流体力学及泵与风机 04 设备.

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1 流体力学及泵与风机 04 设备

2 主要内容 流体与流体机械 流体力学基础 泵与风机的性能 流动阻力及管路特性曲线 泵与风机的运行与调节 管路系统设计与配置

3 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

4 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。

5 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：

6 （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-pe 1.1.2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：

7 （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。

8 （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ν ν ＝ 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

9 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2пr σ，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：

10 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。

11 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。

12 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

13 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。

14 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

15 （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。

16 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

17 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：

18 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。

19 （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。

20 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。

21 不可压缩流体。适用于压缩性极小的流体和流速不太高的气体。只有压力变化较大，流速很高的气体才考虑其压缩性。
断面应取在缓变流部分。 方程的推导前提是两断面间没有能量的输入或输出。如果有能量的输入，比如断面间有水泵或风机；或者有能量的输出，比如断面间有水轮机，则可将输入的单位能量Hi或输出的单位能量Ho，分别加在方程的左边和右边，从而位置能量守恒关系，但要注意单位的统一。 方程的推导没有考虑分流和合流的情况，如果出现分流，则有两个特点。 其一，流量关系为：

22 其二，单位质量流体的能量守恒关系仍然存在，只是分别表现为断面1－2和断面1－3的两个能量关系式而已。
（3）水头和水头线 －总水头，即为H。其中三项分别为位置水头、压力水 头、流速水头。 －测压管水头，记为 。 能量方程可以写成上下游断面总水头的形式，即：

23 而测压管水头是同一断面总水头与流速水头之差，即：
2.3.4稳定气流能量方程 （1）稳定气流能量方程 能量方程在流速不高（＜68m/s），压力变化不大时同样适用于气体。对于气体流动，能量方程中各项水头之值不大，习惯上将方程各项乘以ρg转变为压力。因此，能量方程就变为： 式中p1和p2代表绝对压力。对于液体流动，能量方程中可以采用绝对压力，也可以采用相对压力；而对于气体，能量方程只能采用绝对压力。 绝对压力为相对压力与当地大气压之和，大气压力随高度的增加而减少。因此，对于气体流动，在高度差大，气体密度和空气密度不等的情况下，必须考虑大气压的差异。

24 稳定气流能量方程 2.3.5基本方程式的应用 稳定流能量方程和连续性方程统称为流体流动的基本方程。 基本方程式的作用是解决流体流动的计算问题。在工程实际中流动计算有三种类型：求流速、求压力、同时求流速和压力。其他诸如求流量、水头等问题都以流速和压力的计算为前提。将能量方程和连续性方程联立即可完成上述计算。在应用能量方程时应严格检查适应条件。 求解流动计算问题一般可按下列步骤进行： （1）分析流动； （2）选取基准面； （3）选取计算断面； （4）列出能量方程，代入题示或已确定的已知量计算。

25 3. 泵与风机的性能 学习引导 本章主要介绍多种表征泵与风机性能的方式，有反映作功能力和耗能、效率的铭牌参数，有反映参数间关系的性能曲线，有表征系列相似产品特性的相似定律和比转数。这些性能表达方式所描述的性能有所区别，可在不同场合进行应用。掌握这些参数、性能曲线和相似定律和比转数的含义和应用方法，是进行泵与风机性能分析和选型设计的基础。 本章重点 （1）常用的铭牌参数的含义和计算方法。 （2） q－H曲线、q－P曲线、q－η曲线的含义，这些曲线对工程上泵与风机的选型、运行管理的指导意义。 （3）性能曲线测定实验的目的、步骤和结论。 （4）相似定律所包含的几种相似关系。相似定律的意义和实际应用。利用相似定律进行泵与风机选型和设计的方法。 back

26 （5）比转数的计算方法、含义和应用。利用比转数对泵与风机进行相似设计和选型的方法。
本章难点 （1）泵的扬程表示的是单位质量的液体在泵内获得的净机械能，这与伯努利方程中的外加能量有区别，需要特别注意。 （2）对泵与风机的性能曲线进行分析，了解泵与风机的作功特性，并以之作为根据确定科学的操作程序和针对性的选型，要求对性能曲线的含义有充分了解还需要较高的分析能力，所以具有一定的难度。 （3）相似理论和比转数在理解其定义和功能上有一些难度，而利用这些相似定律和比转数进行工程设计和设备选型则需要较多的练习才能掌握。但是，结合生活实例将对理解和应用都有所帮助 。

27 3.1泵与风机的铭牌参数 每台泵或风机的机壳上都有一个铭牌，铭牌上的参数表征泵与风机在设计转速下运行、效率最高时的一些参数。 常用的铭牌参数包括： （1）流量 单位时间内泵与风机所输送的流体数量称为流量，它可以表示为体积流量、质量流量和重力流量。其中，最常用的是体积流量。 （2）泵的扬程和风机的全压 泵的扬程 单位质量的液体在泵内所获得的有效机械能叫泵的扬程，也即每单位质量液体在泵内获得的净机械能，以符号H表示，单位为mH2O。 从上式可以看出： 扬程H和泵所提供的能量Hi是有区别的，Hi是系统在流量一定的条件下对输送设备提出的作功能力要求，而扬程是输送设备在流量一定的条件下对流体的实际作功能力。

28 风机的全压 功率和效率 通风机和泵的功率分为：轴功率P、有效功率Pe、原动机功率Pg。 常用的效率有：电机效率ηin、效率η 、机械效率ηm 、容积效率ηv 、流动效率（水力效率） ηh 、传动效率ηtm等。 ； ； ； ； ； 转速 叶轮每分钟旋转周数叫做转速，n（r/min）。

29 3.2泵与风机的性能曲线 3.2.1离心式泵与风机的性能曲线 性能曲线通常是指在一定转速下，以流量为基本变量，其他各参数随流量改变而改变的曲线。 通常的性能曲线为：q－H（p）、q－P、q－η等曲线。 （1） q－H曲线 q－H曲线表示扬程和流量之间的关系。后弯式叶片离心泵的扬程随流量的增大而下降。而前弯叶片离心风机的扬程对流量变化相对不敏感。 （2） q－P曲线 q－P等曲线反映泵的轴功率和流量之间的关系。离心泵的轴功率随流量增大而上升，流量为零时轴功率最小。 （3） q－η曲线 q－η等曲线反映泵的效率和流量之间的关系。随着流量的增大，泵的效率也随之增大并达到一最大值。当流量继续增大时，效率开始降低。这表明泵的效率只有在特定的流量点才是最大，此点即为设计工况点。

30 泵在设计工况点工作时，效率最高，运行最经济，对应的q、H、P值称为最佳工况参数。一般离心泵的铭牌上标示的性能参数都是泵在设计工况点工作时的参数，而泵的实际运行工况不一定在最高效率点，所以要规定一个工作范围，称为泵的高效率区，通常为最高效率的92％左右，选用离心泵时，应使泵在此范围内工作。 3.2.2轴流式泵与风机的性能曲线及其分析 在一定的转速下，对叶片安装角固定的轴流式泵与风机，其性能曲线和离心式泵与风机性能曲线相比有显著的区别。 轴流式泵与风机的性能曲线有以下性能特点： （1）q－H曲线呈陡降型，曲线上有拐点。 （2）q－P曲线也呈现陡降型。 （3）q－η曲线呈驼峰型。 3.3泵与风机的相似定律和比转数 相似定律常用的情况： （1）将原型泵或风机缩小为模型，进行模化实验以验证其性能是否达到要求，这在新产品设计实验中较为常用。 （2）依照现有的性能良好的机型，按相似关系进行新产品开发设计。

31 （3）由性能参数的相似关系，在改变转速、叶轮几何尺寸及流体密度时，可进行性能参数的相似换算。
3.3.1相似条件 （1）几何相似 模型和原型各对应点的几何尺寸成比例，比值相等，各对应角、叶片数相等。 （2）运动相似 模型和原型各对应点的速度方向相同，大小成同一比值，对应角相等。 （3）动力相似 模型和原型各对应点的各种同名力（重力、惯性力、粘性力等）的方向相同，大小成同一比值。动力相似条件很难完全满足，但对于泵与风机而言，只要几何相似、运动相似，就可认为动力相似了。只有几何相似才有运动相似，因而几何相似是前提条件。相似定律就是在两泵（风机）满足几何相似，且处于相似工况的前提下导出的。 3.3.2相似定律 在相似工况下，“原型”与“模型”的扬程、流量及功率有如下关系，此

32 关系又叫相似定律。 （1）流量相似关系 上式又称为流量相似定律，它指出：几何相似的泵与风机，在相似工况下运行时，其流量之比与几何尺寸之比（一般用叶轮出口直径D2）的三次方成正比，与转速的一次方成正比，与容积效率的一次方成正比。 （2）扬程（全压）相似关系（又称扬程相似定律） （3）功率相似关系（又称功率相似定律）

33 经验表明：如果模型和原型的转数和尺寸相差不大，可以认为在相似工况下运行时效率相等，则上述几个公式就可以得到简化。
3.3.3相似定律的实际应用 （1）参数变化时其他性能参数的换算 这种换算常用的有：流体密度改变时性能参数的换算；转速改变时性能参数的换算；叶轮直径改变时性能参数的换算；密度、转速、叶轮直径中多个参数同时改变时性能参数的换算。 （2）风机的无量纲性能曲线 由于同类风机具有几何相似、运动相似和动力相似的特性，因此可以采用无量纲特征数来表示其特性。 用无量纲特征数画成的曲线对同一系列的相似通风机来讲都是相同的，它综合反映了同一系列的通风机的性能（前述的性能曲线只能代表其中某一种型号风机的特性）。 无量纲特征数可用流量系数、压力系数、功率系数来表示，他们分别为： ； ； ；

34 ； 根据上述计算结果，就可绘制出 、 、 性能曲线。 （3）推算某一类型风机任意型号机的性能参数 （4）利用无量纲性能曲线选择风机 3.3.4比转数 （1）泵的比转数 （2）风机的比转数 （3）比转数的应用 用比转数对泵与风机进行分类。 用比转数进行泵与风机的相似设计。

35 4. 流动阻力及管路特性曲线 学习引导 本章从流态的分类及判定出发，介绍沿程损失和局部损失的计算；管路分类及计算特点。并以短管和长管为例分析管路阻抗及管路特性曲线。这部分内容较多，但若以能量方程为主线，则脉络比较清晰。 本章重点 （1）流态及其判定。 （2）对沿程阻力、沿程损失、沿程阻力系数、局部阻力、局部损失和局部阻力系数的理解、认识其物理意义和概念上的差别。 （3）造成沿程损失的原因、影响沿程损失的因素及沿程损失计算公式的应用。 （4）5个阻力分区的判定及不同阻力区的沿程阻力计算方法。 （5）造成局部损失的原因，及局部阻力系数计算方法。 （6）短管与长管、串联与并联管路各自的计算特点。 back

36 （7）管路阻抗与气体管路阻抗的物理意义、作用及计算方法。
（8）管路特性曲线方程的物理意义，对曲线绘制方法的理解。 （9）同一管路系统中操作条件改变时对管路特性曲线的影响。 本章难点 （1）对层流和湍流的理解需要一个从感性道理性的认识过程。 （2）对阻力分区判据和沿程阻力系数不同计算公式的应用可能有一定难度。对于经验公式的来源不必多加理会，只需了解这是实验研究的结果。也不必对公式强行记忆，能根据条件选用公式计算即可。 （3）管路阻抗是应用能量方程计算的结果，阻抗的应用是为了推出管路特性曲线，也是为管路系统的设计打下基础，是工程计算的需要。从能量方程道管路阻抗有一个过渡和适应过程，成功的过渡将有利于管路的工程计算。

37 4.1圆管内流动 4.1.1雷诺实验 1983年，英国物理学家雷诺通过实验发现了流体的两种流态，该实验称为雷诺实验。 实验发现（1）管中流动呈现两种截然不同的流动形态，两种流态间有一过渡状态。（2）流动状态的改变取决于流速。 4.1.2流态及流态的判定 （1）层流与湍流 当管内流体运动速度较低时，流体只作轴向运动，而无横向运动。实际上此时流体在管内的运动是一种分层运动，各层间互不干扰，也互不相混。这种流动状态称为层流。 流速增大到某一数值时，管内流体出现垂直于轴线方向的横向运动，流体运动不再只是层流状态的流动，开始有了一定的混合。这种流动状态称为过渡流。 管中流体速度增大到一定程度时，流体在管中的横向运动十分剧烈，流体间产生了强烈的混合。流体的层状运动被彻底打破，流体在向前流动时处于无规则的混乱状态。这种流动状态称为湍流。

38 （2）流动状态的判定 判断依据：雷诺数 雷诺数（Re）是流态转变的判断依据，只有雷诺数达到某一临界数值，就会发生流态的变化，这个雷诺数称为临界雷诺数（Recr）。 对于圆管内的流体流动： 当Re＜2000时，属于层流；当Re＞4000时，属于湍流；当2000＜ Re＜4000时，属于过渡流。 过渡流状态有一定的不稳定性，有时为层流，有时为湍流，但以湍流居多。在实际工程计算中，为了简化分析，认为当Re ＜2000时，属于层流；当Re＞2000时，属于湍流。 因此，Recr＝2000。 对于非圆管内流体的判定： 判定依据和判定方法与圆形截面管道的流态判定相同。只是把雷诺数公式中的直径d用当量直径de来代替。

39 当量直径 4.1.3圆管中的速度分布 （1）起始段与充分发展阶段 流体以均匀的速度进入管道时，靠近管壁处会形成速度边界层。边界层沿流动方向逐渐加厚。经过一段距离的发展后，边界层会在管的轴心处会合，并充满整个管道。 边界层汇合前的阶段，即边界层发展的阶段称为流体进口段。 边界层汇合后的阶段，称为流动充分发展阶段。 （2）圆管中的速度分布 圆管内的流体在管轴心处的速度最大vmax，管壁处的速度为零。 工程计算中，常使用截面平均速度v。 圆管内层流流动：

40 圆管内湍流流动： 层流流动的截面最大速度比较突出，截面速度分布比较陡峭；由于流体强烈和混合作用，湍流流动的截面速度分布相对均匀一些。 4.2能量损失 4.2.1沿程损失与局部损失 （1）沿程损失 由于流体存在粘性，流体流动中与管道壁面以及流体自身的摩擦所造成的阻力称为沿程阻力，沿程阻力所造成的流体能量损失称为沿程损失。 沿程损失可用达西公式来表示： 整个管路的沿程损失：

41 （2）局部损失 当流动边界发生急剧变化时，比如在流动方向发生改变的弯管处、管径改变的变径处、产生额外阻力的阀门等局部阻力存在而产生的能量损失，称为局部损失。 产生局部损失的原因是：流动断面发生变化时，断面流速分布发生急剧变化，并产生大量的旋涡。由于流体的粘性作用，旋涡中的部分能量转变为热能使流体升温，从而消耗机械能。 管道进口、管道的突缩、突扩部分、阀门、弯头等管件部分均会发生局部阻力。 局部损失与管长无关，只与局部管件有关： 整个管路的局部损失为： 4.2.2能量损失 整个管路的能量损失为各管段的沿程损失和各处的局部损失之和，即：

42 4.3沿程阻力系数 4.3.1沿程阻力系数的影响因素 层流流动时雷诺数较小，粘性力起着主导作用。层流的阻力也就是粘性阻力，仅仅取决于Re，而与管壁粗糙度无关。 湍流流动时雷诺数较大，其阻力由粘性阻力和惯性阻力两部分组成。粘性阻力仍然取决于雷诺数，而惯性阻力受避免粗糙度的影响较大。粗糙度对沿程损失的影响不完全取决于管壁表面粗糙突起的绝对高度K，而是取决于它的相对高度，即粗糙突起的绝对高度K与管径d的比值，K/d，称为相对粗糙度。其倒数d/K称为相对光滑度。 因此，对于层流： 对于湍流： 4.3.2尼古拉兹曲线 尼古拉兹曲线反映了λ的变化规律及影响因素，为湍流λ的计算提供了依据。

43 尼古拉兹曲线明显的分为五个区域： Ⅰ为层流区， Ⅱ为临界区， Ⅲ为湍流光滑区， Ⅳ为湍流过渡区， Ⅴ为湍流粗糙区（阻力平方区）， 4.3.3工业管道湍流沿程阻力系数计算 尼古拉兹实验是针对人工粗糙管进行的，工业生产中所用的实际管道的粗糙度不似人工粗糙度那么均匀，将尼古拉兹曲线直接应用于工业管道会有一些出入。为此，莫迪绘制了反映工业管道雷诺数Re、相对粗糙度K/d和λ对应关系的莫迪图，在图上根据Re和K/d可以查出工业管道的λ之值。 4.4局部损失计算 局部损失的计算关键的就是局部损失系数ζ的计算。一般说来，ζ仅与形成局部阻力的关键几何形态有关，而与Re无关。因而计算ζ无需判断流态，只需按管件形状选择公式计算即可。

44 4.4.1局部阻力系数计算 产生局部阻力的各种情况： （1）管径突然扩大； （2）管径逐渐扩大； （3）管径突然收缩； （4）管径逐渐收缩； （5）管道进口； （6）阀门； （7）过滤网格； （8）弯管； （9）三通。 以上各种情况的局部阻力系数的计算或采用公式或取经验数值或查表可得。 如果几个造成局部阻力的管件近距离地串接在一起，相互之间会造成干扰，使总的损失小于各损失的叠加。只有在各管件之间的距离大于3倍管径时，才能简单的叠加。

45 4.4.2减少阻力的措施 减少阻力损失的途径有二：其一是在流体中加入极少量的添加剂，以减小流体与固体壁面的摩擦阻力，此法称为添加剂减阻法，在应用中会受到一定的限制；其二是改善流道固体壁面对流动的不利影响，这方面的主要措施有： （1）减少管壁粗糙度，或用柔性管代替刚性管。 （2）改善造成局部阻力的管件流道形状。 1）采用渐变的、平顺的管道进口，有利于减少阻力。 2）采用扩散角较小的渐扩管有利于减阻。 3）弯管的阻力系数与R/d有关，R系弯管半径，d为管道直径。在尽可能的条件下选择较大的R/d，以减小阻力。 4）对于三通而言，减少支流管与总流管之间的夹角，即使切割成45度的斜角都能较少阻力，如能改为圆角则性能会更好。 4.5管路特性曲线 4.5.1管路系统的分类 按管路中流体能量损失的大小可以分为长管和短管； 按结构形式则分为简单管路和复杂管路；而复杂管路又可以分为串联

46 管路、并联管路、枝状管路和环状管路。 4.5.2管路阻抗 （1）短管的阻抗 短管的计算包括了沿程损失、局部损失和出口速度水头。 短管的管路阻抗： Sh综合反映了管道流动阻力的情况，实质上包含管道长度、直径、沿程阻力和局部阻力等多种因素在内的管道特征。 （2）长管的阻抗 4.5.3串联与并联管路特点 （1）串联管路 串联管路由不同管件的简单管路串接而成，其流动特点为：各管段流量相等，损失叠加，全管段总阻抗为各管段阻抗之和。即：

47 （2）并联管路 并联管路由若干有共同起点、共同终点的管段并接而成，类似于并联电路，其流动特点为： 并联管道流量分配定律：各支路的流量按能量损失相等的原则来分配流量。Sh大的支路流量小，反之流量大。 4.5.4管路特性曲线 管路特性曲线方程：

48 上式表示特定管路系统中、恒定操作条件下外加压头与流量的关系。可以看出：外加压头H随系统流量q的平方而变化。
将此关系绘制在以流量q和压头H为坐标的直角坐标图上，就可以得到管路特性曲线。它是一条在y轴上截距为H1的抛物线。

49 5. 泵与风机的运行与调节 学习引导 本章主要介绍泵与风机运行中的常见问题，包括汽蚀、工况调节和故障分析检修。其中汽蚀问题的分析有利于泵的正确安装和安全操作；工况调节内容则是结合曲线分析来指导设备的正确运行和管理；故障分析部分在介绍了故障现象之后强调如何分析和排出故障。总体而言，本章要求结合理论知识正确安装、操作和管理泵与风机，所以要特别注意理论与实际操作的对应与结合。 本章重点 （1）汽蚀的原理和危害。 （2）结合汽蚀原理合理确定泵安装高度和吸上真空高度。 （3）防止汽蚀的措施。 （4）泵与风机工作点的确定方法。 back

50 （5）泵与风机工作点的调整方法。 （6）串、并联后泵与风机工作点的确定，以及如何选择泵与风机的连接方式应该是并联还是串联。 （7）泵的串并联特性曲线测定实验原理及方法。 （8）振动、噪声、磨损产生的原因和防止措施。 （9）通过泵的性能曲线测定进行故障分析的方法。 本章难点 （1）结合汽蚀产生原理确定泵的安装高度，并计算允许汽蚀余量、允许吸入真空高度等参数是常见的工程计算，进行这些计算首先要了解这些参数的含义然后结合能量公式进行，因此是对以前所学理论基础的实际应用，但如果把握了解能量公式的含义，这些计算将并不复杂。 （2）泵与风机的串联和并联工作方式各有优缺点，工程中如何选择合适的联合工作方式稍有难度，但如果掌握了串并联工作特性再结合工作点的确定方法，此问题将迎刃而解。

51 （3）通过测定故障水泵或风机的性能曲线进行故障分析是常用的故障分析方法，但这种方法需要对性能曲线和各种故障现象有充分的了解，对于学生可可能还不能达到这种要求，所以对这部分内容只要求理解即可。

52 5.1泵的汽蚀和安装高度 5.1.1汽蚀原理与危害 由液体中逸出的氧气等活性气体，借助气泡凝结时放出的热量，会对金属起化学腐蚀作用。这种气泡的形成发展和破裂以致材料受到破坏的全部过程，称为汽蚀现象。 压力低处水开始发生汽化时，因为只有少量气泡，叶轮流道堵塞不严重，对泵的正常工作没有明显影响，泵的外部性能也没有明显变化。这种尚未影响道泵外部性能的汽蚀称为潜伏汽蚀。 汽蚀对泵产生诸多危害： （1）材料破坏 （2）噪声振动 （3）性能下降 5.1.2泵的安装高度和吸入口的真空高度 水池液面e－e和水泵吸入口s－s断面的能量方程为：

53 为泵的安装高度，m。 为泵吸入口处的真空高度，m。 5.1.3汽蚀余量 汽蚀余量△h是表示泵汽蚀性能的一个参数，也可用NPSH表示。 汽蚀余量可分为：有效汽蚀余量（装置汽蚀余量）和必须汽蚀余量（汽蚀余量）。 （1）有效汽蚀余量 有效汽蚀余量是指泵在吸入口处单位质量液体所具有的超过汽化压力的富余能量，即液体所具有的避免泵发生汽化的能量。 有效汽蚀余量由吸入系统的装置条件确定，与泵本身无关。 （2）必需汽蚀余量 必需汽蚀余量与吸入系统的装置情况无关，是由泵本身的汽蚀性能所确定的。

54 必须汽蚀余量是指：液体从泵吸入口至泵内压力最低点的压力降。
（3）有效汽蚀余量与必需汽蚀余量的关系 有效汽蚀余量是吸入系统所提供的在泵吸入口大于饱和蒸汽压力的富余能力。其值越大，表示泵的抗汽蚀性能越好；而必需汽蚀余量是液体从泵的吸入口至最低压力点的压力降，其值越小，则表示泵抗汽蚀性能好，可以降低对吸入系统提供的有效汽蚀余量的要求。 随流量的增加是一条下降的曲线，而 随流量的增加是一条上升的曲线。两条曲线的交点即为临界汽蚀状态点。 泵不发生汽蚀的条件为： （4）允许汽蚀余量 当 时，刚好发生汽蚀， 就称为临界汽蚀余量。 在实际工程中，为了保证安全运行，规定了一个必需的汽蚀余量，称为允许汽蚀余量。而实际应用中，还需要为其加上一个安全余量：

55 5.1.4提高泵抗蚀性能的措施 （1）提高泵本身的抗汽蚀性能 降低叶轮入口部分流速 采用双吸式叶轮 增加叶轮前盖板转弯处的曲率半径，减小局部阻力损失 叶片进口边适当加长，向吸入方向延伸，并作成扭曲形 首级叶轮采用抗汽蚀性能好的材料。 （2）提高吸入系统装置的有效汽蚀余量 减小吸入管路的流动损失 合理确定泵的几何安装高度 采用诱导轮 采用双重翼叶轮 采用超汽蚀泵 5.2泵与风机的工作点 5.2.1工作点的确定 将泵或风机的性能曲线和管路特性曲线同绘在一张坐标图上，泵或风

56 即的性能曲线和管路特性曲线相交于一点，该点即为泵在管路系统中的实际工作点。
工作点的确定，对泵与风机的选用和维修、调节具有指导性的意义： （1）对泵与风机进行选配时，除了必须满足按工程需要所确定的参数外，其工况必须和工作点接近，即必须在最高效率区，以保证运行的经济性。 （2）实际工作中对泵与风机的运行需求是变化的。这就常常需要改变泵与风机的工作点，即调节工况。 （3）泵或风机在运行中出现故障时，也常常利用工作点（特性曲线）的变化情况指导维修工作。 5.2.2工作点的稳定 泵或风机的管路特性曲线与性能曲线的上升部分相交的点称为泵或风机的不稳定工作点。 如果泵或风机的性能曲线没有上升区段，就不会出现工作的不稳定性，因此泵或风机应当设计成性能曲线只有下降形的。 若泵或风机的性能曲线时是驼峰形的，则工作范围要始终保持在性能曲线的下降区段，这样就可以避免不稳定的工作。

57 5.2.3工作点调节 从工作点的定义出发，调整工作点，可以改变泵与风机本身的性能曲线，也可以改变管路的特性曲线，当然两条曲线同时改变也是常用的调节方法。其常用的方法有： （1）多台泵或风机的串并联运行调节。 （2）改变阀门开度进行调节。 （3）改变转速调节。 （4）切削水泵叶轮调节。 5.3泵与风机运行故障分析 泵与风机的运行对制冷、通风等系统的安全、经济性问题十分重要。而泵与风机在运行中会出现很多问题，这些问题可分为三大类： （1）第一类问题是水力问题，是由于泵本身部件或泵的传动部件发生了故障，使泵不能按照额定流量、扬程和效率等性能参数来运行，如汽蚀等。 （2）第二种类型问题是机械问题，表现为噪声、振动和过热等现象，并可能导致水力故障，使泵性能不能满足要求。 （3）第三类问题实际上也是水力问题，但一般是由于管道配置和试验方

58 法不正确所引起。这类问题，因判断很困难，要加以解决，较之解决第一、第二类问题，要付出较大的代价。
5.4.1离心泵常见故障现象和检修 （1）振动 运行过程中，常常由于各种原因而引起振动，严重时甚至威胁到泵的安全运转。但其振动原因是很复杂的，特别是进行大中型制冷装置设计时，泵的振动问题尤为突出。 1）流体流动引起的振动 汽蚀引起振动 旋转失速引起振动 水力冲击引起振动 2）机械引起的振动 转子质量不平衡引起振动 转子中心不正引起振动 转子的临界转速引起振动 动、静部分之间的摩擦引起振动

59 平衡盘设计不良引起振动 3）泵的防振措施 在机器基础下面设置隔振器，是泵常用的防振措施，而常用的隔振器有弹性材料隔振器和弹簧隔振器。 常用的隔振材料有：塑料、橡胶、软木、酚醛树脂玻璃纤维板、金属弹簧等。 （2）噪声 泵在一定工况下运转时产生的噪声主要包括空气动力性噪声和机械噪声两部分。 机械噪声是由于机械摩擦撞击产生的噪声。 空气动力噪声主要是由于机械或流体的节率性振动使周围空气产生受迫振动而产生的。 一般泵的消声措施： 合理选择泵型式，尽可能选择低速后弯叶片型的离心泵，并使工作点接近最高效率点运行。 电动机与叶轮的传动方式最好是直联，其次是用联轴器。必须间接连接传动时，应采用无缝的三角皮带。

60 流道内的流体流速不能太大，以减少由于流体波动产生的噪声。
泵的进、出口应避免急转弯，并采用软性接头。通风机、电动机都应安装在隔振基础上。 （3）磨损 泵高速运转，若吸入的流体中含有杂质和灰尘颗粒，就会因对叶片产生高速冲击而造成叶轮和外壳的磨损。一般，对小型的、低速的泵不存在这种问题，但对高速的泵一定要注意这方面的问题。 防止和减少磨损的方法： 首先是改进除尘器，提高除尘效率，其次是适当增加叶片厚度，在叶片表面易磨损的部位堆焊硬质合金，把叶片根部加厚加宽；还可用离子喷焊铁铬硼硅，刷耐磨涂料；选择合适的叶型，减少灰尘的冲击。

61 6. 管路系统设计与配置 学习引导 本章是前面几章内容的综合，重点介绍了风管系统和水管系统的配置原则和设计原则、方法步骤和设计实例。通过实例介绍了最常见管路的配置原理和设计方法、步骤；通过实例同时对流体力学理论基础和流体机械基础知识的应用进行了示范。因此，在学习的时候，重点一是要掌握管路设计的方法和步骤，重点二是要了解常用的一些经验性计算方法。 本章重点 （1）风管系统的配置原则、设计原理，设计方法和步骤，设计中需要注意的问题。 （2）水管系统的配置原则、设计原理，设计方法和步骤，设计中需要注意的问题。 （3）风机的选型。 （4）泵的选型。 back

62 本章难点 （1）本章是对以前章节内容的高度综合和应用，所以具有一定的难度。以实例为示范可以对以前所学的知识点的应用情况和具有含义有更深的理解，所以只要自己进行一次设计练习，对本书将会有一个更深的理解。 （2）本章的另一个难点是：在设计有许多计算使用的是经验式或经验方法。这些经验性的东西可能难以理解，因为都是通过工程实践或实验得出的东西，但只要知道怎样应用就可以了，不需要深究。

63 6.1风管系统的设计与配置 6.1.1风管系统的配置 （1）根据工程要求确定送风口或吸风口的形式、位置、数量；同时确定风机及其他设备的位置，布置合理的风管路线；绘制风管系统的轴测图（或管道走向示意图），对\管道编号并标注长度。 （2）风管的材料和形状选择：空调系统风管材料一般采用薄钢板涂漆或镀锌薄钢板；风管形状常用的有圆管和矩形管。 （3）布置风管时要考虑的因素有：尽量缩短管线，避免复杂的局部构件、减少分支管线，节省材料，减少系统阻力。此外，还应便于施工，以及运行调节和检修方便。 （4）预留测量孔及检修孔：为了方便系统调节，干管上分支点前后一般应预留测压孔，测压孔断面距前后局部构件分别不小于5倍及2倍的风管直径（或矩形风管的长边）。在通风机出口处气流较稳定的管段上亦应留有测量孔（测压孔及测温孔）。 （5）还应注意的是：弯管部分因尽量采用大的曲率半径。在r/b小于1.0时，要装导流叶片，使阻力减少。

64 6.1.2风管系统的设计 一般风管系统设计的步骤： （1）配置好并绘制风管走向示意图。 （2）根据给定的表格选择各管段内的风速，并计算管道断面。在确定断面时尽量选择标准规格的风管。 （3）按选定的管道断面，求实际管内流速，然后计算各管段的摩擦阻力及局部阻力。在计算时选定系统最不利管路作为计算的出发点。 （4）按系统阻力平衡的原则，确定其他分支管段的管径，且使各相连\支管间的阻力平衡，在不可能通过调整分支管径使阻力平衡时，则利用风阀进行调节。 （5）管路系统的阻力加上空气处理装置的阻力之和为风管系统的总阻力，据此选择风机。在选择风机时，一般要考虑有10％～15％的富裕量，以补偿可能存在的漏风和阻力计算偏差。 风管设计中的几点注意事项： （1）对于一般精确度不是要求很高的通风系统，风管压力可进行粗略计算。 （2）对于风道阻力计算，方法很多，在一般的通风空调系统中，用的最

65 多的是等压损法和假定速度法。 （3）对于空调系统，在计算总阻力时要考虑空气在通过过滤器、换热器等空调装置时的压力损失。对于其他系统也是一样的。 （4）计算处流量扬程等关键参数并以此为依据选择风机时，如果系统的风量过大而一台风机的风量又不够时，可以在系统中并联设置两台或多台风机。 6.2水管系统的配置与设计 6.2.1水管系统的配置 （1）典型的水管系统要求 典型的水管系统对各个管段均有规定的要求，具体要求可以查相关规定。 （2）离心泵的配管要求 为了避免管道、阀门的重量及管道热应力所产生的力和力矩超过泵进出口的最大允许外载荷，在泵的吸入和排出管道上须设置管架。 为了提高泵的吸入性能，泵吸入管路应尽可能缩短，尽量减少拐弯，以减少管道阻力损失。 为防止泵汽蚀，泵吸入管应尽可能避免积聚气体的囊形部位。

66 单吸泵的进口处，最好配置一段约3倍进口直径的直管。
双吸入泵，为了避免双向吸入水平离心泵的汽蚀，双吸入管要对称布置，以保证两边流量分配均匀。 泵出口的截止阀和止回阀之间用泄液阀放净。 泵在运行中一般有较大的振动，与泵连接的管线应很好地固定。 6.2.2水管系统的设计 （1）水管系统的设计原则 系统应具备足够的输送能力，经济合理的确定管材、管径以及水泵台数、型号、规格； 具有良好的水力工况稳定性，重视并联环路间的阻力平衡； 满足部分负荷时的调节要求； 便于管理维修保养工作； 对于选择的泵要满足生产实际需要的流量和扬程的要求，还要满足汽蚀性能的要求； 泵的运行效率高，工作点处在高效、稳定区内。 （2）水管系统的设计步骤：

67 确定水管系统的开闭形式。 确定系统为定水量系统还是变水量系统，并采取相应措施。 确定水管系统布置图，并确定各管段的管材、管径和连接方式，标好长度尺寸。 据表选择各管段内的水流速，并计算管道断面。 按选定的管道断面，求实际管内流速，然后计算各管段的摩擦阻力及局部阻力。 按系统阻力平衡的原则，确定其他分支管段的管径，且使各联支管间的阻力平衡，在不可能通过调整分支管段使阻力平衡时，则利用水量调节阀或平衡阀进行调节。 管路系统的阻力加上其他装置的阻力之和为水管系统的总阻力，据此选择水泵。 （3）离心泵的选型方法和步骤 确定输送系统的流量和扬程 选择泵的类型和型号 核算泵的轴功率 确定离心泵的安装高度

68 the end ^_^