管路计算

材料工程基础及设备多媒体课件1第一章流体流动第一节流体静力学第二节管内流体流动基本方程式第三节管内流体流动现象第四节管内流体流动的摩擦阻力损失第五节管路计算材料工程基础及设备多媒体课件2第一章流体流动—第五节管路计算一、简单管路simplepipeline1简单管路：没有分支或汇合的单一管路，包括：等径管路、不等径管路、循环管路。11222211循环管路不等径管路等径管路材料工程基础及设备多媒体课件3第一章流体流动—第五节管路计算一、简单管路simplepipeline2.简单管路的特点：①通过各管段的质量流量不变，对不可压缩流体则体积流量不变；②整个管路的阻力损失为各管段的阻力损失之和。简单管路计算所用方程式有以下三个：机械能衡算式f2222e211122wupgzwupgz摩擦系数计算式(或图)),(dRe连续性方程式221122)(4dduuudqv或材料工程基础及设备多媒体课件4第一章流体流动—第五节管路计算几种情况：1.求∑hf2.求u(qv)3.求d122521515152242225123728121251237关联式：关联式：＝fVVffffdhd.lulgluhdCollebrookqudl.ddhlqdudhduRedKh.lg.Re3.简单管路计算calculationofsimplepipe材料工程基础及设备多媒体课件5第一章流体流动—第五节管路计算4.最适宜管径optimumdiameterofpipes一、简单管路simplepipeline操作费用费用管径总费用设备投资费用u↑，d↓，管内阻力↑，能量消耗↑，泵、风机设备操作费用↑；但d↓，设备投资费用↓，总费用有一最小值，因此是个优化的问题。经验值：液体的流速0.5~3m/s，气体10~30m/s材料工程基础及设备多媒体课件6第一章流体流动—第五节管路计算二、复杂管路complexpipeline具有分支或汇合的管路叫复杂管路，常见的复杂管路有分支管路、汇合管路和并联管路三种。l1d1u1λ1l2d2u2λ2AOBC分支管路l2d2u2λ2l3d3u3λ3BCAO汇合管路并联管路12材料工程基础及设备多媒体课件7第一章流体流动—第五节管路计算并联管路的计算Calculationofparallelpipeline二、复杂管路complexpipeline▲特点12VVVqqq12fffABhhh24VVqquAd22fluhd材料工程基础及设备多媒体课件8第一章流体流动—第五节管路计算如图从水池1将水引入水池2,d=150mm,H=4m,L=20m,沿程损失系数=0.037,总的局部损失系数为=4.28；求:管内水的流量。例题材料工程基础及设备多媒体课件9第一章流体流动—气体动力学基础1.音速定义：微小扰动波(声音)在可压缩介质中的传播速度。依据连续性方程、动量方程导出计算式：式中a为声音在流体中的传播速度，即为音速m/s，E为体积模量。对于气体，认为小扰动波的传播过程是一个既绝热、又无能量损失的等熵过程，方程为：dpEad一、可压缩气流基本概念()pc常数材料工程基础及设备多媒体课件10第一章流体流动—气体动力学基础1.音速其中γ为气体定压热容量与定容热容量之比，即绝热指数结合理想气体状态方程得到气体中的音速公式：式中R为气体常数8.314J(mol.k);T气体温度K,M气体摩尔质量kg/mol。综合分析得出：pRTaM一、可压缩气流基本概念pvcc材料工程基础及设备多媒体课件11第一章流体流动—气体动力学基础1.音速(1)反应流体的压缩性，越大其倒数越小，音速a越小，流体越容易压缩；反之，a越大流体越不易压缩。所以音速a反映流体压缩性大小。(2)音速与T有关，气体动力学中温度是空间坐标的函数，音速也是空间坐标的函数，a当地音速。(3)a与绝热指数γ和气体常数R有关，不同气体音速不同，对于空气：ddp一、可压缩气流基本概念ddp20.1aT材料工程基础及设备多媒体课件12第一章流体流动—气体动力学基础2.马赫数定义：当地气流速度与当地音速之比，Ma。Ma无量纲，反映惯性力与弹性力的比值。音速反映流体的压缩性，Ma反映气体的压缩(膨胀)程度。Ma越小，气流运动引起的压缩也小；Ma越大，气流压缩严重。Ma1,亚音速流动；Ma1,超音速流动一、可压缩气流基本概念uMaa材料工程基础及设备多媒体课件13第一章流体流动—气体动力学基础1224km/h；美国宇航局研制的X-43A超音速实验飞机9.6马赫材料工程基础及设备多媒体课件14第一章流体流动—气体动力学基础材料工程基础及设备多媒体课件15第一章流体流动—气体动力学基础1.连续性方程质量守恒：qm1=qm3ρ1u1A1=ρ3u3A3即：ρuA=c对上式微分得到连续性方程的微分表达式：二、理想气体一元恒定流动的基本方程A1A2A3u1u2u30ddudAuA材料工程基础及设备多媒体课件16第一章流体流动—气体动力学基础2.运动微分方程对所取流段列运动方程：运动微分方程为：为流段表面的摩擦阻力，对于理想气体=0得到微分方程：F管段净流出的通量二、理想气体一元恒定流动的基本方程0dpfuduAff202dpdpuudud材料工程基础及设备多媒体课件17第一章流体流动—气体动力学基础3.能量方程对运动微分方程积分得到能量方程：(1)定容过程：指比容保持不变的过程，实际指不可压缩流体。则能量方程为：2()2dpudc二、理想气体一元恒定流动的基本方程2222pucpucgg材料工程基础及设备多媒体课件18第一章流体流动—气体动力学基础3.能量方程(2)等温过程：指温度保持不变的热力过程。(3)绝热过程（自习）二、理想气体一元恒定流动的基本方程22lnln22puupRTpc材料工程基础及设备多媒体课件19第一章流体流动—气体动力学基础气体在管道中流动时由于粘性的存在，流动产生阻力损失，若用表示单位质量气体损失的机械能，则运动微分方程为：直径为d，长为dl的管内阻力损失为：圆管内运动的伯努利方程即为：wdL三、气体在管道中的运动2()02wduddLp22wdluddL22()022dpuuddld材料工程基础及设备多媒体课件20如果要将流体从一个地方输送到另一个地方或者将流体从低位能向高位能处输送，就必须采用为流体提供能量的输送设备。本节主要介绍常用输送设备的工作原理和特性，以便恰当地选择和使用这些流体输送设备。第一章流体流动—离心式泵与风机概述材料工程基础及设备多媒体课件211.风机和泵的种类①按用途分通风机、鼓风机、压缩机、真空机等；水泵、油泵、砂浆泵、真空泵等。②按结构分叶片式风机、叶轮式风机、罗茨式风机（容积式）；叶片泵、齿轮泵、柱塞泵。第一章流体流动—离心式泵与风机一.风机和泵的基本结构与工作原理材料工程基础及设备多媒体课件222.离心式风机和叶片泵的基本结构1－吸入口；2－叶轮前盘；3－叶片；4－机壳；5－后盘；6－出口；7－截流板，即风舌；8－支架第一章流体流动—离心式泵与风机一.风机和泵的基本结构与工作原理材料工程基础及设备多媒体课件233.工作原理叶轮随转轴旋转时，充满于叶片之间的流体，在离心力的作用下，从叶轮中心被甩向叶轮周围，挤入机壳，机壳内的流体压强增高，最后被导向出口排出。叶片间的流体被甩出后，叶轮中心部分的压强降低。外界流体从吸入口通过叶轮前盘中央的孔口吸入，再源源不断地输送出。第一章流体流动—离心式泵与风机一.风机和泵的基本结构与工作原理材料工程基础及设备多媒体课件243.工作原理第一章流体流动—离心式泵与风机一.风机和泵的基本结构与工作原理材料工程基础及设备多媒体课件253.工作原理离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。气缚现象：不灌液则泵体内存有空气，由于ρ空气ρ液，所以产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，达不到输液的目的。第一章流体流动—离心式泵与风机材料工程基础及设备多媒体课件26第一章流体流动—离心式泵与风机启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命材料工程基础及设备多媒体课件271.性能参数风机和泵的主要性能参数有：流量、压头、功率、效率和转速(1)流量Q：单位时间内风机或泵所输送的流体量，常用体积流量表示，单位为m3/s或m3/h。(2)压头P：单位体积流体流经风机或泵时获得的有效能量,单位为Pa。对风机该值称为风机的全压Pe，常用毫米水柱，对水泵该值又称为扬程He，以米水柱表示。第一章流体流动—离心式泵与风机二.离心泵和风机的工作材料工程基础及设备多媒体课件281.性能参数(3)功率N和效率η轴功率Ｎ：原动机输入风机或泵轴的功率，单位W或kW;有效功率Ne：流体在单位时间内从风机或泵中获得的能量，单位仍为W或kW。效率η：反映能量损失大小的参数称为效率。η=Ne/NNe=QＰ＝γＱＨN=Ne/η=QＰ/η(4)转速n叶轮每分钟的转数即“r/min”，有时写作：rpm。第一章流体流动—离心式泵与风机二.离心泵和风机的工作材料工程基础及设备多媒体课件29第一章流体流动—离心式泵与风机扬程H（压头）：泵对单位重量的液体所提供的有效能量，m液柱。若在泵的吸入口和排出口分别装上真空表和压力表并取1-1'，2-2’截面作计算，则离心泵的主要性能参数22212121()()()2ppuuHzzgg材料工程基础及设备多媒体课件302.能量损失第一章流体流动—离心式泵与风机二.离心泵和风机的工作材料工程基础及设备多媒体课件313.实际性能曲线流量Q，压头H，功率N，和效率η是泵与风机的主要性能参数，在额定转数n下，其Q～H，Q～N，Q～η之间的诸关系曲线统称特性曲线。Q～H工况曲线；Q～N功率性能曲线；Q～η效率曲线：最佳工况。第一章流体流动—离心式泵与风机二.离心泵和风机的工作材料工程基础及设备多媒体课件32泵内流体的静压降低到空气分离压或汽化压时，液体内就会暴发大量的气泡和汽泡，产生冲击波，从而使泵形成气蚀，使得泵的工作遭到破坏。一般包括液体气化和对金属的腐蚀。原因：安装位置过高，超过泵的允许吸上真空高度10m气压过低温度过高第一章流体流动—离心式泵与风机三.离心泵的气蚀现象材料工程基础及设备多媒体课件33卧式离心泵的几何安装高度h1是指泵轴心(即叶轮中心)至吸液面的高度。h1愈高，则泵内发生气蚀现象的可能性就愈大，因此这个高度是不能任意加大的。并且必须是小于泵的允许吸上真空高度hs。泵的允许吸上真空高度hs是制造厂确定的。第一章流体流动—离心式泵与风机四.离心泵的安装高度材料工程基础及设备多媒体课件34吸上真空高度：允许吸上真空高度hS＝Hsmax-0.3(m)泵的最大安装高度：∴泵的最大安装高度h1hS，才能保证泵在没有气蚀现象下安全运行。第一章流体流动—离心式泵与风机四.离心泵的安装高度材料工程基础及设备多媒体课件351．离心泵的类型第一章流体流动—离心式泵与风机五.离心泵的类型和选择材料工程基础及设备多媒体课件362.离心泵的选型1）确定输液系统的流量与扬程。Q一般为输送任务，如Q变化，则取Qmax考虑。根据输液管路的安排确定He。2）选择泵的类型与型号。类型确定：依据被输液体的性质及操作条件而定型号确定：依据Q，He从泵样本中的性能特性曲线或性能表来确定合适的型号。3）核算泵的轴功率第一章流体流动—离心式泵与风机五.离心泵