【正文】 流體力學(xué)及泵與風(fēng)機 04 設(shè)備 主要內(nèi)容 1. 流體與流體機械 2. 流體力學(xué)基礎(chǔ) 3. 泵與風(fēng)機的性能 4. 流動阻力及管路特性曲線 5. 泵與風(fēng)機的運行與調(diào)節(jié) 6. 管路系統(tǒng)設(shè)計與配置 1. 流體與流體機械 ? 學(xué)習(xí)引導(dǎo) 本章介紹流體、流體機械、流體性質(zhì)及幾種主要流體機械的結(jié)構(gòu)。對流體機械在空調(diào)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用也將通過實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。 ? 本章重點 （ 1）流體的主要特征、流體機械的作用 （ 2）流體的主要物理性質(zhì) （ 3）流體機械的分類 （ 4）離心式泵與風(fēng)機的運行原理和組成結(jié)構(gòu) （ 5）軸流式泵與風(fēng)機的運行原理和組成結(jié)構(gòu) （ 6）泵與風(fēng)機在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用 back ? 本章難點 （ 1）絕對壓力、表壓力和真空度的關(guān)系，以及壓力單位的換算。 （ 2）對流體粘滯性的認(rèn)識有一定難度。粘滯性表現(xiàn)為阻礙流體流動 的趨勢，通過流層間的速度分布圖會有較為直觀的理解。而粘度是由 內(nèi)摩擦力的數(shù)學(xué)表達(dá)式定義的，該定義式涉及速度梯度的概念。速度、速度梯度和內(nèi)摩擦力都具有方向性。 （ 3）表面張力和毛細(xì)管現(xiàn)象的理解是另一個難點。表面張力使液體靠近壁面的液面彎曲，表明張力也就集中在曲面部分，大小用接觸周邊曲線的線性長度與表面張力系數(shù)的乘積表示，而方向沿曲面切線指向液面的彎曲方向。 （ 4）流體機械，特別是離心式和軸流式泵與風(fēng)機的各個組成結(jié)構(gòu)的功能和原理的理解有一定難度，因為各個部分都是按照一定的流體力學(xué)原理和功能要求設(shè)計的，且與材料力學(xué)等有密切的聯(lián)系。這些原理 性內(nèi)容在后續(xù)章節(jié)中會具體講述，所以本章只要了解即可。 概述－ 幾個基本概念 ? 流體： 通俗的講－能夠流動的物質(zhì)（液體和氣體）。 力學(xué)術(shù)語－在任何微小剪切力作用下都能夠連續(xù)變形的物質(zhì)。 ? 流體力學(xué)： 研究流體運動規(guī)律，并運用這些規(guī)律解決工程實際問題的學(xué)科。 ? 流體機械： 輸送流體的機械和利用流體的能量作功的機械。如：泵與風(fēng)機 流體的物理性質(zhì) 流體的物理性質(zhì)包括：密度、比體積、壓力、壓縮性、熱脹性、粘滯性、表面張力特性。 （ 1）壓力定義 流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體的靜壓力，簡稱壓力 P（ Pa）。其表達(dá)式： AFp? （ 2）壓力的單位 國際單位制中，壓力的單位為 Pa。 1N/m kPa、 MPa 工程實際中，還會用到其他單位制的壓力單位，如： bar、 atm、 at、 mmH2O、 mmHg 注意：各單位之間的換算關(guān)系。 （ 3）壓力的分類 絕對壓力： p（工質(zhì)的真實壓力） 相對壓力：表壓力 pe、真空度 pv（用壓力計測得的工質(zhì)計示壓力） 絕對壓力＞當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r p=pb+pe 絕對壓力 ＜當(dāng)?shù)卮髿鈮毫r p=pbpe （ 1）密度 流體的密度指單位體積流體的質(zhì)量，即為 ρ（ kg/m3）。 其表達(dá)式為： Vm?? （ 2）比體積 流體的比體積指單位質(zhì)量的流體所占有的體積，即為 v（ m3/kg）。 其表達(dá)式為： 或 流體受壓時體積縮小、密度增大的性質(zhì)，稱為流體的壓縮性；流體受熱時體積膨脹、密度減小的性質(zhì)，稱為流體的熱脹性。 （ 1）液體的壓縮性和熱脹性 液體的壓縮性用壓縮系數(shù)表示，它表示單位壓增所引起的體積變化率。表達(dá)式為： 液體的熱脹性用體脹系數(shù)表示，它表示單位溫升所引起的體積變化率。表達(dá)式為： 液體的壓縮性和熱脹性都很小，一般情況下可以忽略。 mVv??1?vdpVdV???dTVdV?? （ 2）氣體的壓縮性和熱脹性 壓力和溫度的改變對氣體密度的影響很大，因此氣體具有十分顯著的壓縮性和熱脹性。在壓力不很高、溫度不太低的條件下，氣體的壓縮性和熱脹性可用理想氣體狀態(tài)方程來描述，即： 流體阻礙流層間相對運動的性質(zhì)稱為粘滯性。 粘度可分為：動力粘度 η、運動粘度 ν ν ＝ η/ρ 牛頓內(nèi)摩擦定律： ? 表面張力： 自由液面附近的液體分子，來自液體內(nèi)部的吸引力大于來自氣體分子 TRp g?? AdyduAT ?? ?? 的吸引力，力的不平衡對界面液體表面造成微小的作用，將液體表層 的分子拉向液體內(nèi)部，使液面有收縮到最小的趨勢。這種因吸引力不平衡所造成的，作用在自由液面的力稱為表面張力。 ? 表面張力系數(shù)： 液體自由表面與其他介質(zhì)相交曲線上單位線性長度上所承受的作用力，記為 σ （ N/m）。 ? 毛細(xì)管現(xiàn)象： 細(xì)管插入濕潤液體或不濕潤液體中，液體沿管壁上升或下降的現(xiàn)象都稱為毛細(xì)管現(xiàn)象，所用細(xì)管稱為毛細(xì)管。 毛細(xì)管現(xiàn)象是表面張力造成的，通過簡單的推導(dǎo)可以計算毛細(xì)管中液體上升或下降的高度。水在毛細(xì)管中上升的高度為 h時，液柱的重量為 п r2hρ g，方向垂直向下。液體表面張力為 2п r σ ，方向沿曲線切向方向斜指向上。若切線與垂直線的夾角為 α ，則液柱的高度表達(dá)式為： ??? cos2 grh ? ? 按工作介質(zhì)分類： 液體機械和氣體機械兩大類。液體機械最常見的是泵，氣體機械最常見的有通風(fēng)機和鼓風(fēng)機。 ? 按工作原理分類： 葉輪式、容積式以及其他如射流泵等三大類。 葉輪式泵與風(fēng)機一般根據(jù)作功原理可以分為離心式、軸流式和混流式。 （ 1）離心式泵與風(fēng)機的工作原理和結(jié)構(gòu)特性 離心泵啟動前需要使泵體和水管內(nèi)充滿水，然后啟動電動機帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力使流體隨之旋轉(zhuǎn)從而獲得能量。流體沿離心方向流出葉輪進(jìn)入螺旋形機殼，將部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能，再通過排水管排出。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在葉輪入口處不斷形成真空，從而使流體連續(xù)不斷地被泵吸入和排出。 1）離心泵的主要部件 ? 葉輪 － 將原動機輸入的機械能傳遞給液體，提高液體能量的部件。 ? 軸和軸承 － 軸是傳遞扭矩的部件；軸承一般包括滾動軸承和滑動軸承兩種形式。 ? 吸入室 － 在最小水力損失下，引導(dǎo)液體平穩(wěn)地進(jìn)入葉輪，并使葉輪進(jìn)口處的流速盡可能均勻分布。 ? 機殼 － 收集來自葉輪的液體，并使部分流體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，最后將流體均勻地引向次級葉輪或?qū)蚺懦隹凇? ? 減漏環(huán) － 減少泵殼內(nèi)高壓區(qū)的排出液體返回低壓區(qū)的流量。 ? 密封裝置 － 防止壓力增加時流體的泄漏。 ? 軸向力平衡裝置 － 平衡軸向力。 2）離心式風(fēng)機的主要部件 ? 吸入口和進(jìn)氣箱－進(jìn)氣箱只有當(dāng)進(jìn)風(fēng)口需要轉(zhuǎn)彎時才采用。 ? 葉輪－前彎式、后彎式、徑向式。 ? 機殼－收集來自葉輪的氣體，并將部分動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，最后將氣體導(dǎo)向出口。 ? 導(dǎo)流器－進(jìn)口風(fēng)量調(diào)節(jié)器 ? 支撐與傳動方式 （ 2）軸流式泵與風(fēng)機的工作原理和部件結(jié)構(gòu) 1）軸流泵的工作原理和部件結(jié)構(gòu) 軸流泵的外形就像一根鋼管，可以垂直安裝、水平或傾斜安裝。其主要部件有吸入喇叭口、葉輪、軸和軸承、導(dǎo)葉、機殼、出水彎管及密封裝置等。 軸流泵的葉輪和泵軸一起安裝在圓筒形的機殼中，機殼浸沒在液體中。泵軸的伸出端通過聯(lián)軸器與電動機連接。當(dāng)電動機帶動葉輪做高速旋轉(zhuǎn)時，由于葉片對流體的推力作用，迫使進(jìn)入機殼的流體產(chǎn)生回轉(zhuǎn)及向前的運動，從而使得流體的壓力和速度都有所增加。增速和增壓后的流體經(jīng)過固定在機殼上的導(dǎo)葉，旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為軸向運動，于是旋轉(zhuǎn)的動能便轉(zhuǎn)化為壓力能，然后流體再通過出水口流出。 2）軸流式風(fēng)機的機構(gòu) 軸流式風(fēng)機主要由圓形風(fēng)筒、吸入口、裝有扭曲葉片的輪轂、流線型輪轂罩、電動機、電動機罩、擴(kuò)壓管等組成。 軸流式風(fēng)機的種類很多：有單級軸流式風(fēng)機、雙級軸流式風(fēng)機、長軸 式軸流風(fēng)機。 （ 3）混流泵 混流泵內(nèi)液體的流動介于離心泵和軸流泵之間，液體斜向流出葉輪，即液體的流動方向相對葉輪而言有徑向速度，也有軸向速度，其特性介于離心泵和軸流泵之間。 混流泵具有蝸殼式和導(dǎo)葉式兩種。 （ 1）容積泵 容積泵中最常見的是活塞式泵（往復(fù)泵） 。其工作原理就是利用工作容積的改變來抽送流體，所以稱為容積式泵。該泵適應(yīng)于小流量、高壓力的作功要求。 此外，齒輪泵以及螺桿泵也屬于容積式泵。 （ 2）其他類型泵與風(fēng)機 其他類型的泵與風(fēng)機有：貫流式風(fēng)機、水環(huán)式真空泵、噴射泵、旋渦泵。其中，旋渦泵是一種特殊結(jié)構(gòu)的離心泵，其運行操作和作功特性與離心泵相似，適用于流量小、揚程高而輸送的流體粘性較小的場合。 2. 流體力學(xué)基礎(chǔ) ? 學(xué)習(xí)引導(dǎo) 本章將從能量守恒關(guān)系出發(fā)引出液體靜力學(xué)方程和穩(wěn)定流能量方程。液體靜力學(xué)方程闡述了靜止液體中不同位置的壓力關(guān)系。穩(wěn)定流能量方程則表明了流道中不同斷面間比機械能和比能量損失的相互關(guān)系。由于氣體密度差異較大，氣體能量方程顯現(xiàn)不同的特點。穩(wěn)定流能量方程和連續(xù)性方程共同組成了流體流動的基本方程。應(yīng)用流體流動的基本方程可以求解未知的流速或壓力，這是工程計算的基本問題。 ? 本章重點 （ 1）比位能、比壓力能和比動能的物理意義，計算方法和單位。 （ 2）液體靜壓力方程的兩種形式，靜止液體中不同位置的壓力分布和計算方法。 （ 3）連通器的壓力計算。 （ 4）連續(xù)性方程的實質(zhì)。 back （ 5）穩(wěn)定流動能量方程各項的物理意義，方程的適用條件。 （ 6）位置水頭、壓力水頭、測壓管水頭、流速水頭、總水頭和水頭損失和表達(dá)及意義。 （ 7）穩(wěn)定氣流能量方程各項的物理意義。 （ 8）利用流體流動基本方程求解速度和壓力。 ? 本章難點 （ 1）連通器的壓力計算不僅需要掌握靜止液體的靜壓力方程，也需要一定的技巧，可能會有一定的難度。 （ 2）應(yīng)用流體流動基本方程式求解工程計算問題需要掌握方程的適用條件，基準(zhǔn)面和計算斷面的選取有一定的靈活性。巧妙地選取基準(zhǔn)面和計算斷面可以減少未知量數(shù)目，達(dá)到簡化計算的目的。有時更需要進(jìn)行間接計算，這方面的計算也會有一定困難。在參考例題計算的基礎(chǔ)上多做習(xí)題，困難就會很容易解決。 ? 流體的