流體機械的內(nèi)流原理

流體機械的內(nèi)流原理流體機械內(nèi)部的流體運動規(guī)律以及運動著的流體與壁面間的相互作用和實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的原理01簡介旋轉(zhuǎn)式流體機械中的流體流動原理分類參考文獻目錄030204基本信息流體機械內(nèi)部的流體運動規(guī)律以及運動著的流體與壁面間的相互作用和實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的原理。簡介簡介流體機械的內(nèi)流原理（principlesofflowinfluidmachines）是流體機械內(nèi)部的流體運動規(guī)律以及運動著的流體與壁面間的相互作用和實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換的原理。流體機械是將流體的動能、勢能或熱能轉(zhuǎn)化為輸出功或?qū)⑤斎牍D(zhuǎn)化為流體的動能、勢能或壓力能以及通過流體傳遞能量的機械。人們很早就已運用流體的流動創(chuàng)造流體機械。古埃及神廟中就有類似反噴式汽輪機的裝置。公元1150年，中國已有可算是燃?xì)廨啓C雛型的走馬燈出現(xiàn)。隨著力學(xué)的發(fā)展，人們開始有效地利用流體力學(xué)原理研制出各種流體機械。例如，以流動的耗功增壓過程為特征的泵、通風(fēng)機、鼓風(fēng)機、壓氣機等和以流動的降壓或膨脹作功過程為特征的水輪機、汽輪機、燃?xì)廨啓C、各種高低溫氣體透平膨脹機等。還有同時利用上述兩種過程實現(xiàn)能量傳遞的液力變扭器、液力離合器和氣波換能器等。以上這些都是有外殼的流體機械。另一方面，也根據(jù)用途設(shè)計出無外殼的旋轉(zhuǎn)式流體機械，如螺旋槳、風(fēng)扇等分類旋流式位移式分類位移式流體機械大體可以分為位移式和旋轉(zhuǎn)式兩大類。位移式流體機械中的流體流動原理較簡單。流體在特定的腔室內(nèi)由容積的縮小實現(xiàn)壓縮，從而將外功變成流體的功能或勢能，反之，則實現(xiàn)膨脹作功。對這類機械中的流體進行內(nèi)部流動分析時，常把流動過程簡化為準(zhǔn)定常的一維流或者作為非定常的二維流來處理和求解。旋流式旋轉(zhuǎn)式流體機械有時也稱為葉輪機械，應(yīng)用廣泛，原理比較復(fù)雜，它通常是由固定的靜葉片（也稱導(dǎo)向葉片或噴嘴葉片）和裝在旋轉(zhuǎn)葉輪上的動葉片組成。流體相對于葉輪軸的流動方向可以是軸向、徑向、斜向，而相應(yīng)的流體機械分別稱為軸流式、徑流或離心式、斜流式。一排靜葉片加一排動葉片為一個級。隨所需增壓或降壓參量的不同可做成單級或多級的型式。在輪機或透平膨脹機中，靜葉片設(shè)置在動葉片前面以便將流體的勢能或熱能的全部或一部分先經(jīng)過靜葉片轉(zhuǎn)化為動能，然后流經(jīng)動葉片作功（圖1右）。在壓縮機中，靜葉片常放置在動葉片后面以便將流出動葉片的流體動能進一步轉(zhuǎn)化為勢能或壓力能（圖1左）。下面重點介紹旋轉(zhuǎn)式流體機械中的流體流動原理。旋轉(zhuǎn)式流體機械中的流體流動原理流動特點簡化分析模型葉柵流動分析功能轉(zhuǎn)換關(guān)系內(nèi)部流場分析12345旋轉(zhuǎn)式流體機械中的流體流動原理流動特點在旋轉(zhuǎn)式流體機械內(nèi)，流體交替流過靜止和轉(zhuǎn)動著的葉片通道。這種空間通道的形狀與葉片高度、數(shù)量、形狀和內(nèi)外殼直徑變化有關(guān)，相應(yīng)形成空間的三維流場。由于結(jié)構(gòu)和強度上的要求，葉片出口邊總具有一定的厚度。葉片后的流場在周向是非均勻的、周期性變化的，流體再流經(jīng)旋轉(zhuǎn)葉片通道，流動成為非定常的。與此同時，具有枯性的流體在流過靜止和轉(zhuǎn)動的葉片時，形成更為復(fù)雜的邊界層流動（見邊界層）和二次流動，并可能伴隨產(chǎn)生各種渦旋和分離。此外，旋轉(zhuǎn)葉片與機殼壁面之間存在間隙，流體與殼體和葉片間存在傳熱現(xiàn)象等。所有上述效應(yīng)使實際流動圖象十分復(fù)雜。這種流動的特性可以歸結(jié)為有傳熱的三維粘性非定常流動。對此，求完整的統(tǒng)一的理論解十分困難；常應(yīng)用簡化的流動模型首先分析流體與葉片間的相互作用，功能轉(zhuǎn)換原理和主要物理參量之間的關(guān)系。對于動葉片中的流動，如果取固定于旋轉(zhuǎn)葉片或葉輪上的坐標(biāo)系，就成為相對定常流動。設(shè)動葉片中流體的相對流動速度為W，靜葉片中流體的絕對流動速度為C，葉片旋轉(zhuǎn)線速度（又稱葉片速度）為u，由矢量合成關(guān)系：C=W+u，可進行相對流動與絕對流動的轉(zhuǎn)換。圖1b中的速度三角形表示在動葉片進出口處的變換。簡化分析模型最簡化的流動分析模型是沿流向的一維絕熱定常流模型，即假定流體機械內(nèi)的流動是絕熱的，動葉片間和靜葉片間的流動在各自的相對和絕對坐標(biāo)系中均為定常流，沿葉高方向和周向變化的流動參量是以某一半徑r（一般取平均半徑）上的值來代表其平均值。為了便于在平面圖象上進行表達和分析，還進一步將各葉片在所取半徑上的葉型沿周向展開，得到如圖1b所示的由靜葉葉型和動葉葉型組成的葉柵系列。分析時對葉柵也僅用其進出口1、2處沿葉柵間距的參量平均值。對這種葉柵系列的一維流動分析可以認(rèn)為近似地反映整級或整機的流動性能。稍后采用的簡化流動模型是以如圖1a所示的兩個無限接近的厚度為dr的回轉(zhuǎn)流面截割葉片而得到的所謂基元級模型。整個流動通道就由無限多這樣的基元級組成。將基元級沿周向展開就得到在平面上表示的動、靜葉柵系列。整級的性能就是基元級性能沿葉高的積分。通常將由圓柱流面截割的基元級展開而得到的葉柵稱為平面葉柵。葉柵流動分析流體流經(jīng)以一定形狀葉型組成的流體機械的葉柵時，在實現(xiàn)加速（透平機）或減速（壓縮機）的同時還完成流動方向的轉(zhuǎn)折。流體繞流葉型時，在葉型的內(nèi)弧和背弧上形成不同的速度和壓力分布（圖2）。但是流體機械的葉柵與孤立翼型（例如飛機機翼）又不同，葉型的表面壓力分布和受到的作用力不僅和葉型形狀有關(guān)，也和流體在葉柵槽道內(nèi)的加速或減速方式和方向轉(zhuǎn)折有關(guān)。根據(jù)儒科夫斯基機翼定理在葉柵上的推廣（見舉力），可得到葉柵上的流體作用力F的表達式：F=ρmWmΓ，式中ρm為流體的平均密度；Wm為動葉柵進出口速度W1和W2的幾何平均值，即Wm=（W1+W2）/2的大小；Γ為繞葉型的速度環(huán)量（它等于柵距t乘以進、出口周向速度分量之差△Wu）。對于靜葉柵，用Cm=（C1+C2）/2的值代替上式中Wm即可。F也可分解為舉力L和克服阻力的力FD，由FD可換算得到流經(jīng)葉柵的總壓損失。葉柵的繞流分析還包括確定葉型表面和槽道內(nèi)的流場分布，實際有效出口氣流角，在跨聲速流動和超聲速流動條件下的氣流偏轉(zhuǎn)角，以及研究邊界層的發(fā)展和分離情況，激波與邊界層相互干擾等。以上這些流動特性決定了葉柵的能量損失特性，常用能量損失系數(shù)ζ來表示：也可用總壓恢復(fù)系數(shù)或其他參量來表示。由上述可知，葉柵的能量損失系數(shù)與來流流動條件、葉柵本身的幾何特性，如葉型的型線曲率變化、厚度分布、進氣和出氣邊的半徑和形狀以及葉柵稠度等有關(guān)。功能轉(zhuǎn)換關(guān)系流體機械中的流體流動原理的另一個重要方面是功能轉(zhuǎn)換關(guān)系。流體流經(jīng)動葉片后，絕對坐標(biāo)中的平均周向速度Cu發(fā)生變化，作用在葉片上的周向力或葉片作用于流體上的力Fu等于進出口周向動量之差，即功率為扭矩乘以角速度ω。（1）、（2）兩式就是歐拉透平公式。由此可知：周向速度差△Cu愈大，葉片力和扭矩也愈大。因周向速度差又與靜、動葉片中的速度變化，進出口流動方向或葉型形狀有關(guān)，所以上述公式也是闡明流體機械原理和進行設(shè)計的最基本公式。設(shè)下標(biāo)1、2分別表示動葉片進口和出口處的物理量。應(yīng)用前面所述的相對、絕對速度的矢量關(guān)系后，又可得到另一形式的歐拉透平公式：式中A為單位質(zhì)量流動介質(zhì)所作出的或吸收的功。徑流式和斜流式流體機械的特點是進出口處葉片中部半徑有較大變化，因而u1與u2的差別也大。由歐拉透平公式可知，徑流式和斜流式流體機械與軸流式流體機械在功能轉(zhuǎn)換方面的主要區(qū)別在于項起更大作用。流體機械功能轉(zhuǎn)換的完善程度用效率η表示。輪機或透平機的效率ηT為：式中來流流體的可用能或理論功扣去一系列流動中的能量損失即為實際輸出功。能量損失包括葉片表面摩擦損失、葉片尾流損失、波阻損失、葉片通道和下端壁處的二次流損失、徑向間隙的泄漏損失等（見流體阻力）。內(nèi)部流場分析由簡化的流動模型推出的簡單關(guān)系式不能用以確定流體機械內(nèi)的真實流場和全面流動情況。葉輪機械內(nèi)三維流動的完整的理論為中國力學(xué)家和工程熱物理學(xué)家吳仲華所創(chuàng)建。流場分析使用包括考慮粘性、傳熱在內(nèi)的力學(xué)和熱學(xué)基本方程組，即質(zhì)量守恒或連續(xù)性方程、牛頓第二定律或運動方程、熱力學(xué)第一、第二定律以及狀態(tài)方程等，再加上各種流體機械的邊界條件（見流體力學(xué)基本方程組）。例如，動葉中氣體相對流動的基本方程組可寫作：式中p、ρ、T、h和s分別為氣體的靜壓、密度、熱力學(xué)溫度、單位質(zhì)量流體的滯止轉(zhuǎn)子焓和熵：ω為旋轉(zhuǎn)角速度；t為時間變量；q為單位質(zhì)量氣體的傳熱量；f為氣體粘性引起的力；Φ為耗損函數(shù)。數(shù)值求解以上方程組仍很困難，因此在求解時，仍然作絕熱、定常等假設(shè)并應(yīng)用氣體流動過程的多方效率來估計粘性損失。在求解方法與求解模型方面還應(yīng)用減維、逐次近似的解法，如二類相對流面方法、通流理論方法等。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，在流體機械內(nèi)部流場求解上發(fā)展出通流矩陣解法、流線曲率解法、有限元法以及使用非正交曲線坐標(biāo)和非正變速度分量的方程與解法等。此外，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計的要求，還發(fā)展出各項預(yù)定物理流場以求取最佳幾何形狀的反問題方法。在三維直接解方面也在取得進展?；谝陨铣删?，旋轉(zhuǎn)式流體機械的設(shè)計計算和性能預(yù)測已有更精確的力學(xué)分析基礎(chǔ)。向流體機械提出了提高參數(shù)、擴大工作范圍以及適應(yīng)多相流動介質(zhì)的要求，因而須解決不少新的流體力學(xué)課題。參考文獻參考文獻,IntroductiontotheTheoryofFlowMachines,PergamonPress,Oxford,