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1、04 06 2020 1 目录 第一章 流体力学 1 1流体运动的一些基本概念 1 2流体运动的连续性方程 1 3伯努利 Bernoulli 方程 1 4液体的空化和空蚀现象第二章 泵与风机 04 06 2020 2 流体运动学研究流体的运动规律 如速度 加速度等运动参数的变化规律 而流体动力学则研究流体在外力作用下的运动规律 即流体的运动参数与所受力之间的关系 本部分主要介绍流体运动学和流体动力学的基本知识 学习流体力学中的几个重要的基本方程 连续性方程 动量方程和能量方程 这些方程是分析流体流动问题的基础 04 06 2020 3 第一节流体运动的一些基本概念 在讨论流体运动的基本规律和基
2、本方程之前 为了便于分析 研究问题 先介绍一些有关流体运动的基本概念 一 定常流动和非定常流动根据流体的流动参数是否随时间而变化 可将流体的流动分为定常流动和非定常流动 现举例说明如下 如图3 2所示装置 将阀门A和B的开度调节到使水箱中的水位保持不变 则水箱和管道中任一点 如1点 2点和3点等 的流体质点的压强和速度都不随时间而变化 但由于1 2 3各点所处的空间位置不同 故其压强和速度值也就各 04 06 2020 4 不相同 这时从管道中流出的射流形状也不随时间而变 这种运动流体中任一点的流体质点的流动参数 压强和速度等 均不随时间变化 而只随空间点位置不同而变化的流动 称为定常流动 现
3、将阀门A关小 则流入水箱的水量小于从阀门B流出的水量 水箱中的水位就逐渐下降 于是水箱和管道任一点流体质点的压强和速度都逐渐减小 射流的形状也逐渐向下弯曲 04 06 2020 5 图3 2流体的出流 04 06 2020 6 二 流体流动分类可以把流体流动分为三类 1 有压流动总流的全部边界受固体边界的约束 即流体充满流道 如压力水管中的流动 2 无压流动总流边界的一部分受固体边界约束 另一部分与气体接触 形成自由液面 如明渠中的流动 3 射流总流的全部边界均无固体边界约束 如喷嘴出口的流动 04 06 2020 7 三 流量和平均流速单位时间内通过有效截面的流体体积称为体积流量 以qv表示
4、 其单位为m3 s m3 h等 单位时间内通过有效截面的流体质量称为质量流量 以qm表示 其单位为kg s t h等 由于微元流束有效截面上各点的流速V是相等的 所以通过微元流束有效截面积为的体积流量dqv和质量流量dqm分别为 dqv VdA 3 16 dqm VdA 3 17 04 06 2020 8 图3 6管内流动速度分布 04 06 2020 9 六 均匀流和非均匀流根据流场中同一条流线各空间点上的流速是否相同 可将总流分为均匀流和非均匀流 若相同则称为均匀流 04 06 2020 10 图3 9均匀流 04 06 2020 11 图3 10非均匀流 04 06 2020 12 急变
5、流 缓变流 缓变流 缓变流 缓变流 缓变流 急变流 急变流 急变流 急变流 图3 11缓变流和急变流 04 06 2020 13 第二节流体流动的连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的应用 我们认为流体是连续介质 它在流动时连续地充满整个流场 在这个前提下 当研究流体经过流场中某一任意指定的空间封闭曲面时 可以断定 若在某一定时间内 流出的流体质量和流入的流体质量不相等时 则这封闭曲面内一定会有流体密度的变化 以便使流体仍然充满整个封闭曲面内的空间 如果流体是不可压缩的 则流出的流体质量必然等于流入的流体质量 04 06 2020 14 一 连续性方程在工程上和自然界中 流体流动多
6、数都是在某些周界所限定的空间内沿某一方向流动 即一维流动的问题 所谓一维流动是指流动参数仅在一个方向上有显著的变化 而在其它两个方向上的变化非常微小 可忽略不计 例如在管道中流动的流体就符合这个条件 04 06 2020 15 对不可压缩均质流体常数 上式为不可压缩流体一维定常流动的总流连续性方程 该式说明一维总流在定常流动条件下 沿流动方向的体积流量为一个常数 平均流速与有效截面面积成反比 即有效截面面积大的地方平均流速小 有效截面面积小的地方平均流速就大 04 06 2020 16 例3 6 有一输水管道 如图3 14所示 水自截面1 1流向截面2 2 测得截面1 1的水流平均流速m s
7、已知d1 0 5m d2 1m 试求截面2 2处的平均流速为多少 解 由式 3 33 得 m s 04 06 2020 17 图3 14输水管道 04 06 2020 18 第三节伯努利 Bernoulli 方程 3 42 在特殊情况下 绝对静止流体V 0 由式 3 41 可以得到静力学基本方程一 方程的物理意义和几何意义为了进一步理解理想流体微元流束的伯努利方程 现来叙述该方程的物理意义和几何意义 1 物理意义理想流体微元流束的伯努利方程式 3 41 中 左端 04 06 2020 19 前两项的物理意义 在静力学中已有阐述 即第一项z表示单位重量流体所具有的位势能 第二项p g 表示单位重
8、量流体的压强势能 第三项V2 2g 理解如下 由物理学可知 质量为m的物体以速度V运动时 所具有的动能为Mv2 2 则单位重量流体所具有的动能为V2 2g 即 mV2 2 mg V2 2g 所以该项的物理意义为单位重量流体具有的动能 位势能 压强势能和动能之和称为机械能 因此 伯努利方程可叙述为 理想不可压缩流体在重力作用下作定常流动时 沿同一流线 或微元流束 上各点的单位重量流体所具有的位势能 压强势能和动能之和保持不变 即机械能是一常数 但位势能 压强势能和动能三种能量之间可以相互转换 所以伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种特殊表现形式 04 06 2020 20 2 几何意义理想
9、流体微元流束的伯努利方程式 3 41 中 左端前两项的几何意义 同样在静力学中已有阐述 即第一项z表示单位重量流体的位置水头 第二项p g 表示单位重量流体的压强水头 第三项V2 2g 与前两项一样也具有长度的量纲 它表示所研究流体由于具有速度V 在无阻力的情况下 单位重量流体所能垂直上升的最大高度 称之为速度水头 位置水头 压强水头和速度水头之和称为总水头 由于它们都表示某一高度 所以可用几何图形表示它们之间的关系 如图3 16所示 因此伯努利方程也可叙述为 理想不可压缩流体在重力作用下作定常流动时 沿同一流线 或微元流束 上各点的单位重量流体所具有的位置水头 压强水头和速度水头之和保持不变
10、 即总水头是一常数 04 06 2020 21 二 伯努利方程应用时特别注意的几个问题伯努利方程是流体力学的基本方程之一 与连续性方程和流体静力学方程联立 可以全面地解决一维流动的流速 或流量 和压强的计算问题 用这些方程求解一维流动问题时 应注意下面几点 04 06 2020 22 1 选好有效截面 选择合适的有效截面 应包括问题中所求的参数 同时使已知参数尽可能多 通常对于从大容器流出 流入大气或者从一个大容器流入另一个大容器 有效截面通常选在大容器的自由液面或者大气出口截面 因为该有效截面的压强为大气压强 对于大容器自由液面 速度可以视为零来处理 2 选好基准面 基准面原则上可以选在任何
11、位置 但选择得当 可使解题大大简化 通常选在管轴线的水平面或自由液面 要注意的是 基准面必须选为水平面 3 求解流量时 一般要结合一维流动的连续性方程求解 伯努利方程的p1和p2应为同一度量单位 同为绝对压强或者同为相对压强 p1和p2的问题与静力学中的处理完 04 06 2020 23 全相同 4 有效截面上的参数 如速度 位置高度和压强应为同一点的 绝对不许在式中取有效截面上 点的压强 又取同一有效截面上另一点 的速度 04 06 2020 24 图3 22 04 06 2020 25 第四节液体的空化和空蚀现象 一 空化 气穴 在标准大气压强下 水在100 开始沸腾 称为汽化 当大气压强
12、降低时 如在高原地区 水将在低于100 的温度下开始沸腾汽化 这一现象表明 作用于水的绝对压强较低时 水可在较低温度下发生汽化 水在某一温度发生汽化时的绝对压强 称为饱和蒸汽压强 用pv表示 由伯努利方程可知 当总水头一定时 水流中某一有效截面上的位置水头和速度水头很大时 其相应的绝对压强就低 当压强降低到空气分离压pg时 原先以气核形式 04 06 2020 26 肉眼看不见 溶解在液体中的气体便开始游离出来 膨胀形成小气泡 当压强继续降低到液体在该温度下的饱和压强pv时 液体开始汽化 产生大量的小气泡 并继续产生更多的小气泡 它们将汇集成较大的气泡 泡内充满着蒸汽和游离气体 这种由于压强降
13、低而产生气泡的现象称为空化 气穴 现象 空化现象同外界空气掺入液体中形成的气泡有本质区别 它是液体的相变 由液态转化为汽态 现象 04 06 2020 27 二 空蚀 气蚀 空化产生的气泡被液流带走 当液流流到下游高压区时 气泡内的蒸汽迅速凝结 气泡突然溃灭 气泡溃灭的时间很短 只有几百分之一秒 而产生的冲击力却很大 气泡溃灭处的局部压强高达几个甚至几十兆帕 局部温度也急剧上升 大量气泡的连续溃灭将产生强烈的噪声和振动 严重影响液体的正常流动和流体机械的正常工作 气泡连续溃灭处的固体壁面也将在这种局部压强和局部温度的反复作用下发生剥蚀 这种现象称为空蚀 气蚀 剥蚀严重的流体机械将无法继续工作
14、空蚀机理是尚在研究中的问题 主要说法有二 认为气泡突然溃灭时 周围 04 06 2020 28 的流体快速冲向气泡空间 它们的动量在极短的时间内变为零 因而产生很大的冲击力 该冲击力反复作用在壁面上 形成剥蚀 认为气泡在高压区突然溃灭时 将产生压强冲击波 此冲击波反复作用在壁面上 形成剥蚀 很可能这两种情况都存在 04 06 2020 29 为流体提供机械能的机械设备统称为流体输送机械 分类 流体输送机械 压缩机 真空泵 通风机 鼓风机 气体压送机械 泵 液体输送机械 离心式 往复式 旋转式 流体作用式 按工作原理 按输送介质 第二章泵与风机 04 06 2020 30 离心泵 04 06 2
15、020 31 离心泵的工作原理 离心泵结构 高速旋转的叶轮和固定的泵壳 叶轮上装有若干叶片 叶轮将输入的轴功提供给液体 液体随叶轮旋转在离心力作用下沿叶片间通道向外缘运动 速度增加 机械能提高 液体离开叶轮进入蜗壳 蜗壳流道逐渐扩大 流体速度减慢 液体动能转换为静压能 压强不断升高 最后沿切向流出蜗壳通过排出导管输入管路系统 离心泵工作原理 04 06 2020 32 离心泵装置简图 04 06 2020 33 吸上原理与气缚现象 原动机 轴 叶轮 旋转 离心力 中心 动能 高速离开叶轮 外围 静压能 叶片间液体 液体被做功 吸上原理 04 06 2020 34 如果离心泵在启动前壳内充满的是
16、气体 则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度 这样槽内液体便不能被吸上 这一现象称为气缚 气缚现象 04 06 2020 35 主要部件 1 叶轮 叶片 盖板 6 12个叶片 前弯 后弯 径向 液体通道 闭式叶轮 前盖板 后盖板 半开式 后盖板 开式 无盖板 04 06 2020 36 平衡孔 消除轴向推力 04 06 2020 37 截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道液体入口 中心 2 泵壳 泵体的外壳 包围叶轮 出口 切线 作用 汇集液体 并导出液体 能量转换装置 04 06 2020 38 3 泵轴 垂直叶轮面 穿过叶轮中心 轴封 旋转的泵轴与固定的泵壳之间的密封 作用 防止高压液体沿轴漏出或外界空气漏入 机械密封 填料密封 04 06 2020 39 填料密封1 填料套 2 填料环 3 填料 4 填料压盖 5 长扣双头螺栓 6 螺母 填料 采用浸油或涂石墨的石棉绳 结构简单 但功率消耗大 且有一定程度的泄漏 04 06 2020 40 4 导轮的作用 减少能量损失 04 06 2020 41 流量V m3 s 压头H mH2o 轴功率N kW 效率 离心泵的特性曲线
