充分了解整個裝置的具體用途、管路布置、地形條件、被輸送流體的種類、性質(zhì)以及水位高度等基本資料。 3.確定型號2.確定流量和揚程（壓頭）maxQmaxH