流体机械学习课件

2 . 相似条件





1) 几何相似条件：对应尺寸成比例、对应角度等（包含对 应粗糙度） 2）运动相似条件：决定于速度三角形相似 速度三角形= f(D，b， ，n，Q) 在几何相似条件下 速度三角形= f(D，n，Q) 无因次速度三角形=f(Q/D3n)=f(Q) 所以运动相似条件为；在几何相似的条件下，只要 满足无因次流量相等则两现象运动相似
低压区
轴封
轴封 高压区
水力损失与水力效率


水力损失=摩擦损失+局部损 失+撞击损失 hl=k1Q2+k2Q2+k3(Q-Qd)2 效率


h=H/HT

一般水力损失是影响泵与风机 的主要因素，是所有损失中最 大的一项 水力损失存在最低点，效率存 在最高点
撞击损失的形成
w
vv v v v w ww vr vr vrvv r r u

离心力做功所产生的压力能增量 截面积变化所引起压力能增量 动能增量
(u22-u12)/2g (w12-w22)/2g (v22-v12)/2g
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H T

u 2,T v u 2,T u1,T v u 1,T g
欧拉方程的分析
4) 一般1设计为90º ，则此时欧拉方程为 H T =u2 ,T vu2,T/g 即此时扬程只与出口速度三角形有关 5）当 1设计为90º ，其它条件相同时，随着出口叶片 安装角度的增加，扬程上升，但在扬程中压力机械能 所占比例将逐渐减小。通常用叶片出口安装角度定义 叶片型式 < 90º 称为后向式叶片：扬程较小、压力机械能增 量大于动能增量 =90º 称为径向式叶片；压力能等于机械能增量 >90º 称为前向式叶片：扬程较大，压力能增量小于 动能的增量 6）叶片有限时的修正
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欧拉方程的建立

1.理想叶轮的假定



假定流体通过叶轮流动是恒定的 假定叶轮具有无限多的叶片,且叶片厚度无限薄 假定流体为理想不可压流体
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2.有关参数的描述 性能参数 几何参数

欧拉方程的建立
Q 、H、N D0、D1、D2、b1、b2、1、2 n、 v 、w、 u、vr、vu、 、、g
机械损失与机械效率


机械损失=轴封轴承摩擦 损失+圆盘损失 轴封轴承摩擦损失= 1%---5%（轴功率） 圆盘损失=Kn3D25=2%--10% 效率 m=(N-Nm)/N
轴封
前盘
轴封
后盘
容积损失与容积效率


容积损失=f(密封状况，扬程) 4%~10%（理论流量） 效率 v=Q/(Q+q)=Q/QT
NT =A’ QT - B’ ctg2 QT2
理论性能曲线
HT HT
NT
NT
QT
QT
泵和风机的实际性能曲线
沿程和局部阻力损失 ΔＨ＝SHQ2 撞击损失 ΔＨ＝f(Qd-Q)2 容积损失 Q=QT-q 容积损失 功率 Ｎ＝γＱＨ ＝γＱ(A-BQctgβ2) 效率

Q Q 3 Dn gH H 2 2 Dn p p D 2n 2
Qm Q p Hm H p
pm p p
Nm N p
N N D 5n 3

m p
比转数
Q Q 3 D n gH H 2 2 Dn
Q 1/ 2 nQ 1 / 2 n 3/ 4 H (gH )3 / 4
2 2
2



叶片型式
返 回
w
v vr
叶片型式
u w vr v vr
u



H =u2 vu2 /g = u2 (u2-vrctg2) /g
vr
w
v
u
返 回
叶片有限时的修正欧拉方程
叶片有限时，流道内存在相对涡流运动
w2T∞ w2T ω w2T w2T∞ β v2T v2T∞ vr2
α vu2Ｔ vu2Ｔ∞ u 2
流体机械



概述 离心式泵与风机的理论基 础 离心式泵构造 离心式风机构造 离心泵的汽蚀现象分析 离心式泵与风机的运行、 调节、选型
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概述

流体机械的概念

以流体为工作介质实施流体与外界之间的 机械能转换的装置称为流体机械。将外部 机械能转化为流体机械能的装置称为从动 的流体机械，如泵与风机；将流体的能量 转化为外部动力装置的机械能称为原动流 体机械，如水轮机、汽轮机等。其中泵与 风机式最典型的流体机械也是使用最多的 流体机械，属于通用机械类型
对同一类（几何相似）泵或风机，其比转数是唯一的 比转数反映了泵与风机的几何形状特征 同系列泵和风机，比转数大者，叶轮厚而小，比转数 小者叶轮扁而大 比转数可反映泵与风机的性能特征 同系列泵和风机，比转数大者，流量大，压头小；比 转数小者，流量小，压头大 同系列泵和风机，比转数大者，Q-H曲线陡降，Q-N曲 线平缓上升；比转数小者，Q-H曲线平缓，Q-N曲线陡 升 可用比转数的数值对风机进行分类（编制型号用） 可用比转数来决定泵与风机的类型（选型时用） 可用比转数进行泵与风机的相似设计（设计时用）
叶片出口处相对速度将向旋转反方向偏离；vu2Ｔ < vu2Ｔ∞
叶片进口处相对速度将向旋转正方向偏离．vu1Ｔ > vu1Ｔ∞ k H T kHT (u2Tvu 2T u1Tvu1T ) g 返 回 K=0.78-0.85
几何参数的描述
2 b2 1

D0
b1
D1
D2
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运动参数的描述

3）动力相似 流场所受作用力为：重力、惯性力、阻力、压力，其中重 力对现象的影响较小可忽略，所以只需考虑惯性力、阻力 相似则压力必然相似，欲满足此条件则必须使无量纲阻力 相等，通常泵与风机阻力大小已处在阻力平方区也就是阻 力处在自动模化区，只要几何相似即可满足动力相似
3. 相似性质---相似律
概述

典型离心式泵与风机的外形
概述

离心式泵与风机的基本性能参数

概述
体积流量Q

单位时间通过泵与风机的流体体积 单位重量流体流体通过泵与风机后所获得的机 械能

扬程H





功率N 有效功率Ne：单位时间内流体所获得的有 效机械能 轴功率N：原动机加在泵与风机轴上的功率 效率η： η= Ne /N
w v
u v vu
vr
u
w
返 回
v ---- 流体运动绝对速度 u ---- 叶轮旋转圆周速度 w ---- 流体与叶片相对运动速度 vu ---- 流体绝对速度周向分速 vr ---- 流体绝对速度径向分速 ---- 叶片安装角度 ---- 工作角度


叶轮运动参数 流体运动参数 其它参数



下标标示 1 --- 叶片进口处的参数 2 --- 叶片出口处的参数 T --- 假设为理想情形(理想流体、无泄漏)时的参 数 --- 假设叶轮具有无限多叶片时的参数
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欧拉方程的建立 动量矩守恒定理：质点系对某一转轴的动量矩对时间的 变化率，等于作用于该质点系的外力对该轴的力矩。 叶轮内流体质点系动量矩变化率为 QT(r2 vu2,T- r1vu1,T)
泵与风机的全效率

泵与风机的效率 =Ne/N= m v h

正常运转下
泵效率: 0.6—0.9
风机效率: 0.5—0.9

效率高低与设计、制造、选型安装、运行操作等 有关，所以，在所有这些环节中均应根据各种损 失的特性，尽量减少各种损失以提高泵与风机的 实际效率。
泵与风机的性能曲线
离心式泵与风机的理论基础

离心式泵与风机的基本构造和工作原理 理想叶轮的流动分析---欧拉方程的建立 实际叶轮式泵与风机的性能分析 泵与风机的相似分析
基本构造和工作原理
前盘
叶片 轮毂
轴
后盘
吸入口
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机壳
基 本 构 造 和 工 作 原 理
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基 本 构 造 和 工 作 原 理

当一台确定泵与风机转速不变时有 HT =u2 , T vu2, T /g = u2, T (u2, T -vr2, T ctg2) /g = u2, T (u2, T -(QT/D2b2) ctg2) /g =A-B ctg2 QT HT =A’-B’ ctg2 QT

=QT(r2 vu2,T- r1 vu1,T) vu2,T- u1
,T
=(u2
vu1,T)/g
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欧拉方程的分析
H T

u 2,T v u 2,T u1,T v u 1,T g

1）扬程与输送流体介质种类无关 2）扬程仅与流体进出口速度三角形有关，与 中间流动过程无关 3）扬程可分解为有确定物理意义的三部分：

欧拉方程的建立
作用在流体上的外力矩也就是流体作用在转轴上的阻力 矩，由于转轴是匀速旋转的，所以其阻力矩应与原动机 加在转轴上的动力矩相等，则原动机加在转轴上的动力 矩为 M= QT(r2 vu2,T- r1 vu1,T) 轴功率 N=M = QT H H
T T ,T
2
=(u2 vu2- u1 vu1)/g
2
=(( u2
+ v12 - w12))/2g
=[u22-u12 + w12-w22 + v22-v12]/2g
v
vu
vr
w u
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离心式泵与风机的性能分析



对实际叶轮，与理想叶轮的假定存在较大的差异，因 此，其性能也存在较大的差异 离心式泵与风机的机械能损失分析 机械损失、容积损失、水力损失 离心式泵与风机的性能曲线 对任意一台确定的泵或风机，其工作流量靠其自身 的条件无法完全确定，必须结合外部条件才能确定， 也就是实际运行的离心式泵与风机的流量是随外部 条件的变化而变化的变数，而其它性能参数则随流 量的改变而改变，因此通常用H---Q N---Q ---Q 三条曲线来表示离心式泵与风机的性能
H
撞击损失 沿程和局部 阻力损失 Q-H Q-η Q
QH Biblioteka Baidu QT H T
实际性能曲线形状特征
H
平坦型
驼峰型 陡降型 Q
泵与风机的相似分析

1 相似分析的必要性 2 泵与风机流动现象相似的条件 3 泵与风机流动现象相似的性质 4 应用分析
1 相似分析的必要性与意义



设计问题 要设计一台新的符合用户要求性能的泵与风机，在进行初步设计 后必须进行有关试验，以验证是否符合要求，否则必须修改设计 而试验必须在相似理论指导下进行 生产问题 生产的是大批同类型的泵与风机，他们在几何上式相似的，如果 没有相似理论的指导，原则上每台泵与风机均需进行试验测定其 性能曲线，同时也是编制通用性能曲线的依据 运行问题 由于生产厂家所提供的性能曲线是在一定条件下试验测定的，不 可能把所有用户使用条件均包含进去，因此在运行条件参数发生 变化后，能否根据原有条件下的性能曲线进行预测换算为新条件 下的性能曲线，则是必须解决的问题。

泵与风机按工作原理的分类 容积式 1. 往复式：柱塞泵、空气压缩机 2. 回转式：齿轮泵、罗茨风机 叶片式 1. 离心式：离心泵、离心风机 2. 混流式：泥浆泵 3. 贯流式：双螺杆泵，转子泵 其它类型 1. 引射器： 2. 旋涡泵：湍流泵 3. 真空泵：水环式真空泵
概述

典型泵与风机的外形


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欧拉方程的分解
H T =(u2 ,T vu2,T- u1 ,T vu1,T)/g
省略下标
w22 =u2 w12 =u1 H
T 2 2
T
+ v22 -2u2 v2cos2=u2 2 + v22 -2u2 vu2 + v12 -2u1v1cos1=u1 2 + v12 -2u1 vu1 + v22 - w22 ) - ( u1



相似工况: 一台泵或风机在实际运行时的状况称为工况， 描述这种状况的有关参数称为工况参数，把在相似状态下 运行的两个不同工况称为相似工况，所对应的参数称为相 似工况参数（Q、p、N、、D、、n） 相似性质：无因次相似工况参数相等 以D、 、n为量纲独立量对其余有量纲的工况参数 进行无因次化即可得到有关的相似律
工程上习惯用法
泵 风机
3.65nQ 1 / 2 ns H 3/ 4
nQ 1 / 2 ny 3/4 p 20
Q m 3 / s , H m , n r / min
Q m 3 / s , p 20 常态下气体全压Pa , n r / min
比转数意义和用途