工程流体力学及泵与风机课件

1、十一、工程流体力学及十一、工程流体力学及泵与风机泵与风机主讲教师：赵静野主讲教师：赵静野 2w11-l流体动力学流体动力学 w11-2相似原理和模型实验方法相似原理和模型实验方法w11-3流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失w11-4管道计算管道计算w11-5特定流动分析特定流动分析w11-6气体射流气体射流w11-7泵与风机与网络系统的匹配泵与风机与网络系统的匹配第十一章第十一章工程流体力学及工程流体力学及泵与风机泵与风机311-l流体动力学流体动力学 w11111 11 1描述流体运动的两种方法描述流体运动的两种方法w11111 12 2恒定流动和非恒定流动恒定流动和非恒定流动w11111

2、 13 3恒定元流能量方程恒定元流能量方程w11111 14 4恒定总流能量方程（伯努利方程）恒定总流能量方程（伯努利方程）及其使用条件及其使用条件411111 11 1描述流体运动的两种方法描述流体运动的两种方法wA、拉格朗日法：拉格朗日法：整个流体运动是无数单个质点运动的总和，以个别整个流体运动是无数单个质点运动的总和，以个别质点为研究对象来描述流体运动，再将每个质点的运动情况汇总起质点为研究对象来描述流体运动，再将每个质点的运动情况汇总起来，就描述了流体的整个流动。来，就描述了流体的整个流动。w迹线：迹线：一段时间内流体质点所走过的轨迹，是拉格朗日法形象描述一段时间内流体质点所走过的轨迹

3、，是拉格朗日法形象描述流体运动的工具。流体运动的工具。wB、欧拉法：欧拉法： 以流体运动的空间点作为观察对象，观察一个时刻各以流体运动的空间点作为观察对象，观察一个时刻各空间点上流体质点的运动，再将每个时刻的情况汇总起来，就描述空间点上流体质点的运动，再将每个时刻的情况汇总起来，就描述了整个运动。了整个运动。 w流线：流线：在某一时刻，各点的切线方向与通过该点的流体质点的流速在某一时刻，各点的切线方向与通过该点的流体质点的流速方向重合的空间曲线称为流线方向重合的空间曲线称为流线 ，流线是欧拉法形象描述流体运动的，流线是欧拉法形象描述流体运动的工具。流线上一点的切线方向即为该点的流速方向；流线不

4、能是折工具。流线上一点的切线方向即为该点的流速方向；流线不能是折线；流线不能相交；流线密集的地方流速大，稀疏的地方流速小。线；流线不能相交；流线密集的地方流速大，稀疏的地方流速小。511111 12 2恒定流动和非恒定流动恒定流动和非恒定流动w恒定流动：恒定流动：流场中各点流动参数不随时间变化的流场中各点流动参数不随时间变化的流动称为恒定流动，我们研究的流动多数都按恒流动称为恒定流动，我们研究的流动多数都按恒定流动处理。定流动处理。w非恒定流动：非恒定流动：流场中的流动参数随时间变化而变流场中的流动参数随时间变化而变化的流动称为非恒定流动。化的流动称为非恒定流动。0t0t611111 13 3

5、恒定元流能量方程恒定元流能量方程w理想不可压缩流体恒定流元流能量方程，或伯努利方程理想不可压缩流体恒定流元流能量方程，或伯努利方程的表达式为：的表达式为： 2211221222pupuZZggw这是能量守恒定律在流体力学中的特殊表达方式，请注这是能量守恒定律在流体力学中的特殊表达方式，请注意式中各项的物理意义和几何意义意式中各项的物理意义和几何意义w元流能量方程的典型应用是元流能量方程的典型应用是毕托管毕托管问题，请参照基础部问题，请参照基础部分的有关内容。分的有关内容。7w实际不可压缩流体恒定流元流能量方程，或伯努利方程的实际不可压缩流体恒定流元流能量方程，或伯努利方程的表达式为：表达式为：

6、221122121 222lpupuZZhgg w请注意式中各项的物理意义和几何意义，特别是总水头，请注意式中各项的物理意义和几何意义，特别是总水头，测压管水头与水头损失测压管水头与水头损失1 2lh22upHZgPpHZ811111 14 4恒定总流能量方程恒定总流能量方程（伯努利方程）及其使用条件（伯努利方程）及其使用条件w实际不可压缩流体恒定流总的流能量方程，或伯努利方实际不可压缩流体恒定流总的流能量方程，或伯努利方程的表达式为：程的表达式为： 2211 122 2121 222lpvpvZZhggw表示表示两断面两断面单位重量流体单位重量流体平均的平均的能量转化与守恒关系。能量转化与守

7、恒关系。w式中式中为为动能修正系数：动能修正系数：是一个大于是一个大于1的数，与断面速度的数，与断面速度分布均匀性有关，速度分布越均匀该系数越接近分布均匀性有关，速度分布越均匀该系数越接近1，紊，紊流时经常取流时经常取1，而层流时为，而层流时为2AvdAu339伯努利方程的应用条件：伯努利方程的应用条件： pZC 在均匀流或渐变流过流断面上，压强分布符合静压分布规律，在均匀流或渐变流过流断面上，压强分布符合静压分布规律，或者说各点的测压管水头为常数。或者说各点的测压管水头为常数。在方程推导过程中使用了这一条件，所以要求能量方程的计在方程推导过程中使用了这一条件，所以要求能量方程的计算断面为均匀

8、流断面或渐变流断面。算断面为均匀流断面或渐变流断面。10 w11-2相似原理和模型实验方法相似原理和模型实验方法 w11-2-1物理现象相似的概念物理现象相似的概念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流体力学模型研究方法流体力学模型研究方法w11-2-5实验数据处理方法实验数据处理方法1111-2-1物理现象相似的概念物理现象相似的概念w 几何相似几何相似 运动相似运动相似 动力相似动力相似 1212pplmmllllpm222pAlmll333pVlmll1212pppmmmuuvvuuvppmltmmpvtlutluppppmmm

9、mTGPITGpI相似的前提 研究的目的 相似的保证 1211-2-2相似三定理相似三定理w 相似准数相似准数w1、无因次数、无因次数 就是雷诺准数，它表征惯性就是雷诺准数，它表征惯性力与粘滞力之比力与粘滞力之比 。w2、无因次数无因次数 称为弗诺得准数，它表征惯称为弗诺得准数，它表征惯性力与重力之比性力与重力之比 。w3、无因次数、无因次数 称为欧拉准数，它表征压力称为欧拉准数，它表征压力与惯性力之比。与惯性力之比。 w此外还有马赫数此外还有马赫数 等相似准数等相似准数vlReglvFr22pEuvavM 13相似第一定理相似第一定理：两个相似的物理过程，其对应的同：两个相似的物理过程，其对

10、应的同名相似准数相等名相似准数相等,即：即：mnReRe mmmnnnlvlvmmnnglvglv22mnFrFr 22nmnnmmppvvmnEuEu 14w相似第二定理：w不可压缩流体运动时，不计弹性力的作用，考虑不可压缩流体运动时，不计弹性力的作用，考虑惯性力惯性力、重力重力、粘性力粘性力、压力压力四个力的平衡关系，四个力的平衡关系，已知四个中的三个，第四个是唯一确定的，则四已知四个中的三个，第四个是唯一确定的，则四个力组成的三个相似准数是相互关联的，两个是个力组成的三个相似准数是相互关联的，两个是决定性相似准数，一个是被决定相似准数，通常决定性相似准数，一个是被决定相似准数，通常欧拉数

11、为被决定相似准数，有：欧拉数为被决定相似准数，有：Re),(FrfEu w就是说：如果两个不可压缩流动相似，只需要同就是说：如果两个不可压缩流动相似，只需要同时满足重力相似和粘性力相似两个相似准则即可。时满足重力相似和粘性力相似两个相似准则即可。15w相似第三定理：w两流动相似除要求相似准数相等外，还要求两流动相似除要求相似准数相等外，还要求单值单值性条件相似性条件相似。单值性条件相似包括几何相似，初。单值性条件相似包括几何相似，初始条件和边界条件相似。始条件和边界条件相似。w相似准数相等，意味流动方程有相同的通解，而相似准数相等，意味流动方程有相同的通解，而初始条件和边界条件相似则确定了方程

12、的特解。初始条件和边界条件相似则确定了方程的特解。1611-2-3方程和因次分析法方程和因次分析法w把物理量的属性（类别）称为因次或量纲把物理量的属性（类别）称为因次或量纲 ,一个正确的物一个正确的物理方程，其各项的量纲或因此应该是相同的，这就是理方程，其各项的量纲或因此应该是相同的，这就是量纲量纲和谐原理和谐原理。w根据量纲和谐原理，可以推求描述物理过程的方程或公式，根据量纲和谐原理，可以推求描述物理过程的方程或公式，这一过程称为这一过程称为因次分析。因次分析。w因次分析法有两种，一种称为瑞利法，适用于比较简单的因次分析法有两种，一种称为瑞利法，适用于比较简单的单项指数公式推求；另一种为单项

13、指数公式推求；另一种为 定理（或称定理（或称巴金汉法巴金汉法），），是一种更具有普遍性的方法。是一种更具有普遍性的方法。w对某一流动问题，设影响该流动的物理量有对某一流动问题，设影响该流动的物理量有n个：个：w ；而在这些物理量中的基本因次为；而在这些物理量中的基本因次为m个，个，可以把这些量排列成可以把这些量排列成n-m个独立的无因次参数的函数关系：个独立的无因次参数的函数关系：w这一函数就是所要推求的新的物理方程，由基本物理量出这一函数就是所要推求的新的物理方程，由基本物理量出发，组合无量纲数是应用发，组合无量纲数是应用定理的关键。定理的关键。nxxx,210),(212mnf17例如有压

14、管流中的压强损失例如有压管流中的压强损失 ：w解解 根据实验，知道压强损失与管长根据实验，知道压强损失与管长l，管径，管径d，管壁粗糙，管壁粗糙度度K，流体运动粘性系数，密度，流体运动粘性系数，密度和平均流速和平均流速v有关，即有关，即w取管径取管径 d, 平均流速平均流速 v , 密度密度 为基本物理量，其中几何为基本物理量，其中几何量量d （只含（只含L量纲的），运动量量纲的），运动量v （只含（只含T或含或含T，L的），的），动力量动力量 （含（含M量纲的）各一个。量纲的）各一个。),(vkdlfpw用用d、v、 对对 中的各项进行无中的各项进行无量纲化，得到量纲化，得到734个无量纲数

15、：个无量纲数：),(vkdlfp2kdplvdvd、 、 、w组合成新的函数关系：组合成新的函数关系：18式中函数的具体形式由实验确定。实验得知，压差式中函数的具体形式由实验确定。实验得知，压差p 与管长与管长l成正比，因此：成正比，因此：这样，我们运用这样，我们运用定理，结合实验，得到了大家熟知的管流沿程损失公式。定理，结合实验，得到了大家熟知的管流沿程损失公式。由分析过程可见，参数无量纲化是关键，应给予充分的由分析过程可见，参数无量纲化是关键，应给予充分的重视，有时可以用单位分析来进行无量纲化。重视，有时可以用单位分析来进行无量纲化。19 w11-2-4流体力学模型研究方法流体力学模型研究

16、方法 1、模型律的选择：、模型律的选择： 为了使模型和原型流动完全相似，除要几何相似外，各为了使模型和原型流动完全相似，除要几何相似外，各独立的相似准数应同时满足。但实际上要同时满足各准数很独立的相似准数应同时满足。但实际上要同时满足各准数很困难，甚至是不可能的，一般只能达到近似相似，就是保证困难，甚至是不可能的，一般只能达到近似相似，就是保证对流动起重要作用的力相似对流动起重要作用的力相似。如有压管流，粘滞力起主要作。如有压管流，粘滞力起主要作用，应按雷诺准数设计模型；在大多明渠流动中，重力起主用，应按雷诺准数设计模型；在大多明渠流动中，重力起主要作用，应按弗诺得准数设计模型。要作用，应按弗

17、诺得准数设计模型。 2、模型设计：、模型设计： 进行模型设计，通常先根据实验场地、模型制作和测量进行模型设计，通常先根据实验场地、模型制作和测量条件定出长度比尺；再以选定的比尺缩小原型的几何尺寸，条件定出长度比尺；再以选定的比尺缩小原型的几何尺寸，得出模型的几何边界；根据对流动受力情况的分析，满足对得出模型的几何边界；根据对流动受力情况的分析，满足对流动起主要作用的力相似，选择模型律；最后按选用的模型流动起主要作用的力相似，选择模型律；最后按选用的模型律，确定流速比尺及模型的流量。律，确定流速比尺及模型的流量。 20 w11-2-5实验数据处理方法实验数据处理方法 w模型实验的数据处理，主要是

18、根据实验时所选定的模型律，模型实验的数据处理，主要是根据实验时所选定的模型律，将模型实验获得的速度、压强、流量等实验数据换算成原将模型实验获得的速度、压强、流量等实验数据换算成原型的相应数据。型的相应数据。w例：管流阻力实验，模型比尺为例：管流阻力实验，模型比尺为5，原型模型介质相同，若，原型模型介质相同，若测出模型的压差为测出模型的压差为50Kpa，求原型的压差。，求原型的压差。w解：根据雷诺模型律：解：根据雷诺模型律：w 又：又： mmmnnnlvlvnmnv1v5mll22nmnnmmppvv2222150225nnnnmmmmmvvpppKPavv21w11-3-1层流与紊流现象层流与

19、紊流现象w11-3-2流动阻力分类流动阻力分类w11-3-3圆管中层流与紊流的速度分布圆管中层流与紊流的速度分布w11-3-4层流与紊流沿程阻力系数的计算层流与紊流沿程阻力系数的计算w11-3-5局部阻力产生的原因和计算方法局部阻力产生的原因和计算方法w11-3-6减少（局部）阻力的措施减少（局部）阻力的措施w11-3流动阻力和能量损失流动阻力和能量损失22w11-3-1层流与紊流现象层流与紊流现象层流层流为各层质点互不掺混分层有规则的流动。为各层质点互不掺混分层有规则的流动。紊流紊流为流体质点互相强烈掺混运动极不规则的流动。为流体质点互相强烈掺混运动极不规则的流动。流态的判别条件是流态的判别

20、条件是 层流：层流： 紊流：紊流： 2000Revd2000Revdw5004RevdRvReRv 时4deR23w流动阻力分为沿程阻力和局部阻力：流动阻力分为沿程阻力和局部阻力：w11-3-2流动阻力分类流动阻力分类lfjhhh2222242fl vl vlvhdgdegRggvhj2224w层流：层流：圆管中层流断面流速分布是以管中心线圆管中层流断面流速分布是以管中心线为轴的旋转抛物面为轴的旋转抛物面 w11-3-3圆管中层流与紊流的速度分布圆管中层流与紊流的速度分布)(4220rrJumax21uv Re6425w层流总结：层流总结：w11-3-3圆管中层流与紊流的速度分布圆管中层流与紊

21、流的速度分布w断面平均流速是最大流速的断面平均流速是最大流速的1/2；w动能修正系数动能修正系数2w动量修正系数动量修正系数1.33w沿程损失系数只是沿程损失系数只是Re数的函数而与管道数的函数而与管道粗糙程度无关：粗糙程度无关：26w紊流：紊流：w对于圆管紊流，可以从理论上证明断面上流速分对于圆管紊流，可以从理论上证明断面上流速分布是对数型的布是对数型的 ：cyuln10式中式中为卡门通用系数由实验确定，为卡门通用系数由实验确定，y为点到管壁的距离，为点到管壁的距离，C为为积分常数。积分常数。27w11-3-4层流与紊流沿程阻力系数的计算层流与紊流沿程阻力系数的计算164(Re)Ref根据尼

22、古拉兹实验沿程阻力系数随雷诺数和粗糙度的根据尼古拉兹实验沿程阻力系数随雷诺数和粗糙度的变化，划分为五个区：变化，划分为五个区：I、层流区、层流区 II、临界过渡区、临界过渡区 (Re)2f III、紊流光滑区、紊流光滑区 30.250.3164(Re)RefIV、紊流过渡区、紊流过渡区 )(Re,4dKf V、紊流粗糙区、紊流粗糙区(阻力平方区阻力平方区) )(5dKf28w 尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线29光滑区的布拉修斯公式光滑区的布拉修斯公式 25. 0Re3164. 0粗糙区的希弗林松公式粗糙区的希弗林松公式 25. 0)(11. 0dk柯列勃洛克公式（光滑、过渡、粗糙均适用）柯列

23、勃洛克公式（光滑、过渡、粗糙均适用）)Re51. 27 . 3lg(21dk阿里特苏里公式（光滑、过渡、粗糙均适用）阿里特苏里公式（光滑、过渡、粗糙均适用）25. 0)Re68(11. 0dk 常用计算公式常用计算公式 ： 30莫迪图 31w11-3-5局部阻力产生的原因和计算方法局部阻力产生的原因和计算方法w局部阻力产生的原因主要是由于固体边界断面的尺寸、形局部阻力产生的原因主要是由于固体边界断面的尺寸、形状、流动方向的改变而造成局部流速分布的重新组合，形成状、流动方向的改变而造成局部流速分布的重新组合，形成漩涡，从而加大了局部的机械能消耗。漩涡，从而加大了局部的机械能消耗。32w局部阻力局

24、部阻力计算方法计算方法2j2vhggvAAgvAAhj21212221221221突然扩大突然扩大22111AA212()2jvvhg突然缩小突然缩小22210.5 12jAvhAg2210.5 1AA建议记忆流速大的对应的系数两个特殊情况：两个特殊情况：淹没出流，管道进口 1 0.533w1、流线或锥形管道进口、流线或锥形管道进口w2、渐扩（缩）或阶梯扩（缩）代替突扩（缩）、渐扩（缩）或阶梯扩（缩）代替突扩（缩）w3、加大弯管转弯半径、加大弯管转弯半径w4、导叶弯管减小二次流、导叶弯管减小二次流w5、顺流三通或、顺流三通或TY三通或切割折角三通三通或切割折角三通w6、先扩后弯或先弯后缩、先扩

25、后弯或先弯后缩w11-3-6减少局部阻力的措施减少局部阻力的措施34w11-4-1 简单管路的计算简单管路的计算w11-4-2 串联管路的计算串联管路的计算w11-4-3并联管路的计算并联管路的计算w11-4管道计算管道计算35w所谓简单管路就是具有相同管径所谓简单管路就是具有相同管径d，相同流量，相同流量Q的管段，的管段，它是组成各种复杂管路的基本单元它是组成各种复杂管路的基本单元 11-4-1简单管路的计算简单管路的计算2428QgddlH5242/8msgddlSH2HHSQw液体情况液体情况36气体情况：气体情况：2QSHpH428ddlSSHp2ppSQS称为管路阻抗，在阻力平方区，

26、称为管路阻抗，在阻力平方区，S 不随流不随流速的变化而变化，认为是常数速的变化而变化，认为是常数37气体情况：气体情况：2QSHpH428ddlSSHp2ppSQS称为管路阻抗，在阻力平方区，称为管路阻抗，在阻力平方区，S 不随流不随流速的变化而变化，认为是常数速的变化而变化，认为是常数38 虹吸管虹吸管即管道中一部分高出上游供水液面的简单管路。即管道中一部分高出上游供水液面的简单管路。因为虹吸管中存在真空区段，有气化问题。为了保证虹吸因为虹吸管中存在真空区段，有气化问题。为了保证虹吸管正常流动，必须限定管中最大真空高度不得超过允许值管正常流动，必须限定管中最大真空高度不得超过允许值hv=78

27、.5m3911-4-2串联管路的计算串联管路的计算串联管路串联管路是两条或两条以上是两条或两条以上简单管路首尾相接组合而成简单管路首尾相接组合而成 。管段相接之点称为管段相接之点称为节点节点。水力特征水力特征：如各节点没有流量流出则如各节点没有流量流出则各各管段流量相等：管段流量相等：各管段损失之和为总损失：各管段损失之和为总损失： 321QQQ23322221132131QSQSQShhhhllll321SSSS4011-4-3并联管路的计算并联管路的计算w并联管路并联管路是两条或是两条或两条以上简单管路两条以上简单管路首首相连尾尾相连首首相连尾尾相连而成而成 。水力特征水力特征： 总流量等

28、于各支管总流量等于各支管的流量之和的流量之和 321QQQQ各支管的水头损失相等，等于总损失各支管的水头损失相等，等于总损失blalllhhhh32141w得到总阻抗公式：得到总阻抗公式：3211111SSSSw各管段的流量关系：各管段的流量关系：1212111:.:.:nnQQQSSS42w11-5-1势函数和流函数概念势函数和流函数概念w11-5-2简单流动分析简单流动分析w11-5-3圆柱形测速管原理圆柱形测速管原理w11-5-4旋转气流性质旋转气流性质w11-5-5紊流射流的一般特性紊流射流的一般特性w11-5-6特殊射流特殊射流w11-5特定流动分析与射流特定流动分析与射流43w为无

29、旋流动，也为无旋流动，也称为有势流动，称为有势流动，简称简称势流势流w11-5-1势函数和流函数概念势函数和流函数概念021021021yuxuxuzuzuyuxyzzxyyzx速度势函数速度势函数 与速度分量存在与速度分量存在如下关系：如下关系：dzudyudxuzyxdzyx),(dzzdyydxxdzuyuxuzyx44w不可压缩流体势流的速度势函数，满足不可压缩流体势流的速度势函数，满足拉普拉斯方程，是调和函数拉普拉斯方程，是调和函数 2222220 xyz对于不可压缩流体平面流动，存在流函数对于不可压缩流体平面流动，存在流函数),(yx。xuyuyx不可压缩流体平面无旋流动的流函数，

30、满足拉普拉斯方程，不可压缩流体平面无旋流动的流函数，满足拉普拉斯方程，也是调和函数也是调和函数 02222yx流函数等值线（即流线）和势函数流函数等值线（即流线）和势函数等值线（简称等势线）正交，构成等值线（简称等势线）正交，构成流网。流网。 45。w 一切不可压缩流体的一切不可压缩流体的平面平面流动，无论是有旋流动，无论是有旋流动或是无旋流动都存在流函数，但是，只流动或是无旋流动都存在流函数，但是，只有无旋流动才存在势函数。平面势流的流函有无旋流动才存在势函数。平面势流的流函数和势函数互为共轭函数。数和势函数互为共轭函数。 46w势流在数学上的一个非常有意义的性质，是势流的可叠势流在数学上的

31、一个非常有意义的性质，是势流的可叠加性，新流动的流函数为原来流函数的代数和。加性，新流动的流函数为原来流函数的代数和。w偶极流与匀速直线流的叠加就形成绕圆柱体的流动，叠偶极流与匀速直线流的叠加就形成绕圆柱体的流动，叠加后的速度分量为：加后的速度分量为：w11-5-3圆柱形测速管原理圆柱形测速管原理cos)1 (220rRvrursin)1 (220rRvru在轮廓线上：在轮廓线上： sin200vuur47w圆柱形测速管原理圆柱形测速管原理在轮廓线上在轮廓线上/2处：处： 02uv 为来流速度的为来流速度的2倍倍利用这一关系可以制成圆柱形测速管：利用这一关系可以制成圆柱形测速管：在轮廓线上在轮

32、廓线上/6和和5/6处：处： 0uv sin20vvs00212vvvvCB0Av22022ABBABBBppvzzgvpzg4820()()2ABABvppzzg02()()ABABppvgzz如果如果B孔开在孔开在/2处怎么计算？处怎么计算？20(2)()()2ABABvppzzg012()()2ABABppvgzz()()ABABppzz的计算依旧是关键的计算依旧是关键49w 可将旋转射流的速度分解为三个分量：可将旋转射流的速度分解为三个分量：w(1)沿射流前进方向的轴向速度；沿射流前进方向的轴向速度；w(2)在横截面上沿半径方向的径向速度；在横截面上沿半径方向的径向速度；w(3)在横截

33、面上做圆周运动的切向速度在横截面上做圆周运动的切向速度 。w切向速度的存在或旋转是其基本特征，由于离心力的作用切向速度的存在或旋转是其基本特征，由于离心力的作用和一般射流相比其和一般射流相比其扩散速度快，射程短，紊动性强，中心扩散速度快，射程短，紊动性强，中心区域有回流。区域有回流。w由于切向速度、径向速度沿半径方向上分布不均匀，使得由于切向速度、径向速度沿半径方向上分布不均匀，使得沿半径方向上静压强分布也不均匀，则对于周围介质的静沿半径方向上静压强分布也不均匀，则对于周围介质的静压差也不相等。这与轴对称圆断面自由射流是不同的。压差也不相等。这与轴对称圆断面自由射流是不同的。50w 气体自孔口

34、、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气体淹没射气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，称为气体淹没射流。简称为气体射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流流。简称为气体射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流射流。出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射射流。出流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射流，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流。流，又称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流。w11-5-5紊流射流的一般特性紊流射流的一般特性51w 1、射流结构：过流断面、起始段及主体段、射流结构：过流断面、起始段及主体段w 2

35、、几何特征：射流按一定的扩散角向前作扩散运动，这就、几何特征：射流按一定的扩散角向前作扩散运动，这就是它的几何特征，圆断面射流射流半径沿射程的变化规律：是它的几何特征，圆断面射流射流半径沿射程的变化规律： 147. 08 . 600dasdDw 3、运动特征：用半经验公式表示射流各横截面上的无因次、运动特征：用半经验公式表示射流各横截面上的无因次速度分布速度分布 ：25 . 11Ryvvmw 4、动力特征：沿程动量守恒、动力特征：沿程动量守恒w计算可参照表格数据和公式计算可参照表格数据和公式52w11-5-6特殊射流特殊射流w 1 温差或浓差射流温差或浓差射流：温差、浓差射流就是射流本身的温：

36、温差、浓差射流就是射流本身的温度或浓度与周围气体的温度、浓度有差异。射流是质量交度或浓度与周围气体的温度、浓度有差异。射流是质量交换，热量交换，浓度交换的过程。而在这些交换中，由于换，热量交换，浓度交换的过程。而在这些交换中，由于热量扩散比动量扩散要快些，因此温度边界层比速度边界热量扩散比动量扩散要快些，因此温度边界层比速度边界层发展要快些厚些。层发展要快些厚些。53w 3有限空间射流有限空间射流 ：由于房间边壁限制了射流边界层的发展：由于房间边壁限制了射流边界层的发展扩散，射流半径及流量不是一直增加，增大到一定程度后扩散，射流半径及流量不是一直增加，增大到一定程度后反而逐渐减小，使其边界线呈

37、橄榄形，如图反而逐渐减小，使其边界线呈橄榄形，如图 w橄榄形的边界外部橄榄形的边界外部与固体边壁间形成与固体边壁间形成与射流方向相反的与射流方向相反的回流区，于是流线回流区，于是流线呈闭合状。这些闭呈闭合状。这些闭合流线环绕的中心，合流线环绕的中心，就是射流与回流共就是射流与回流共同形成的旋涡中心。同形成的旋涡中心。w贴附射流贴附射流：射流喷：射流喷w口比较靠近固体边界时会出现射流的贴附现象。贴附射流口比较靠近固体边界时会出现射流的贴附现象。贴附射流可以看成是完整射流的一半，规律相同。可以看成是完整射流的一半，规律相同。54w11-6-1压力波传播和音速概念压力波传播和音速概念w11-6-2可

38、压缩流体一元稳定流动的基本方程可压缩流体一元稳定流动的基本方程w11-6-3渐缩喷管与拉伐尔管的特点渐缩喷管与拉伐尔管的特点w11-6-5实际喷管的性能实际喷管的性能w11-6气体动力学气体动力学55 音波传播速度很快，在传播过程中与外界来不及进行音波传播速度很快，在传播过程中与外界来不及进行热量交换，且忽略切应力作用，无能量损失。所以整个传热量交换，且忽略切应力作用，无能量损失。所以整个传播过程可作为等熵过程。播过程可作为等熵过程。 应用气体等熵过程方程式，应用气体等熵过程方程式， ，得到，得到气体中音速气体中音速公式公式: :cpkkRTpkddpc 其中其中k为定压比热与定容比热之比为定

39、压比热与定容比热之比 。 气流某断面的流速，设想以无摩擦绝热过程降低至气流某断面的流速，设想以无摩擦绝热过程降低至零时，断面各参数所达到的值，称为气流在该断面的滞零时，断面各参数所达到的值，称为气流在该断面的滞止参数。滞止参数以下标止参数。滞止参数以下标“0”表示。例如表示。例如 等相应地称为滞止压强、滞止密度、滞止温度、滞止焓等相应地称为滞止压强、滞止密度、滞止温度、滞止焓值、滞止音速值、滞止音速 。00000,ciTp56w(1)等熵流动中，各断面滞止参数不变，其中等熵流动中，各断面滞止参数不变，其中 反映了包括热能在内的气流全部能量。反映了包括热能在内的气流全部能量。w(2)等熵流动中，

40、气流速度若沿流增大，则气流温度、等熵流动中，气流速度若沿流增大，则气流温度、焓、音速，沿程降低。焓、音速，沿程降低。w(3)由于当地气流速度的存在，同一气流中当地音速永由于当地气流速度的存在，同一气流中当地音速永远小于滞止音速，气流中最大音速是滞止时的音速。远小于滞止音速，气流中最大音速是滞止时的音速。w马赫数马赫数为当地速度与该点当地音速的比值：为当地速度与该点当地音速的比值：w 即气流本身速度大于音速，则气流中参即气流本身速度大于音速，则气流中参数的变化不能向上游传播，这就是数的变化不能向上游传播，这就是超音速流动超音速流动。w 气流本身速度小于音速，则气流中参数气流本身速度小于音速，则气

41、流中参数的变化能够各向传播，这就是的变化能够各向传播，这就是亚音速流动亚音速流动。 w马赫数马赫数M是气体动力学中一个重要无因次数，它反映是气体动力学中一个重要无因次数，它反映惯性力与弹性力的相对比值，是确定气体流动状态的惯性力与弹性力的相对比值，是确定气体流动状态的准数。准数。cvM cvM , 1cvM , 1000,ciT57w气体一元流动微分形式的伯努利方程：气体一元流动微分形式的伯努利方程：w定容流动定容流动w等温流动等温流动w绝热流动绝热流动 w其中其中k为定压比热与定容比热之比为定压比热与定容比热之比 w11-6-2可压缩流体一元稳定流动的基本方程可压缩流体一元稳定流动的基本方程

42、0)2(2vddp c，cgvp22 cT cvpRT2ln2221212kpvkvRTckkcpk58 绝热过程中，单位质量流体所具有的内能：绝热过程中，单位质量流体所具有的内能：w绝热过程的全能方程式：绝热过程的全能方程式：w用焓用焓 表示的全能方程式：表示的全能方程式：w空气的绝热指数空气的绝热指数k1.4，气体常数，气体常数wR287J/kg K ， 1VkpucTk22pvuc22vicpiu59 气体连续性运动方程：气体连续性运动方程：w断面断面A与气流速度与气流速度v间的关系间的关系 ， 0AdAdvdvvdvMAdA) 1(2w1、 M 1时为时为亚音速亚音速，A增大增大v减小

43、，与不可压减小，与不可压缩时情况缩时情况相同相同；w2、 M 1时为时为超音速超音速，A增大增大v增大，与不可压增大，与不可压缩时情况缩时情况不同不同； 3、 M1为临界状态，气为临界状态，气体达到临界状态的断面，体达到临界状态的断面，称为称为临界断面，临界断面，临界断面临界断面只能是只能是最小断面最小断面。60w 为了得到超音速气为了得到超音速气流，可使亚音速气流流流，可使亚音速气流流经收缩管，并使其在最经收缩管，并使其在最小断面上达到音速，然小断面上达到音速，然后再进入扩张管，满足后再进入扩张管，满足气流的进一步膨胀增速，气流的进一步膨胀增速，便可获得超音速气流。便可获得超音速气流。这就确

44、定了从亚音速获这就确定了从亚音速获得超音速的喷管形状，得超音速的喷管形状，见图，此种喷管称为拉见图，此种喷管称为拉伐尔喷管伐尔喷管 。管断面面积、。管断面面积、压力、流速的变化规律压力、流速的变化规律如图。如图。w w11-6-3渐缩喷管与拉伐尔管的特点渐缩喷管与拉伐尔管的特点61w喷管中各参数的变化规律喷管中各参数的变化规律62w11-6-4实际喷管的性能实际喷管的性能63w11-7-1泵与风机的运行曲线泵与风机的运行曲线w11-7-2网络系统中泵与风机的工作点网络系统中泵与风机的工作点w11-7-3离心式泵与风机的工况调节离心式泵与风机的工况调节w11-7-4离心式泵与风机的选择离心式泵与

45、风机的选择w11-7-5气蚀气蚀 安装要求安装要求w11-7泵与风机与网络系统的匹配泵与风机与网络系统的匹配64w11-7-1泵与风机的运行曲线泵与风机的运行曲线 由于泵和风机的扬程、流量以及所需的功率等性能是由于泵和风机的扬程、流量以及所需的功率等性能是互相影响的，所以通常用以下三种形式来表示这些性能互相影响的，所以通常用以下三种形式来表示这些性能之间的关系：之间的关系： 1、泵或风机所提供的流量和扬程之间的关系，、泵或风机所提供的流量和扬程之间的关系，用用 来表示；来表示；2、泵或风机所提供的流量和所需外加轴功率之间的关、泵或风机所提供的流量和所需外加轴功率之间的关系，用系，用 来表示。来

46、表示。3、泵或风机所提供的流量与设备本身效率之间的关系，、泵或风机所提供的流量与设备本身效率之间的关系，用用 来表示；来表示； 上述三种关系常以曲线形式绘在以流量上述三种关系常以曲线形式绘在以流量Q为横坐标为横坐标的图上。这些曲线叫做性能曲线。的图上。这些曲线叫做性能曲线。)(1QfH )(2QfN )(3Qf65w泵与风机的性能参数及有关概念泵与风机的性能参数及有关概念 w水泵扬程水泵扬程H：单位重量的水通过水泵获得的机械能增量。：单位重量的水通过水泵获得的机械能增量。w风机全压风机全压p：以压强表示的，单位重量的气体通过风机获得：以压强表示的，单位重量的气体通过风机获得的机械能增量。的机械

47、能增量。w体积流量体积流量Q：单位时间里泵或风机输送流体的体积。：单位时间里泵或风机输送流体的体积。w功率功率Ne，N:单位时间内流体从泵或风机所获得的机械能称单位时间内流体从泵或风机所获得的机械能称为为有效功率有效功率；单位时间内原动机给泵或风机的机械能称为；单位时间内原动机给泵或风机的机械能称为轴轴功率功率。w效率效率：有效功率占轴功率的百分比称为效率。：有效功率占轴功率的百分比称为效率。NeQHNepQ（泵） （风机） 22221121()()22pvpvHzzggpHNeN66w泵的扬程计算泵的扬程计算w1、读表、读表22221121()()22pvpvHzzggw2、向水箱供水：、向

48、水箱供水：w 单位重量水的机械能的增量，加上管路总损失单位重量水的机械能的增量，加上管路总损失w3、闭合管路、闭合管路2HHSQ67w机器内的各种损失机器内的各种损失 w泵或风机损失可分为流动水力损失泵或风机损失可分为流动水力损失(降低实际压力降低实际压力)，容，容积损失积损失(减少流量减少流量)，机械损失。，机械损失。w1水力损失水力损失，主要包括进口损失，撞击损失，叶轮中的，主要包括进口损失，撞击损失，叶轮中的水力损失，动压转换和机壳出口损失。水力损失，动压转换和机壳出口损失。w2容积损失容积损失，由高压区泄漏回低压区的回流量。，由高压区泄漏回低压区的回流量。w3机械损失机械损失，泵和风机

49、的机械损失包括轴承和轴封的摩，泵和风机的机械损失包括轴承和轴封的摩擦损失，还包括叶轮转动时其外表与机壳内流体之间发擦损失，还包括叶轮转动时其外表与机壳内流体之间发生的所谓圆盘摩擦损失。生的所谓圆盘摩擦损失。mhvmTTeHQQHNN68w机器内的各种损失机器内的各种损失 w水力损失水力损失w各种损失各种损失w容积损失与圆盘损失容积损失与圆盘损失w其他机械损失其他机械损失69w性能曲线形成过程示意性能曲线形成过程示意 70w实际的性能曲线实际的性能曲线 71w性能曲线中性能曲线中HQ曲线最常用，因为它揭示了泵或风机的曲线最常用，因为它揭示了泵或风机的两个最重要、最有实用意义的性能参数之间的关系两

50、个最重要、最有实用意义的性能参数之间的关系 。通常。通常按照曲线的大致倾向可将其分为下列三种：按照曲线的大致倾向可将其分为下列三种：w(1)平坦型，平坦型，(2)陡降型，陡降型，(3)驼峰型。驼峰型。w有驼峰性能的泵或风机在一定的运行条件下可能出现不稳有驼峰性能的泵或风机在一定的运行条件下可能出现不稳定工作。这种不稳定工作，是应当避免的。定工作。这种不稳定工作，是应当避免的。w 性能曲线的性能曲线的作用作用主要是为设计选型和指导运行主要是为设计选型和指导运行w离心泵和风机一般应关阀门启动和停止。离心泵和风机一般应关阀门启动和停止。 72w11-7-2网络系统中泵与风机的工作点网络系统中泵与风机

51、的工作点 通常泵或风机是通常泵或风机是与一定的管路相连接与一定的管路相连接而工作的。一般情况而工作的。一般情况下，流体在管路中流下，流体在管路中流动时所消耗的能量，动时所消耗的能量，首先首先用于补偿用于补偿压差、压差、高差高差：112HHppZ73w其次其次是用来克服流体在管路中的流动阻力及是用来克服流体在管路中的流动阻力及由管道排出时的动压头：由管道排出时的动压头： 21SQh w扬程为上述两者之和：扬程为上述两者之和：21112SQHhHppHZw上述上述 方程描述的方程描述的HQ关关系做成管路系做成管路特性曲线，特性曲线，与与泵的特性曲线的交点即为泵的特性曲线的交点即为其其工作点工作点。

52、7475w泵与风机的不稳定工作泵与风机的不稳定工作dQdHdQdH机管为稳定工况点，为稳定工况点，反之，为不稳定反之，为不稳定工况点工况点 76w泵与风机的联合运行泵与风机的联合运行w泵与风机并联运行泵与风机并联运行77w泵与风机串联运行泵与风机串联运行78w泵与风机的串并联都最好是性能一致的机器泵与风机的串并联都最好是性能一致的机器之间进行，如果条件不允许，至少应该是流之间进行，如果条件不允许，至少应该是流量接近的串联，扬程接近的并联，否则会大量接近的串联，扬程接近的并联，否则会大大降低系统整体效率。大降低系统整体效率。79w工况调节就是改变工作点，从而改变流量。应从改变工况调节就是改变工作点，从而改变流量。应从改变机器性能曲线和改变管路性能曲线两个途径着手。机器性能曲线和改变管路性能曲线两个途径着手。w11-7-3离心式泵与风机的工况调节离心式泵与风机的工况调节一、改变管路性能曲线的调节方法一、改变管路性能曲线的调节方法1节流法：节流法：在泵在泵或风机转数不变或风机转数不变的情况下，只调的情况下，只调节管路阀门开度节管路阀门开度(节流节流)，人为地，