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流体力学及泵与风机04设备主要内容1.流体与流体机械2.流体力学基础3.泵与风机的性能4.流动阻力及管路特性曲线5.泵与风机的运行与调节6.管路系统设计与配置1.流体与流体机械•学习引导本章介绍流体、流体机械、流体性质及几种主要流体机械的结构。对流体机械在空调制冷系统中的应用也将通过实践环节进行介绍。•本章重点（1）流体的主要特征、流体机械的作用（2）流体的主要物理性质（3）流体机械的分类（4）离心式泵与风机的运行原理和组成结构（5）轴流式泵与风机的运行原理和组成结构（6）泵与风机在制冷系统中的应用back•本章难点（1）绝对压力、表压力和真空度的关系，以及压力单位的换算。（2）对流体粘滞性的认识有一定难度。粘滞性表现为阻碍流体流动的趋势，通过流层间的速度分布图会有较为直观的理解。而粘度是由内摩擦力的数学表达式定义的，该定义式涉及速度梯度的概念。速度、速度梯度和内摩擦力都具有方向性。（3）表面张力和毛细管现象的理解是另一个难点。表面张力使液体靠近壁面的液面弯曲，表明张力也就集中在曲面部分，大小用接触周边曲线的线性长度与表面张力系数的乘积表示，而方向沿曲面切线指向液面的弯曲方向。（4）流体机械，特别是离心式和轴流式泵与风机的各个组成结构的功能和原理的理解有一定难度，因为各个部分都是按照一定的流体力学原理和功能要求设计的，且与材料力学等有密切的联系。这些原理性内容在后续章节中会具体讲述，所以本章只要了解即可。概述－几个基本概念•流体：通俗的讲－能够流动的物质（液体和气体）。力学术语－在任何微小剪切力作用下都能够连续变形的物质。•流体力学：研究流体运动规律，并运用这些规律解决工程实际问题的学科。•流体机械：输送流体的机械和利用流体的能量作功的机械。如：泵与风机1.1流体的物理性质流体的物理性质包括：密度、比体积、压力、压缩性、热胀性、粘滞性、表面张力特性。1.1.1压力（1）压力定义流体垂直作用于单位面积上的力称为流体的静压力，简称压力P（Pa）。其表达式：（2）压力的单位国际单位制中，压力的单位为Pa。1N/m2、kPa、MPa工程实际中，还会用到其他单位制的压力单位，如：bar、atm、at、mmH2O、mmHg注意：各单位之间的换算关系。（3）压力的分类绝对压力：p（工质的真实压力）相对压力：表压力pe、真空度pv（用压力计测得的工质计示压力）绝对压力＞当地大气压力时p=pb+pe绝对压力＜当地大气压力时p=pb-pe1.1.2密度和体积（1）密度流体的密度指单位体积流体的质量，即为ρ（kg/m3）。其表达式为：（2）比体积流体的比体积指单位质量的流体所占有的体积，即为v（m3/kg）。其表达式为：或1.1.3压缩性和热胀性流体受压时体积缩小、密度增大的性质，称为流体的压缩性；流体受热时体积膨胀、密度减小的性质，称为流体的热胀性。（1）液体的压缩性和热胀性液体的压缩性用压缩系数表示，它表示单位压增所引起的体积变化率。表达式为：液体的热胀性用体胀系数表示，它表示单位温升所引起的体积变化率。表达式为：液体的压缩性和热胀性都很小，一般情况下可以忽略。（2）气体的压缩性和热胀性压力和温度的改变对气体密度的影响很大，因此气体具有十分显著的压缩性和热胀性。在压力不很高、温度不太低的条件下，气体的压缩性和热胀性可用理想气体状态方程来描述，即：1.1.4粘度流体阻碍流层间相对运动的性质称为粘滞性。粘度可分为：动力粘度η、运动粘度νν＝η/ρ牛顿内摩擦定律：1.1.5表面张力特性•表面张力：自由液面附近的液体分子，来自液体内部的吸引力大于来自气体分子的吸引力，力的不平衡对界面液体表面造成微小的作用，将液体表层的分子拉向液体内部，使液面有收缩到最小的趋势。这种因吸引力不平衡所造成的，作用在自由液面的力称为表面张力。•表面张力系数：液体自由表面与其他介质相交曲线上单位线性长度上所承受的作用力，记为σ（N/m）。•毛细管现象：细管插入湿润液体或不湿润液体中，液体沿管壁上升或下降的现象都称为毛细管现象，所用细管称为毛细管。毛细管现象是表面张力造成的，通过简单的推导可以计算毛细管中液体上升或下降的高度。水在毛细管中上升的高度为h时，液柱的重量为пr2hρg，方向垂直向下。液体表面张力为2пrσ，方向沿曲线切向方向斜指向上。若切线与垂直线的夹角为α，则液柱的高度表达式为：1.2流体机械分类和结构1.2.1流体机械的分类•按工作介质分类：液体机械和气体机械两大类。液体机械最常见的是泵，气体机械最常见的有通风机和鼓风机。•按工作原理分类：叶轮式、容积式以及其他如射流泵等三大类。1.2.2叶轮式泵与风机的结构与运行管理叶轮式泵与风机一般根据作功原理可以分为离心式、轴流式和混流式。（1）离心式泵与风机的工作原理和结构特性离心泵启动前需要使泵体和水管内充满水，然后启动电动机带动叶轮高速旋转，产生的离心力使流体随之旋转从而获得能量。流体沿离心方向流出叶轮进入螺旋形机壳，将部分动能转化为压力能，再通过排水管排出。叶轮连续旋转，在叶轮入口处不断形成真空，从而使流体连续不断地被泵吸入和排出。1）离心泵的主要部件•叶轮－将原动机输入的机械能传递给液体，提高液体能量的部件。•轴和轴承－轴是传递扭矩的部件；轴承一般包括滚动轴承和滑动轴承两种形式。•吸入室－在最小水力损失下，引导液体平稳地进入叶轮，并使叶轮进口处的流速尽可能均匀分布。•机壳－收集来自叶轮的液体，并使部分流体的动能转化为压力能，最后将流体均匀地引向次级叶轮或导向排出口。•减漏环－减少泵壳内高压区的排出液体返回低压区的流量。•密封装置－防止压力增加时流体的泄漏。•轴向力平衡装置－平衡轴向力。2）离心式风机的主要部件•吸入口和进气箱－进气箱只有当进风口需要转弯时才采用。•叶轮－前弯式、后弯式、径向式。•机壳－收集来自叶轮的气体，并将部分动压转化为静压，最后将气体导向出口。•导流器－进口风量调节器•支撑与传动方式（2）轴流式泵与风机的工作原理和部件结构1）轴流泵的工作原理和部件结构轴流泵的外形就像一根钢管，可以垂直安装、水平或倾斜安装。其主要部件有吸入喇叭口、叶轮、轴和轴承、导叶、机壳、出水弯管及密封装置等。轴流泵的叶轮和泵轴一起安装在圆筒形的机壳中，机壳浸没在液体中。泵轴的伸出端通过联轴器与电动机连接。当电动机带动叶轮做高速旋转时，由于叶片对流体的推力作用，迫使进入机壳的流体产生回转及向前的运动，从而使得流体的压力和速度都有所增加。增速和增压后的流体经过固定在机壳上的导叶，旋转运动转化为轴向运动，于是旋转的动能便转化为压力能，然后流体再通过出水口流出。2）轴流式风机的机构轴流式风机主要由圆形风筒、吸入口、装有扭曲叶片的轮毂、流线型轮毂罩、电动机、电动机罩、扩压管等组成。轴流式风机的种类很多：有单级轴流式风机、双级轴流式风机、长轴式轴流风机。（3）混流泵混流泵内液体的流动介于离心泵和轴流泵之间，液体斜向流出叶轮，即液体的流动方向相对叶轮而言有径向速度，也有轴向速度，其特性介于离心泵和轴流泵之间。混流泵具有蜗壳式和导叶式两种。1.2.3容积式及其他类型泵与风机（1）容积泵容积泵中最常见的是活塞式泵（往复泵）。其工作原理就是利用工作容积的改变来抽送流体，所以称为容积式泵。该泵适应于小流量、高压力的作功要求。此外，齿轮泵以及螺杆泵也属于容积式泵。（2）其他类型泵与风机其他类型的泵与风机有：贯流式风机、水环式真空泵、喷射泵、旋涡泵。其中，旋涡泵是一种特殊结构的离心泵，其运行操作和作功特性与离心泵相似，适用于流量小、扬程高而输送的流体粘性较小的场合。2.流体力学基础•学习引导本章将从能量守恒关系出发引出液体静力学方程和稳定流能量方程。液体静力学方程阐述了静止液体中不同位置的压力关系。稳定流能量方程则表明了流道中不同断面间比机械能和比能量损失的相互关系。由于气体密度差异较大，气体能量方程显现不同的特点。稳定流能量方程和连续性方程共同组成了流体流动的基本方程。应用流体流动的基本方程可以求解未知的流速或压力，这是工程计算的基本问题。•本章重点（1）比位能、比压力能和比动能的物理意义，计算方法和单位。（2）液体静压力方程的两种形式，静止液体中不同位置的压力分布和计算方法。（3）连通器的压力计算。（4）连续性方程的实质。back（5）稳定流动能量方程各项的物理意义，方程的适用条件。（6）位置水头、压力水头、测压管水头、流速水头、总水头和水头损失和表达及意义。（7）稳定气流能量方程各项的物理意义。（8）利用流体流动基本方程求解速度和压力。•本章难点（1）连通器的压力计算不仅需要掌握静止液体的静压力方程，也需要一定的技巧，可能会有一定的难度。（2）应用流体流动基本方程式求解工程计算问题需要掌握方程的适用条件，基准面和计算断面的选取有一定的灵活性。巧妙地选取基准面和计算断面可以减少未知量数目，达到简化计算的目的。有时更需要进行间接计算，这方面的计算也会有一定困难。在参考例题计算的基础上多做习题，困难就会很容易解决。2.1流体的机械能守恒2.1.1流体的机械能•流体的机械能：流体的机械能是指由于流体的位置、压力和运动所决定的位能、压力能和动能，单位为J或kJ。流体因处于地球重力场内具有的能量称为位能。位能＝mgz压力能又称静压能，是流体因存在一定的静压力而具有的能量。压力能＝mp/ρ动能是指流体因按一定速度运动所具有的能量。动能＝mv2/2•流体的比机械能：1kg流体所具有的位能、压力能和动能分别称为流体的比位能、比压力能和比动能，其总和为比机械能，单位为J/kg或kJ/kg。•流体的能量损失运动中的流体由于克服摩擦阻力会造成一部分能量损失，损失的能量转变为热量散失到环境中而难以回收，故为永久损失。单位质量流体的能量损失称为比能量损失，即为h，单位为J/kg。静止流体不会发生能量损失。2.1.2流体的机械能守恒位置1流体的比机械能＝位置2流体的比机械能＋1～2流体的比能量损失即：上式对静止流体和运动流体均适用。2.2液体静压强分布规律2.2.1液体的静压力分布规律液体的静压力方程：液体的静压力方程的另一种更为实用的形式－液体静力学基本方程：2.2.2测压管水头z－位置水头，表征比位能，单位m；－测压管水头，又称压力水头，表征比压力能，单位m；－静止液体的总水头，表征比机械能，单位m。2.2.3连通器工程中经常使用U形管测定液体的压差或压力。这些测压管和被测容器构成了连通器，其实质为几个连通的液体容器。求解连通器问题的目的是为了计算连通器中某点压力。连通器问题的求解是液体的静压力方程的具体应用。（1）连通器中同一种液体相同高度的两个液面压力相等。（2）连通器的两段液柱间有气体时，应注意到气体空间各点压力相等。（3）连通器中若装有相同的液体，但两边液面上的压力不等，则承受压力较高的一侧液面位置较低，承受压力较低的一侧液面位置较高。（4）连通器中装有密度不同而又互不相混的两种液体，且两侧液面上压力相等时，密度较小液体的一侧液面较高，密度较大液体的一侧液面较低。2.3一元流体动力学基本方程式2.3.1基本概念（1）稳定流与非稳定流流体速度和压力随时间而改变的流动称为非稳定流。流体速度和压力均不随时间而改变的流动称为稳定流。（2）一元流、二元流和三元流稳定流中，若流动参数是x、y、z三维空间坐标的函数，则此流动称为三元流动，又称为空间流动。若所有流动参数仅仅是两个坐标变量的函数，而与另一坐标变量无关，这种流动称为二元流动，又称平面流动。所有流动参数的变化仅与一个坐标变量有关的流动，称为一元流动。u＝u（x）上式表示的是最简单的流动。工程实际中的流动一般为三元流动，但为了简化计算，一般将三元流动简化为二元流动，甚至是一元流动。2.3.2连续性方程不可压缩流体的连续性方程：2.3.3稳定流能量方程（1）稳定流能量方程将上述能量守恒方程左右两端同除以g，则方程变形为：上式又称为伯努利方程。伯努利方程各项物理意义的实质仍为相应的比能量，但单位为m，因此又称为各种水头。（2）稳定流能量方程的适用条件•稳定流以及流速随时间变化缓慢的近似稳定流。•不可压缩