流體力學泵與風機課件PPT課件

1、2021-11-161 流體運動學研究流體的運動規(guī)律，如速度、加速度等運動參數的變化規(guī)律，而流體動力學則研究流體在外力作用下的運動規(guī)律，即流體的運動參數與所受力之間的關系。本部分主要介紹流體運動學和流體動力學的基本知識，學習流體力學中的幾個重要的基本方程：連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，這些方程是分析流體流動問題的基礎。第1頁/共72頁2021-11-162第一節(jié) 流體運動的一些基本概念 在討論流體運動的基本規(guī)律和基本方程之前，為了便于分析、研究問題，先介紹一些有關流體運動的基本概念。 一、定常流動和非定常流動 根據流體的流動參數是否隨時間而變化，可將流體的流動分為定常流動和非定常流動，現舉例

2、說明如下：如圖3-2所示裝置，將閥門A和B的開度調節(jié)到使水箱中的水位保持不變，則水箱和管道中任一點(如1點、2點和3點等)的流體質點的壓強和速度都不隨時間而變化，但由于1、2、3各點所處的空間位置不同，故其壓強和速度值也就各第2頁/共72頁2021-11-163 不相同。這時從管道中流出的射流形狀也不隨時間而變。這種運動流體中任一點的流體質點的流動參數(壓強和速度等)均不隨時間變化，而只隨空間點位置不同而變化的流動，稱為定常流動?，F將閥門A關小，則流入水箱的水量小于從閥門B流出的水量，水箱中的水位就逐漸下降，于是水箱和管道任一點流體質點的壓強和速度都逐漸減小，射流的形狀也逐漸向下彎曲。第3頁/

3、共72頁2021-11-164圖 3-2 流體的出流第4頁/共72頁2021-11-165二、流體流動分類 可以把流體流動分為三類： （1）有壓流動 總流的全部邊界受固體邊界的約束，即流體充滿流道，如壓力水管中的流動。 （2）無壓流動 總流邊界的一部分受固體邊界約束，另一部分與氣體接觸，形成自由液面，如明渠中的流動。 （3）射流 總流的全部邊界均無固體邊界約束，如噴嘴出口的流動。第5頁/共72頁2021-11-166 三、流量和平均流速 單位時間內通過有效截面的流體體積稱為體積流量，以qv表示。其單位為m3/s、m3/h等。 單位時間內通過有效截面的流體質量稱為質量流量,以qm表示，其單位為k

4、g/s、t/h等。 由于微元流束有效截面上各點的流速V是相等的，所以通過微元流束有效截面積為的體積流量dqv和質量流量dqm分別為： dqv=VdA (3-16) dqm=VdA (3-17)第6頁/共72頁2021-11-167圖 3-6 管內流動速度分布第7頁/共72頁2021-11-168 六、均勻流和非均勻流 根據流場中同一條流線各空間點上的流速是否相同，可將總流分為均勻流和非均勻流。若相同則稱為均勻流，j ),(i ),(xxvyxuV第8頁/共72頁2021-11-169圖 3-9 均勻流第9頁/共72頁2021-11-1610圖 3-10 非均勻流第10頁/共72頁2021-11

5、-1611急變流緩變流緩變流緩變流緩變流緩變流急變流急變流急變流急變流圖 3-11 緩變流和急變流第11頁/共72頁2021-11-1612第二節(jié) 流體流動的連續(xù)性方程 連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的應用。我們認為流體是連續(xù)介質，它在流動時連續(xù)地充滿整個流場。在這個前提下，當研究流體經過流場中某一任意指定的空間封閉曲面時，可以斷定：若在某一定時間內，流出的流體質量和流入的流體質量不相等時，則這封閉曲面內一定會有流體密度的變化，以便使流體仍然充滿整個封閉曲面內的空間；如果流體是不可壓縮的，則流出的流體質量必然等于流入的流體質量。第12頁/共72頁2021-11-1613 一、連續(xù)性方程

6、在工程上和自然界中，流體流動多數都是在某些周界所限定的空間內沿某一方向流動，即一維流動的問題，所謂一維流動是指流動參數僅在一個方向上有顯著的變化，而在其它兩個方向上的變化非常微小，可忽略不計。例如在管道中流動的流體就符合這個條件。第13頁/共72頁2021-11-1614。 對不可壓縮均質流體常數， 上式為不可壓縮流體一維定常流動的總流連續(xù)性方程。該式說明一維總流在定常流動條件下，沿流動方向的體積流量為一個常數，平均流速與有效截面面積成反比，即有效截面面積大的地方平均流速小，有效截面面積小的地方平均流速就大。 2211AVAV第14頁/共72頁2021-11-1615 【例3-6】 有一輸水管

7、道，如圖3-14所示。水自截面1-1流向截面2-2。測得截面1-1的水流平均流速 m/s，已知d1=0.5m， d2=1m，試求截面2-2處的平均流速 為多少？ 【解】 由式（3-33）得 (m/s)2V2V22221144dVdV5 . 015 . 02222112ddVV第15頁/共72頁2021-11-1616圖 3-14 輸水管道第16頁/共72頁2021-11-1617第三節(jié)伯努利（Bernoulli）方程 (3-42) 在特殊情況下，絕對靜止流體V=0，由式(3-41)可以得到靜力學基本方程 一、方程的物理意義和幾何意義 為了進一步理解理想流體微元流束的伯努利方程，現來敘述該方程的

8、物理意義和幾何意義。 1、物理意義 理想流體微元流束的伯努利方程式（3-41）中，左端常數gVgpz22第17頁/共72頁2021-11-1618 前兩項的物理意義，在靜力學中已有闡述，即第一項z表示單位重量流體所具有的位勢能；第二項p/(g)表示單位重量流體的壓強勢能；第三項V2/(2g)理解如下：由物理學可知，質量為m的物體以速度V運動時，所具有的動能為Mv2/2，則單位重量流體所具有的動能為V2/(2g)即(mV2/2)/(mg)= V2/(2g) 。所以該項的物理意義為單位重量流體具有的動能。位勢能、壓強勢能和動能之和稱為機械能。因此，伯努利方程可敘述為：理想不可壓縮流體在重力作用下作

9、定常流動時，沿同一流線（或微元流束）上各點的單位重量流體所具有的位勢能、壓強勢能和動能之和保持不變，即機械能是一常數，但位勢能、壓強勢能和動能三種能量之間可以相互轉換，所以伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種特殊表現形式。第18頁/共72頁2021-11-1619 2、幾何意義 理想流體微元流束的伯努利方程式（3-41）中，左端前兩項的幾何意義，同樣在靜力學中已有闡述，即第一項z表示單位重量流體的位置水頭，第二項p/(g)表示單位重量流體的壓強水頭，第三項V2/(2g)與前兩項一樣也具有長度的量綱。它表示所研究流體由于具有速度V，在無阻力的情況下，單位重量流體所能垂直上升的最大高度，稱之

10、為速度水頭。位置水頭、壓強水頭和速度水頭之和稱為總水頭。由于它們都表示某一高度，所以可用幾何圖形表示它們之間的關系，如圖3-16所示。 因此伯努利方程也可敘述為：理想不可壓縮流體在重力作用下作定常流動時，沿同一流線(或微元流束)上各點的單位重量流體所具有的位置水頭、壓強水頭和速度水頭之和保持不變，即總水頭是一常數。第19頁/共72頁2021-11-1620 二、伯努利方程應用時特別注意的幾個問題 伯努利方程是流體力學的基本方程之一，與連續(xù)性方程和流體靜力學方程聯立，可以全面地解決一維流動的流速(或流量)和壓強的計算問題，用這些方程求解一維流動問題時，應注意下面幾點：第20頁/共72頁2021-

11、11-1621 (1) 選好有效截面，選擇合適的有效截面，應包括問題中所求的參數，同時使已知參數盡可能多。通常對于從大容器流出，流入大氣或者從一個大容器流入另一個大容器，有效截面通常選在大容器的自由液面或者大氣出口截面，因為該有效截面的壓強為大氣壓強，對于大容器自由液面，速度可以視為零來處理。 (2) 選好基準面，基準面原則上可以選在任何位置，但選擇得當，可使解題大大簡化，通常選在管軸線的水平面或自由液面，要注意的是，基準面必須選為水平面。 (3) 求解流量時，一般要結合一維流動的連續(xù)性方程求解。伯努利方程的p1和p2應為同一度量單位，同為絕對壓強或者同為相對壓強，p1和p2的問題與靜力學中的

12、處理完第21頁/共72頁2021-11-1622 全相同。 (4) 有效截面上的參數，如速度、位置高度和壓強應為同一點的，絕對不許在式中取有效截面上點的壓強，又取同一有效截面上另一點的速度。 第22頁/共72頁2021-11-1623圖 3-22第23頁/共72頁2021-11-1624第四節(jié) 液體的空化和空蝕現象 一、空化（氣穴） 在標準大氣壓強下，水在100開始沸騰，稱為汽化；當大氣壓強降低時（如在高原地區(qū)），水將在低于100的溫度下開始沸騰汽化。這一現象表明：作用于水的絕對壓強較低時，水可在較低溫度下發(fā)生汽化。水在某一溫度發(fā)生汽化時的絕對壓強，稱為飽和蒸汽壓強，用pv表示。 由伯努利方程

13、可知，當總水頭一定時，水流中某一有效截面上的位置水頭和速度水頭很大時，其相應的絕對壓強就低，當壓強降低到空氣分離壓pg時，原先以氣核形式第24頁/共72頁2021-11-1625 （肉眼看不見）溶解在液體中的氣體便開始游離出來，膨脹形成小氣泡；當壓強繼續(xù)降低到液體在該溫度下的飽和壓強pv時，液體開始汽化，產生大量的小氣泡。并繼續(xù)產生更多的小氣泡。它們將匯集成較大的氣泡，泡內充滿著蒸汽和游離氣體。這種由于壓強降低而產生氣泡的現象稱為空化（氣穴）現象。空化現象同外界空氣摻入液體中形成的氣泡有本質區(qū)別，它是液體的相變（由液態(tài)轉化為汽態(tài)）現象。第25頁/共72頁2021-11-1626 二、空蝕（氣蝕

14、） 空化產生的氣泡被液流帶走。當液流流到下游高壓區(qū)時，氣泡內的蒸汽迅速凝結，氣泡突然潰滅。氣泡潰滅的時間很短，只有幾百分之一秒，而產生的沖擊力卻很大，氣泡潰滅處的局部壓強高達幾個甚至幾十兆帕，局部溫度也急劇上升。大量氣泡的連續(xù)潰滅將產生強烈的噪聲和振動，嚴重影響液體的正常流動和流體機械的正常工作；氣泡連續(xù)潰滅處的固體壁面也將在這種局部壓強和局部溫度的反復作用下發(fā)生剝蝕，這種現象稱為空蝕（氣蝕）。剝蝕嚴重的流體機械將無法繼續(xù)工作。空蝕機理是尚在研究中的問題。主要說法有二：認為氣泡突然潰滅時，周圍第26頁/共72頁2021-11-1627 的流體快速沖向氣泡空間，它們的動量在極短的時間內變?yōu)榱?，?/p>

15、而產生很大的沖擊力，該沖擊力反復作用在壁面上，形成剝蝕；認為氣泡在高壓區(qū)突然潰滅時，將產生壓強沖擊波，此沖擊波反復作用在壁面上，形成剝蝕。很可能這兩種情況都存在。第27頁/共72頁2021-11-1628為流體提供機械能的機械設備統稱為流體輸送機械。分類流體輸送機械壓縮機、真空泵通風機、鼓風機氣體壓送機械泵液體輸送機械離心式；往復式；旋轉式；流體作用式。按工作原理：按輸送介質：第二章 泵與風機第28頁/共72頁2021-11-1629離心泵第29頁/共72頁2021-11-1630離離 心心 泵泵 的的 工工 作作 原原 理理離心泵結構： 高速旋轉的葉輪和固定的泵殼，葉輪上裝有若干葉片，葉輪將

16、輸入的軸功提供給液體。 液體隨葉輪旋轉在離心力作用下沿葉片間通道向外緣運動，速度增加、機械能提高。液體離開葉輪進入蝸殼，蝸殼流道逐漸擴大、 流體速度減慢，液體動能轉換為靜壓能，壓強不斷升高，最后沿切向流出蝸殼通過排出導管輸入管路系統。離心泵工作原理：第30頁/共72頁2021-11-1631離心泵裝置簡圖第31頁/共72頁2021-11-1632吸上原理與氣縛現象原動機 ： 軸 葉輪，旋轉離心力中心動能高速離開葉輪外圍靜壓能葉片間液體: 液體被做功吸上原理：第32頁/共72頁2021-11-1633 如果離心泵在啟動前殼內充滿的是氣體，則啟動后葉輪中心氣體被拋時不能在該處形成足夠大的真空度，這

17、樣槽內液體便不能被吸上。這一現象稱為氣縛。 葉輪泵殼泵軸吸入口底閥濾網調節(jié)閥排出口吸入管排出管氣縛現象：第33頁/共72頁2021-11-1634主要部件（1）葉輪 葉片（+蓋板）612個葉片（前彎、后彎，徑向）液體通道。閉式葉輪：前蓋板、后蓋板半開式： 后蓋板開式： 無蓋板第34頁/共72頁2021-11-1635平衡孔：消除軸向推力第35頁/共72頁2021-11-1636截面積逐漸擴大的蝸牛殼形通道 液體入口 中心（2）泵殼：泵體的外殼，包圍葉輪出口 切線作用： 匯集液體，并導出液體； 能量轉換裝置第36頁/共72頁2021-11-1637（3）泵軸：垂直葉輪面，穿過葉輪中心 軸封：旋轉

18、的泵軸與固定的泵殼之間的密封。作用：防止高壓液體沿軸漏出或外界空氣漏入。 機械密封填料密封第37頁/共72頁2021-11-1638填料密封1填料套；2填料環(huán)；3填料；4填料壓蓋；5長扣雙頭螺栓；6螺母填料：采用浸油或涂石墨的石棉繩。結構簡單，但功率消耗大，且有一定程度的泄漏。 第38頁/共72頁2021-11-1639（4 4）導輪的作用 減少能量損失第39頁/共72頁2021-11-1640流量V m3/s壓頭H mH2o軸功率N kW效率%離心泵的特性曲線性能參數： HV曲線 NV曲線 V曲線 離心泵的特性曲線由制造廠附于產品樣本中，是指導正確選擇和操作離心泵的主要依據。特性曲線：020

19、40608010012014004812162024283236010203040506070809004812n=2900r/minIS00-80-160B 離心泵 H mQ/ m3/h % N kW第40頁/共72頁2021-11-1641 離心泵的壓頭H又稱揚程，是指泵對單位重量的流體所能提供的機械能J/N，單位為m。因此HV曲線代表離心泵所提供的能量與流量的關系，離心泵壓頭H隨流量V增加而下降。有效功率與軸功率的比值為離心泵的效率HVHV曲線NVNV曲線與 VV曲線離心泵的軸功率N是指電機輸入到泵軸的功率。流體從泵獲得的實際功率為泵的有效功率Ne，由泵的流量和揚程求得在真空表和壓力表之

20、間列柏努利方程：22121022vMfpupuzHhHgggg222102MvfppuuHhHgg0MvppHhgeH VgNeHVgNNN第41頁/共72頁2021-11-1642容積損失：一部份已獲得能量的高壓液體由葉輪出口處通過葉輪與泵殼間的縫隙或從平衡孔漏返回到葉輪入口處的低壓區(qū)造成的能量損失。水力損失：進入離心泵的粘性液體產生的摩擦阻力、局部阻力以及液體在泵殼中由沖擊而造成的能量損失。機械損失：泵軸與軸承之間、泵軸與密封填料之間等產生的機械摩擦造成的能量損失。設計點：效率曲線最高點稱為設計點，設計點對應的流量、壓頭和軸功率稱為額定流量、額定壓頭和額定軸功率，標注在泵的銘牌上。一般將最

21、高效率值的92%的范圍稱為泵的高效區(qū)，泵應盡量在該范圍內操作。泵的啟動：泵的軸功率隨輸送流量的增加而增大，流量為零時，軸功率最小。因此關閉出口閥啟動離心泵，啟動電流最小。 反映離心泵能量損失，包括：第42頁/共72頁2021-11-1643特性曲線的變換液體粘度的影響 液體粘度改變，HV、NV、V曲線都將隨之而變。液體密度的影響 離心泵的理論流量和理論壓頭與液體密度無關，HV曲線不隨液體密度而變，V曲線也不隨液體密度而變。 軸功率則隨液體密度的增加而增加。 離心泵啟動時一定應在泵體和吸入管路內充滿液體，否則將發(fā)生“氣縛” 現象。 特性曲線是制造廠用20清水在一定轉速下實驗測定的。若輸送液體性質

22、與此相差較大，泵特性曲線將發(fā)生變化，應加以修正，使之變換為符合輸送液體性質的新特性曲線。第43頁/共72頁2021-11-1644解：與泵的特性曲線相關的性能參數有泵的轉速n、流量V、壓頭H、軸功率N和效率。其中流量和軸功率已由實驗直接測出，壓頭和效率則需進行計算。以真空表和壓力表兩測點為1，2截面，對單位重量流體列柏努力方程，有例： 用清水測定某離心泵的特性曲線，實驗裝置如附圖所示。當調節(jié)出口閥使管路流量為25m3/h時，泵出口處壓力表讀數為0.28MPa（表壓），泵入口處真空表讀數為0.025MPa，測得泵的軸功率為3.35kW，電機轉速為2900轉/分，真空表與壓力表測壓截面的垂直距離為

23、0.5m。試由該組實驗測定數據確定出與泵的特性曲線相關的其它性能參數。 1z2z真空表壓力表第44頁/共72頁2021-11-1645工作流量下泵有效功率為泵軸功率為代入數據222121211 22fppuuHHzzgg 6212120.280.025100.531.6mH O1000 9.81ppHzzg%2 .6435. 315. 2NNe第45頁/共72頁2021-11-1646離心泵的工作點 當泵安裝在一定管路系統中的離心泵工作時，泵輸出的流量即為管路流量、泵提供的壓頭即為管路所要求的壓頭。泵的特性曲線與管路特性曲線有一交點a點，該交點稱為離心泵的工作點。第46頁/共72頁2021-1

24、1-1647離心泵的流量調節(jié) 改變泵的特性 改變管路特性（1）改變出口閥開度-管路特性關小出口閥 le H ， qV 管特線變陡 工作點左上移開大出口閥 le H ， qV 管特線變緩 工作點右下移改變流量 改變工作點改變流量第47頁/共72頁2021-11-1648n泵H- qV曲線上移 工作點右上移， H ， qV （2）改變葉輪轉速- 改變泵的特性第48頁/共72頁2021-11-1649離心泵的并聯和串聯 離心泵串聯操作時，泵送流量相同，泵組的揚程為該流量下各泵的揚程之和。離心泵串連工作時的合成特性曲線。 離心泵并聯操作時，泵在同一壓頭下工作，泵組的流量為該壓頭下各泵對應的流量之和。據

25、此，并聯離心泵組的H-V特性曲線。 離心泵并聯和串聯，將組合安裝的離心泵視為一個泵組，泵組的特性曲線或稱合成特性曲線，據此確定泵組工作點。第49頁/共72頁2021-11-1650離心泵并聯 同一壓頭下，并聯泵的流量為單泵流量的兩倍，據此作出合成特性曲線 并聯泵的流量大于一臺單泵的流量，小于兩臺單泵的流量 雙并單VVVHV并V單HV并V單V雙合成特性曲線合成特性曲線第50頁/共72頁2021-11-1651離心泵串聯 同一流量下，串聯泵的壓頭為單泵壓頭的兩倍，據此作出串聯泵合成特性曲線 串聯泵的流量大于一臺單泵的流量，小于兩臺單泵的流量雙并單VVVV1V2V12III1H2HLHHHV串LHV

26、H V0第51頁/共72頁2021-11-1652并串聯的選擇高阻管路：串聯泵低阻管路：并聯泵低阻管路高阻管路Q串Q并Q串Q并第52頁/共72頁2021-11-1653離心泵的氣蝕現象與安裝高度 從整個吸入管路到泵的吸入口直至葉輪內緣，液體的壓強是不斷降低的。研究表明，葉輪內緣處的葉片背側是泵內壓強最低點。Hg11KK00p020112gfppuHHggg第53頁/共72頁2021-11-1654 汽蝕現象： 當泵內某點的壓強低至液體飽和蒸汽壓時部分液體將汽化，產生的汽泡被液流帶入葉輪內壓力較高處再凝聚。由于凝聚點處產生瞬間真空，造成周圍液體高速沖擊該點，產生劇烈的水擊。瞬間壓力可高達數十個M

27、Pa，眾多的水擊點上水擊頻率可高達數十kHz，且水擊能量瞬時轉化為熱量，水擊點局部瞬時溫度可達230以上。癥狀： 噪聲大、泵體振動，流量、壓頭、效率都明顯下降。后果： 高頻沖擊加之高溫腐蝕同時作用使葉片表面產生一個個凹穴，嚴重時成海綿狀而迅速破壞。防止措施： 把離心泵安裝在恰當的高度位置上，確保泵內壓強最低點處的靜壓超過工作溫度下被輸送液體的飽和蒸汽壓 pv。第54頁/共72頁2021-11-1655 清水泵物理化學性質類似于水的介質。清水泵有若干系列。最簡單的為單級單吸式，系列代號為“IS”，結構簡圖如圖，若需要的揚程較高，則可選D系列多級離心泵。若需要流量很大，則可選用雙吸式離心泵，其系列

28、代號為“Sh” 。 離心泵的類型與選用離心泵的類型清水泵第55頁/共72頁2021-11-16561-泵體；2-泵蓋；3-葉輪；4-軸；5-密封環(huán)；6-葉輪螺母；7-止動墊圈；8-軸蓋；9-填料壓蓋；10-填料環(huán)；11-填料；12-懸架軸承部件 第56頁/共72頁2021-11-1657耐腐蝕泵 輸送腐蝕性流體用耐腐蝕泵。耐腐蝕泵所有與流體介質接觸的部件都采用耐腐蝕材料制作。離心耐腐蝕泵有多種系列，其中常用的系列代號為F。油泵 油泵用于輸送石油及油類產品，油泵系列代號為Y。因油類液體具有易燃、易爆的特點，因此對此類泵密封性能要求較高。輸送200以上的熱油時，還需設冷卻裝置。液下泵 液下泵是一種

29、立式離心泵，整個泵體浸入在被輸送的液體貯槽內，通過一根長軸，由安放在液面上的電機帶動。第57頁/共72頁2021-11-1658離心泵的運行運行前準備工作：（1）檢查泵出、入口管線上的閥門、法蘭地腳螺栓、聯軸器、溫度計和壓力表等。（2）檢查泵的運轉情況，先盤車，聽是否有雜音，看是否靈活。（3）打開入口閥，排出泵體內的氣體，給泵內充滿所要輸送的液體，再關死出口閥。（4）往泵的油箱加好潤滑油或潤滑脂。（5）給冷卻水，打開壓力表，看是否靈敏。（6）檢查安全設備如對輪罩、接地線等。（7）對熱油泵看預熱情況，使泵體溫度不能低于界質溫度的40度。（8）與各有關崗位、有關單位聯系好。做好啟動準備。第58頁/

30、共72頁2021-11-1659離心泵的運行正常啟動：（1）準備工作經檢查正常后可啟動泵。啟動后應注意電流表，泵轉向，壓力表，泄漏等情況，一切正常后再慢慢打開出口閥。（未打開出口閥前泵運轉不得超過3分鐘，否則液體在泵內強制循環(huán)后溫度升高，液體汽化會產生抽空等現象。）（2）檢查泵的軸承溫度不得大于65度，電機溫度不得大于70度（3）可用泵出口閥門調節(jié)流量（4）觀察出口壓力表、電流表的波動情況（5）檢查泵的運行、振動、泄漏情況。（6）檢查泵冷卻水的供應情況，潤滑油液面的變化情況。（7）打封油的泵，封油壓力至少高出泵出口壓力0.05-0.1MPa.（8）對于長周期運轉的泵，要定期更換潤滑油或潤滑脂，保證泵在良好的潤滑狀態(tài)下工作。第59頁/共72頁2021-11-1660離心泵的運行離心泵的停運：（1）慢慢關死出口閥門。（2）切斷電源后關入口閥，壓力表閥。（3）熱油泵，待泵體溫度降低后停冷卻水和封油。（4）在冬季，對停下來的泵要放掉泵內液體，并采取必要的防凍措施。（5）定時檢查、盤車。第60頁/共72頁2021-11-1661離心泵的運行離心泵的切