流體機(jī)械緒論

1、研究對象應(yīng)用發(fā)展主講：武曉剛l流體力學(xué)研究流體在靜止和運動時的受力與運動規(guī)律。即流體在靜止和運動時壓力的分布、流速變化、流量大小、能量損失以及與固體壁面之間的相互作用力等問題。l泵與風(fēng)機(jī)是將原動機(jī)（如電動機(jī)、汽輪機(jī)等）提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的機(jī)械能，以達(dá)到輸送流體或造成流體循環(huán)流動等目的的機(jī)械。提高液體機(jī)械能的機(jī)械稱為泵，提高氣體機(jī)械能的機(jī)械稱為風(fēng)機(jī)。l流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)通過分析流體在系統(tǒng)中的運動規(guī)律和泵與風(fēng)機(jī)等熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能特點，減少流體流動的阻力損失 ，提高泵與風(fēng)機(jī)運行的穩(wěn)定性和效率。研究對象應(yīng)用發(fā)展緒論l流體和泵與風(fēng)機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)各個部門都廣泛應(yīng)用的工作介質(zhì)和通用機(jī)械。廣泛應(yīng)用在石油、

2、化工、造船、水利、輕工、電力等國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域中。l農(nóng)業(yè)的灌溉與排澇l城市的給排水工程l采暖通風(fēng)工程l石油化學(xué)工業(yè)l在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用l在火力發(fā)電廠中的地位研究對象應(yīng)用發(fā)展緒論l曾經(jīng)是黃河流域超量用水大戶的內(nèi)蒙古自治區(qū)八百里河套灌區(qū)，近年來在農(nóng)業(yè)開發(fā)中注重發(fā)展節(jié)水灌溉，增糧不增水，初步建成優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、低耗的節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)示范區(qū) 有“亞洲第一斜軸泵”之稱的河套灌區(qū)紅圪卜揚水站的斜軸泵。返回返回lZA型離心式流程泵l可輸送各種溫度和濃度和硫酸、硝酸、鹽酸和磷酸等無機(jī)酸和有機(jī)酸溶液；各種溫度和濃度的氫氧化鈉和碳酸鈉等堿性溶液；各種鹽溶液；各種液態(tài)石油化工產(chǎn)品、有機(jī)化合物以及其它有腐蝕性的液體

3、。l該型泵適用于煉油廠、石油化學(xué)工業(yè)、煤加工工程、低溫工程、造紙業(yè)、制糖業(yè)、供水廠、海水淡化廠、發(fā)電廠、環(huán)保工程和船舶業(yè)等。 返回l熱力發(fā)電廠電能的生產(chǎn)是依靠汽（氣）、水、油等流體介質(zhì)在泵與風(fēng)機(jī)同其他熱力設(shè)備用管道連接組成的系統(tǒng)（如熱力系統(tǒng)和一些輔助生產(chǎn)系統(tǒng)）中流動，進(jìn)而安全經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)熱功的轉(zhuǎn)換，為發(fā)電機(jī)提供足夠的機(jī)械能，實現(xiàn)機(jī)械能與電能間的轉(zhuǎn)換。l其中，各種類型的泵分別維持著系統(tǒng)中給水、凝結(jié)水、冷卻水、疏水、潤滑油等液體的流動，各種類型的風(fēng)機(jī)則分別維持著空氣、煙氣、含煤粉空氣等氣體的流動熱力發(fā)電廠系統(tǒng)簡圖返回應(yīng)用灰渣泵沖灰水泵排粉風(fēng)機(jī)升壓泵凝結(jié)水泵給水泵循環(huán)水泵射水泵疏水泵送風(fēng)機(jī)引風(fēng)機(jī)蒸汽空

4、氣水l泵與風(fēng)機(jī)運行狀況以及流體在系統(tǒng)內(nèi)的流動正常與否都直接影響著發(fā)電廠生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。l例如，向鍋爐供水的給水泵突然發(fā)生故障或給水管道破裂發(fā)生嚴(yán)重泄漏，就會使鍋爐缺水，甚至發(fā)生燒干鍋爐而被迫停止發(fā)電的重大事故。 l當(dāng)流體在泵與風(fēng)機(jī)內(nèi)流動的阻力損失增大，或是泵與風(fēng)機(jī)運行工況的調(diào)節(jié)不當(dāng)時，又會使泵與風(fēng)機(jī)的效率降低，耗電量增加。 返回l古代人類為了生存，在向洪水作斗爭、向自然要動力的過程中，積累了豐富的實用水力學(xué)和簡單流體機(jī)械的知識。l18 世紀(jì)歐拉、伯努利、拉格朗日，拉普拉斯等科學(xué)家建立 古典理論流體力學(xué) 由于蒸汽機(jī)的發(fā)明和采礦、鋼鐵工業(yè)的需要，出現(xiàn)了一種比較完善的以蒸汽機(jī)為動力的往復(fù)式泵與

5、風(fēng)機(jī)。歐拉和儒可夫斯基分別研究出葉片式泵與風(fēng)機(jī)的基本方程式和升力公式， l19 世紀(jì) 儒可夫斯基研究的機(jī)翼理論、普朗特提出的附面層理論以及我國著名工程熱物理學(xué)家吳仲華教授發(fā)表的“軸流、離心及混流透平機(jī)械內(nèi)亞聲速與超聲速三元流體一般理論”等，使理論流體力學(xué)與實用水力學(xué)走向結(jié)合，使流體機(jī)械的設(shè)計理論上升到一個新的高度 l現(xiàn)代發(fā)展應(yīng)用研究對象緒論l第一階段（16世紀(jì)以前）：流體力學(xué)形成的萌芽階段l第二階段（16世紀(jì)文藝復(fù)興以后-18世紀(jì)中葉）流體力學(xué)成為一門獨立學(xué)科的基礎(chǔ)階段l第三階段（18世紀(jì)中葉-19世紀(jì)末）流體力學(xué)沿著兩個方向發(fā)展歐拉、伯努利l第四階段（19世紀(jì)末以來）流體力學(xué)飛躍發(fā)展l158

6、6年斯蒂芬流體靜力學(xué)原理l1650年帕斯卡“帕斯卡原理”l1612年伽利略物體沉浮的基本原理l1686年牛頓牛頓內(nèi)摩擦定律l1738年伯努利理想流體的運動方程即伯努利方程l1775年歐拉理想流體的運動方程即歐拉運動微分方程l工程技術(shù)快速發(fā)展，提出很多經(jīng)驗公式1769年謝才謝才公式（計算流速、流量）1895年曼寧曼寧公式（計算謝才系數(shù)）1732年比托比托管（測流速）1797年文丘里文丘里管（測流量）l理論1823年納維，1845年斯托克斯分別提出粘性流體運動方程組（N-S方程）l理論分析與試驗研究相結(jié)合l量綱分析和相似性原理起重要作用1883年雷諾雷諾實驗（判斷流態(tài)）1903年普朗特邊界層概念（

7、繞流運動）1933-1934年尼古拉茲尼古拉茲實驗（確定阻力系數(shù)）流體力學(xué)與相關(guān)的鄰近學(xué)科相互滲透，形成很多新分支和交叉學(xué)科 例如我國公元前兩千多年前的大禹治水，春秋戰(zhàn)國和秦朝時修建的都江堰、鄭國堰和靈渠三大古老水利工程，隋朝時開通的聞名中外、全長為 1782klll 的京杭大運河，在生產(chǎn)和生活中使用的序斗、吊桿、轆護(hù)、水車、風(fēng)箱等簡單流體機(jī)械都是古人在流體力學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)學(xué)科中留下的寶貴歷史遺產(chǎn)。 返回l國外軸流式送引風(fēng)機(jī)的電動機(jī)功率已達(dá) 11000kw ( 707MW 機(jī)組用），而鍋爐給水泵的驅(qū)動功率已高達(dá) 55MW 、轉(zhuǎn)速亦升為 7500r / min( 1800MW 機(jī)組用）。國外已有輪

8、轂直徑為 2240mm的超大型伐列克斯型軸流風(fēng)機(jī)。l此外，為了提高大容量泵與風(fēng)機(jī)運行的經(jīng)濟(jì)性，變速傳動已被廣泛采用。在 300MW 以上發(fā)電機(jī)組中，通常配用汽輪機(jī)驅(qū)動的鍋爐給水泵和采用電動機(jī)加液力耦合器的啟動備用給水泵。鍋爐送引風(fēng)機(jī)除采用汽輪機(jī)驅(qū)動或液力耦合器作變速傳動外，還廣泛采用雙速電動機(jī)、可控硅串級調(diào)速的繞線式電動機(jī)或變頻器進(jìn)行變速傳動。l當(dāng)今世界最大的長江三峽水電站總裝機(jī)容量達(dá) 18200MW , 單機(jī)容量為 700MW 。 l南水北調(diào)等工程 返回圖片資料X-43A驗證機(jī)在空氣中飛行速度最快的飛行器速度達(dá)到了9.8倍音速11265千米/小時 長江三峽工程：防洪、發(fā)電、航運 世界上迄今為

9、止最大的水利工程南水北調(diào)工程，惠及中國長江、黃河、淮河和海河四大流域 返回kZjYiXmFfm0lim1.質(zhì)量力：作用在所研究的流體質(zhì)量中心，與質(zhì)量成正比通常包含：重力慣性力單位質(zhì)量力重力gmmgZAFA0lim2.表面力：外界對所研究流體表面的作用力，作用在外 表面，與表面積大小成正比應(yīng)力切線方向：切向應(yīng)力剪切力內(nèi)法線方向：法向應(yīng)力壓強AFlimpnA0AFA0limFAFnF表面力具有傳遞性流體相對運動時因粘性而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力VmV0limVm3/1000mkg1.慣性密度常見的密度（在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）：4時的水20時的空氣容重（重度）比重g1v3/2 . 1mkg 2-2流體的壓縮（膨

10、脹）性將相對壓縮值將相對壓縮值 與壓強增量與壓強增量 之比值之比值 稱稱 為壓縮系數(shù)，其倒數(shù)為壓縮系數(shù)，其倒數(shù) 稱為體積彈性系數(shù)。稱為體積彈性系數(shù)。K 越大，越大， 越不易被壓縮。越不易被壓縮。VVdpdppVVd/dd/d/dd1pK 液體的液體的 K 隨溫度和壓強而變，隨溫度變化不顯著。液體的隨溫度和壓強而變，隨溫度變化不顯著。液體的 K 值很大，除非壓強變化很劇烈、很迅速，一般可不考慮壓縮值很大，除非壓強變化很劇烈、很迅速，一般可不考慮壓縮 性，作不可壓縮流體假設(shè)，即認(rèn)為液體的性，作不可壓縮流體假設(shè)，即認(rèn)為液體的 K 值為無窮大，密值為無窮大，密 度為常數(shù)。但若考慮水下爆炸、水擊問題時，

11、則必須考慮壓度為常數(shù)。但若考慮水下爆炸、水擊問題時，則必須考慮壓 縮性?？s性。膨脹系數(shù)dTVdV 在一定壓強下，體積的變化率與溫度的變化成正比dTVdV/dTd/c.氣體 理想氣體狀態(tài)方程RTpR氣體常數(shù)空氣R=8.31/0.029=287J/kgK 等溫過程：壓縮系數(shù) 等壓過程：膨脹系數(shù) 絕熱過程：壓縮系數(shù) 低速（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，v68m/s）氣流可按不可壓縮流體處理pdppdpdpdT1TdTTdTdTVdVp1pdppdpdpd1粘性：在外力作用下，流體微元間出現(xiàn)相對運動時，隨之產(chǎn)生阻抗相對運動的內(nèi)摩擦力微觀機(jī)制：分子間吸引力、分子不規(guī)則運動的動量交換牛頓內(nèi)摩擦定律：切應(yīng)力：dydvAF dy

12、dvAFdydvAFhvv+dvvydy2-3流體的粘性a.速度梯度的物理意義角變形速度（剪切變形速度）dydvd dy yd dv vd dt tt tg gd dd ddtddydvvdt(v+dv)dtdvdtdyd流體與固體在摩擦規(guī)律上完全不同正比于dv/dy正比于正壓力，與速度無關(guān)b.動力粘度（系數(shù)）：與流體性質(zhì)有關(guān)PaS運動粘度（系數(shù)）：m/s)T(f)p,T(f微觀機(jī)制：液體吸引力T氣體熱運動Tdv/dz牛頓流體o 牛頓流體服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體（水、大部分輕油、氣體等）c.牛頓流體與非牛頓流體0dv/dzo塑性流體 非牛頓流體 塑性流體克服初始應(yīng)力0后，才與速度梯度成正比（牙

13、膏、新拌水泥砂漿、中等濃度的懸浮液等）ghr2cos21.表面張力：由分子的內(nèi)聚力引起單位：N/m發(fā)生在液氣接觸的周界、液固接觸的周界、不同液體接觸的周界2.毛細(xì)現(xiàn)象：液固接觸液固間附著力大于液體的內(nèi)聚力液固間附著力小于液體的內(nèi)聚力 grhcos2凹上升凸下降hh例：汽缸內(nèi)壁的直徑D=12cm，活塞的直徑d=11.96cm，活塞長度L=14cm，活塞往復(fù)運動的速度為1m/s，潤滑油的 =0.1Pas。求作用在活塞上的粘性力。解：dndvAT2053014011960m.dLAdndvNT5 .261051 . 0053. 03注意：面積、速度梯度的取法dDL131052/ )1196. 012

14、. 0(012/ )(0sdDv12 采暖系統(tǒng)在頂部設(shè)一膨脹水箱，系統(tǒng)內(nèi)的水總體積為 ， 最大溫升 ，膨脹系數(shù) ，求該水箱的最小容積？3m8Co500005. 0t解：解：該題為求解系統(tǒng)內(nèi)水體積凈增量的問題，可依（117）式進(jìn)行求解。3m2 . 05080005. 0 1 VdTdVdTdVVtt則 故膨脹水箱的最小體積應(yīng)為0.2立方米，但在工程設(shè)計中，應(yīng)注意按照設(shè)計規(guī)范增加一定的富裕量，以確保系統(tǒng)安全。膨脹水箱鍋爐散熱器13 一木塊底面積為 ，厚度為 ，質(zhì)量為 ，沿著涂有潤滑油的斜面以速度 等速度下滑，油層厚度 ，求潤滑油的動力粘性系數(shù)。240cm60cm15kg0.84m/sV .6mm0

15、解：解：這是牛頓內(nèi)摩擦定律在工程中應(yīng)用的一個簡單而又常見的 例子。求解此題有兩個重點，一是對油層內(nèi)速度梯度進(jìn)行 簡化，即認(rèn)為是線性分布規(guī)律；二是正確列出力的平衡方 程。 由于是等速下滑，故重力分力與粘性阻力相等V13512sPa005. 0sin sin 111 ,sin 代入已知數(shù)據(jù)，解得解出）代入式（速度梯度為平衡方程為VAmgmgdyduAVdydumgT注意：注意：在解題時，所有物理量的單位必須采用相同單位制，避免出現(xiàn)換算錯誤。112 一圓錐體繞豎直中心軸等速旋轉(zhuǎn)，錐體與固定的外錐體之間的隙縫 ，其中充滿 的潤滑油。已知錐體頂面半徑 ，錐體高度 ，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角速度 時，求所需要的旋轉(zhuǎn)力矩。mm1s0.1Pam3 . 0Rm5 . 0H1/s 16解：解：此題屬于牛頓那摩擦定律應(yīng)用。該題的特點是作用半徑，液體和固壁接觸面積及錐體旋轉(zhuǎn)線速度都隨高度變化，應(yīng)逐個找出其變化規(guī)律并貫徹物理方法解題的思