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 w11-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4/15/2024211-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
2、流动w11111 13 3恒定元流能量方程恒定元流能量方程w11111 14 4恒恒定定总总流流能能量量方方程程（伯伯努努利利方方程程）及其使用条件及其使用条件4/15/2024311111 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
3、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
4、为该点的流速方向；流线不能是折工具。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。4/15/2024411111 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
5、非恒定流动。4/15/2024511111 13 3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：w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。4/15/20246w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
6、伯努利方程的表达式为：表达式为：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4/15/2024711111 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：w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
7、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24/15/20248伯努利方程的应用条件：伯努利方程的应用条件：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算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流断面或渐变流断面。断面为均匀流断面或渐变流断面。4/15/20249 w11-2相似原理
8、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4/15/20241011-2-1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 相似的前提 研究的目的 相似的保证 4/15/20241111-2-2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
9、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4/15/202412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，其对应的同名相似准数相等名相似准数相等,即：即：4/15/202413w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
10、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，通常欧拉数为被决定相似准数，有：欧拉数为被决定相似准数，有：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。4/15/202414w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
11、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的特解。初始条件和边界条件相似则确定了方程的特解。4/15/20241511-2-3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
12、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
13、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。4/15/202416例如有压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
14、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。w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：个无量纲数：w组合成新的函数关系：组合成新的函数关系：4/15/202417式中函数的具体形式由式中函数的具体形式由实验实验确定。确定。实验实验得知，得知，压压差差 与管与管长长l成正比，因此：成正比，因此：这样这样，我，我们们运用运用定理，定理，结结合合实验实验，得到了大家熟知的管流沿程，得到了大家熟知的管流沿程损损失公式。失公式。由分析由分析过过程可程可见见
15、，参数无量，参数无量纲纲化是关化是关键键，应给应给予充分的予充分的重重视视，有，有时时可以用可以用单单位分析来位分析来进进行无量行无量纲纲化。化。4/15/202418 w11-2-4流体力学模型研究方法流体力学模型研究方法 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
16、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
17、；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。4/15/202419 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
18、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：4/15/202420w11-3-1层流与紊流现象层流与紊流现象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4/15/202421w11-3-1层流与紊流现象层流与紊流现象层层流流为为各各层质层质点互不点互不掺掺混分混分层层有有规
19、则规则的流的流动动。紊流紊流为为流体流体质质点互相点互相强强烈烈掺掺混运混运动动极不极不规则规则的流的流动动。流流态态的判的判别别条件是条件是 层层流：流：紊流：紊流：w5004/15/202422w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4/15/202423w层层流流：圆圆管管中中层层流流断断面面流流速速分分布布是是以以管管中中心心线线为为轴的旋转抛物面轴的旋转抛物面 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4/15/202424w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
20、紊流的速度分布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：4/15/202425w紊流：紊流：w对对于于圆圆管管紊紊流流，可可以以从从理理论论上上证证明明断断面面上上流流速速分分布布是对数型的是对数型的：式式中中为为卡卡门门通通用用系系数数由由实实验验确确定定，y为为点点到到管管壁壁的的距距离离，C为为积分常数。积分常数。4/15/202426w11-3-4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根据尼古拉
21、根据尼古拉兹实验兹实验沿程阻力系数随雷沿程阻力系数随雷诺诺数和粗糙度的数和粗糙度的变变化，划分化，划分为为五个区：五个区：I、层层流区流区 II、临临界界过过渡区渡区 III、紊流光滑区紊流光滑区 IV、紊流紊流过过渡区渡区 V、紊流粗糙区紊流粗糙区(阻力平方区阻力平方区)4/15/202427w 尼古拉兹实验曲线尼古拉兹实验曲线4/15/202428光滑区的布拉修斯公式光滑区的布拉修斯公式 粗糙区的希弗林松公式粗糙区的希弗林松公式 柯列勃洛克公式（光滑、柯列勃洛克公式（光滑、过过渡、粗糙均适用）渡、粗糙均适用）阿里特阿里特苏苏里公式（光滑、里公式（光滑、过过渡、粗糙均适用）渡、粗糙均适用）常
22、用常用计计算算公式公式 ：4/15/202429莫迪图 4/15/202430w11-3-5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局局部部阻阻力力产产生生的的原原因因主主要要是是由由于于固固体体边边界界断断面面的的尺尺寸寸、形形状状、流流动动方方向向的的改改变变而而造造成成局局部部流流速速分分布布的的重重新新组组合合，形形成成漩涡，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。4/15/202431w局部阻力局部阻力计算方法计算方法突然扩大突然扩大突然缩小突然缩小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 0.54/15/2
23、02432w1、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4/15/202433w11-4-1 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4/15/202434w所谓简单管路就
24、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w液体情况液体情况4/15/202435气体情况：气体情况：S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4/15/202436气体情况：气体情况：S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4/15/202437 虹吸管虹吸管即管道中一部分高出上游供水液
25、面的即管道中一部分高出上游供水液面的简单简单管路。管路。因因为为虹吸管中存在真空区段，有气化虹吸管中存在真空区段，有气化问题问题。为为了保了保证证虹吸虹吸管正常流管正常流动动，必，必须须限定管中最大真空高度不得超限定管中最大真空高度不得超过过允允许值许值。hv=78.5m4/15/20243811-4-2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
26、失之和为总损失：4/15/20243911-4-3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：总流量等于各支管总流量等于各支管的流量之和的流量之和 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4/15/202440w得到总阻抗公式：得到总阻抗公式：w各管段的流量关系：各管段的流量关系：4/15/202441w11-5-1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
27、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4/15/202442w为为无无旋旋流流动动，也也称称为为有有势势流流动动，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速度速度势势函数函数 与速度分量存在如与速度分量存在如下关系：下关系：4/15/202443w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 对对于不可于不可压缩压缩流体平面流流体平面流动动，存在流函数，存在流函数。不可压缩流体平面无旋流动的流函数，满
28、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 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。4/15/202444。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。4/15/202445w势流在数学上的一个非常有意义的性质，是势流的可
29、叠势流在数学上的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在轮廓线上：在轮廓线上：4/15/202446w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：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：在轮廓线上在轮廓线上/6和和5/6处：处：4/15/202447如果如果B孔
30、开在孔开在/2处怎么计算？处怎么计算？的计算依旧是关键的计算依旧是关键4/15/202448w 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
31、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。4/15/202449w 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
32、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4/15/202450w 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、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：w 3、运动特征：用半经验公式表示射流各横截面上的无
33、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：w 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4/15/202451w11-5-6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：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
34、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。4/15/202452w 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
35、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。4/15/202453w11-6-1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4/15/202454 音音波波传传播播速速度度很很快快，在在传传播播过
36、过程程中中与与外外界界来来不不及及进进行行热热量量交交换换，且且忽忽略略切切应应力力作作用用，无无能能量量损损失失。所所以以整整个个传传播过程可作为等熵过程。播过程可作为等熵过程。应应用用气气体体等等熵熵过过程程方方程程式式，得得到到气气体体中中音音速速公式公式: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。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
37、、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。4/15/202455w(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，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
38、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。4/15/202456w气体
39、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，4/15/202457 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，4/15/202458 气体连续性运动方程：气体连续性运动方程
40、：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 ，w1、M 1时为时为亚音速亚音速，A增大增大v减小，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。4/15/202459w 为为了了得得到到超超音音速速气气流流，可可使使亚亚音音速速气气流流流流经经收收缩缩管管，并并使使其其在在最最小小断断面面上上达达到到音音速速，然然后后再再进进入入扩
41、扩张张管管，满满足足气气流流的的进进一一步步膨膨胀胀增增速速，便便可可获获得得超超音音速速气气流流。这这就就确确定定了了从从亚亚音音速速获获得得超超音音速速的的喷喷管管形形状状，见见图图，此此种种喷喷管管称称为为拉拉伐伐尔尔喷喷管管。管管断断面面面面积积、压压力力、流流速速的的变变化化规规律律如图。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4/15/202460w喷管中各参数的变化规律喷管中各参数的变化规律4/15/202461w11-6-4实际喷管的性能实际喷管的性能4/15/202462w11-7-1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
42、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4/15/202463w11-7-1泵与风机的运行曲线泵与风机的运行曲线 由于由于泵泵和和风风机的机的扬扬程、流量以及所需的功率等性能是程、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互相影响的，所以通常用以下三种形式来表示这这些性能些性能之之间间的关系：的关系：1、泵泵或或风风机所提供的流量和机所提供的流量和扬扬程之程
43、之间间的关系，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为横坐标的为横坐标的图上。这些曲线叫做性能曲线。图上。这些曲线叫做性能曲线。4/15/202464w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
44、的机械能增量。w风风机机全全压压p：以以压压强强表表示示的的，单单位位重重量量的的气气体体通通过过风风机机获获得得的机械能增量。的机械能增量。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功功率率Ne，N:单单位位时时间间内内流流体体从从泵泵或或风风机机所所获获得得的的机机械械能能称称为为有有效效功功率率；单单位位时时间间内内原原动动机机给给泵泵或或风风机机的的机机械械能能称称为为轴轴功率功率。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。4/15/202465w泵的扬程计算泵的扬程计算w1、读表、读表w2、向水箱
45、供水：、向水箱供水：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4/15/202466w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
46、机械损失，泵和风机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。4/15/202467w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4/15/202468w性能曲线形成过程示意性能曲线形成过程示意 4/15/202469w实际的性能曲线实际的性能曲线 4/15/202470w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两曲线最常用，因
47、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个最重要、最有实用意义的性能参数之间的关系。通常按。通常按照曲线的大致倾向可将其分为下列三种：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。4
48、/15/202471w11-7-2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 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：4/15/202472w其其次次是是用用来来克克服服流流体体在在管管路路中中的的流流动动阻阻力力及及由管道排出时的动压头：由管道排出时的动压头：w扬程为上述两者之和：扬程为上述两者之和：w上上述述 方方程程描描述述的的HQ关关系系做做成成管管路路特特性性曲曲线线，与与泵泵的的特特性性曲曲线线的
49、的交交点点即即为为其其工作点工作点。4/15/2024734/15/202474w泵与风机的不稳定工作泵与风机的不稳定工作为稳定工况点，为稳定工况点，反之，为不稳定反之，为不稳定工况点工况点 4/15/202475w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4/15/202476w泵与风机串联运行泵与风机串联运行4/15/202477w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
50、系统整体效率。大降低系统整体效率。4/15/202478w工工况况调调节节就就是是改改变变工工作作点点，从从而而改改变变流流量量。应应从从改改变变机机器性能曲线和改变管路性能曲线两个途径着手。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节节流法：流法：在在泵泵或或风风机机转转数不数不变变的情况下，只的情况下，只调调节节管路管路阀门阀门开度开度(节节流流)，人，人为为地改地改变变管路性能曲管路性能曲线线。2调节调节液面高度液面高度或或压压差：差：暖通系暖通系统统采用很少。采用
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