流体力学，泵与风机
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研究流体的运动和平衡规律，以及流体与固体之间相互作用的一门科学。
换句话说，流体力学的主要任务是研究流体与物体之间的相互作用，以及流体在静止或运动时所遵循的基本规律。
流体力学：
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目录1. 流体的物理性质2. 流体的机械能守恒 3. 流动阻力及管路特性曲线4. 流体机械的分类和结构5. 流体压力的测量
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(1) 粘性
(2) 可压缩性
(3) 易流动性（即受剪切力作用可产生变形）
1. 流体的基本物理性质
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1.1 流体作为连续介质的假设
在研究宏观的流体流动时不考虑流体分子之间的间隙，而将流体看作是由无数流体质点连续地、无空隙地充满的介质。
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1.2 流体的压力，密度
压力： 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：
P=F/A
单位： Pa (1Pa=1N/m2)
单位换算： 1MPa=106Pa 1bar=0.1Mpa 1mmH2O=0.918Pa 1atm=1.0133*105Pa
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压力流体的性质（ 1）流体压力的方向总是于作用面垂直，并指向作用面
（ 2）静止流体内部任意点处的流体静压力在各方向上是相等的。
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流体的密度 :
流体的密度指单位体积流体的质量。密度随流体种类、压力而变化。
流体的比体积—流体密度的倒数称为比容。
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1.3 压缩性与膨胀性
流体的压缩性：流体受到压缩体积就要变小的特性。
在一般工程中，通常把气体作为可压缩流体来处理。
流体的膨胀性：物体具有热胀冷缩的性质，流体也不例外，称为流体的膨胀性。
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1.4 流体的粘性
μ为比例系数，通常称作动力粘度，是个物性系数，与流体的种类、温度有关。
两板间的流体速度 u 呈线性分布
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牛顿内摩擦定律
单位面积的摩擦阻力：
牛顿内摩擦定律：单位面积的摩擦力与速度梯度成正比，其比例系数为μ。
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粘性流体
实际流体均具有粘性，即μ≠0，所以实际流体又称为粘性流体。μ＝ 0的流体则称为理想流体。 静止流体，粘性表现不出来，所以对流体力学而言，静止流体既可作为理想流体，也可作为粘性流体。
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2 流体力学基础• 流动的几个基本概念• 层流与紊流• 管内流速分布• 流体动力学基本方程
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2.1 流体流动的几个基本概念 迹线 —— 某一流体质点在一段时间内运动的轨迹。
流线—流线是一条空间曲线，在某一瞬时，此曲线上每一点的速度矢量总是在该点与此曲线相切。
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流线： 在定常流动条件下，任意一流体质点总有自己确定的轨迹，流线不能相交，因为在同一瞬时，同一空间点上不可能有几个流动方向。
定常流动时，流线与迹线重合，且流线形状及位置始终不变。而在非定常流动时，流线要随时间变化。
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有效截面 : 若截面与流束中每一流线都正交，此截面称为有效截面。
对不同的截面，有效截面可以如图选取。
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流量——单位时间通过有效截面的流体量。
体积流量 m3/s 重量流量 N/s 质量流量 kg/s
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2.2 流体的机械能守恒 机械能：由流体的位置、压力和运动所决定的位能、压力能和动能。
位能： mgz压力能： mp/动能： mv2/2
比机械能： 1kg流体所具有的位能、压力能和动能的总和。
比位能： gz比压力能： p/比动能： v2/2
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流体的机械能守恒 静止流体和运动流体都遵循能量的守恒原理，用一个统一的关系式进行描述。
位置 1流体比机械能 = 位置 2流体比机械能 +1 和 2间比能量损失
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理想流体的伯努利方程如果质量力仅仅是重力 f=mg
• z为单位重量流体具有的位势能，又称位置高度或位置水头；
• 为单位重量流体具有的压强势能，又称压强高度或压强水头；
• 为单位重量流体具有的动能，又称速度水头或动压头。
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整个流场所有各点的总机械能为一常数。
能量方程中，压强标准要一致。
22 流体中总水头线是沿程下降的，而测压管水头线可沿程上升、下降或不变。
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2.3 流体动力学基本方程
（ 1） 流体流动的连续性方程 ：
流入控制面的流体质量 ＝ 流出控制面的流体质量
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（ 2）能量方程
• 理想流体的伯努利方程• 粘性流体总流的伯努利方程
流体力学的基本方程：• 连续性方程• 伯努利方程
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粘性流体总流的伯努利方程
对于粘性流体，由于存在摩擦阻力，耗掉了流体的部分机械能，所以总机械能逐步减少。
粘性流体管流，测压管水头线沿程的变化可能上升，下降，或保持不变。
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流体流动基本方程的应用• 求流速• 求压力• 同时求流速和压力
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3 流动阻力及管路特性曲线• 流态的判断
• 流动阻力
• 管路特性曲线
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3.1 层流与紊流 :
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流动状态的判定
雷诺数 Re：反映惯性力与粘性力的对比关系
临界雷诺数 Re
层流
湍流
Revd
Re 2000
Re 2000
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3.2 管内流速分布 一般情况下，某一截面（例如：管内流动的某一截面）的流体速度分布并非线性函数，而是曲线分布。
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圆管内的速度分布
工程计算中 , 使用界面平均速度 v。
对于圆管内的层流流动：
对于圆管内的湍流流动：
max
2
vv
max0.8v v
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3.3 管路能量损失
粘性流体沿管道流动的总流伯努里方程为
hw是粘性流体从截面 1流到截面 2处，单位重量流体所损失的能量，它等于所有沿程损失和局部损失之和，即：
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沿程损失 hf是在每段缓变流区域内单位重量流体沿流程的能量损失。
λ为沿程损失系数，它与流体的粘度，流速、管道内径和管壁粗糙度等因素有关，是一个无量纲系数，除层流流动外，一般需要由试验确定。
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局部损失
局部损失 hj是当管道中因截面面积或流动方向的改变所引起的流动急剧变化时，单位重量流体的能量损失，通常表示为
式中 称为局部损失系数，也是一个无量纲系数，根据引起流动的各种管件，由试验来确定。
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总损失 总损失 hw等于各段沿程损失 hf和局部损失 hj之和。
若求沿程损失 hf和局部损失 hj，就必须确定沿程损失系数 λ和局部损失系数 。
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3.4 圆管中的层流流动 圆管中层流流动过流断面上的流速分布为旋转抛物面，流速分布：
圆管中层流流动沿程压强损失与速度的一次方成正比。沿程能量损失，简称沿程损失为：
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非圆截面管路沿程损失的计算 非圆截面管道的沿程损失，
当量直径则定义为：
A—过水截面面积；x—湿周；R—水力半径。
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非圆截面管道• 对充满流体的矩形截面管道
• 充满流体的环形截面管道
• 充满流体的管束（流动为垂直于纸面方向的纵掠）。
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3.5 管路中的局部损失
当流体流过阀门、变截面管道（例如管道截面突然扩大和缩小）、弯管等管件时，由于流动状态急剧变化，流体质点之间发生碰撞、产生旋涡等原因，在管件附近的局部范围内产生的能量损失，称为局部损失或局部阻力。
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局部损失
管道截面突然扩大
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弯管弯管也是管路系统中的常用管件，弯管可引起另外一种典型的局部损失，但弯管只改变流体的流动方向，不改变平均流速的大小。弯管的局部阻力主要包括两部份：（ 1）旋涡损失；（ 2）二次流损失。
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减小局部损失的措施 1. 管道进口：尽量将管道的进口加工成圆滑的进口，实验证明，圆滑的进口可减少局部损失系数 90%以上。
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2．弯管 避免在弯管的内外侧产生较大的旋涡区，又可减小二次流的范围。
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3．三通 为减小流体流过三通的局部损失，可在总管中安装合流板与分流板，如下图所示。或者尽可能地减小支管与合流管之间的夹角。
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减少局部损失的方法： 主要思想： 尽量将管件转角加工成圆角，使突然扩大和突然缩小改变成逐渐扩大与逐渐缩小，并选择最佳的扩散角。并尽量使管件的边壁接近流线型，以避免旋涡的产生。
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3.6 管路计算
因为管路系统的能量损失，包括沿程损失和局部损失两种，通常根据这两种能量损失在总能量损失中所占比例的大小而将管道分为长管与短管。
按结构形式分：管径及流量沿程没有发生变化的管路，为简单管路；而管径及流量沿程没有发生变化的为复杂管路；
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所谓长管即计算管路总能量损失时，以沿程损失为主，速度水头与局部损失之和小于沿程损失的 5%，即
所谓短管即局部损失和速度水头之和占总能量损失中相当大的一部分。
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用于管路计算的公式也有三个，即：（ 1）连续方程
（ 2）伯努利方程
其中 E为管路系统的外加能量，例如管路中串联一台泵，则 E为泵的扬程。
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（ 3）管路能量损失公式
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简单管路 简单管路就是管路直径不变，没有支管分出的管路。在简单管路中流速沿流程不变。
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复杂管路： 串联管路 所谓串联管路即由几段不同管径的简单管路串联而成。串联管路有以下两个特点：（ 1）串联管路的总能量损失等于各简单管路的能量损失之和。即：
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（ 2）串联管路的总流量沿流程不变
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再由连续方程
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求流量 Q：
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例题：已知各管长度，沿程损失，局部损失值，但各段速度未知，求下面串联管路内的管内流量
取两个参考面： 水箱水平面，出口面；据此写伯努利方程：
（ 1)
3+0+0=0+0+
2 21 1 2 2
1 2 1 32 2
p v p vz z h
g g g g
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再由连续方程：
（ 2）
求出
代入式（ 2），求得具体的 h1-3将 h1-3代入式 (1) 求出 v2,v1 流量： Q=A1V1
1 1 2 3
22 23 31 1 2 2
1 1 2 2 3 31 2 3
( ) ( ) ( )2 2 2
m l l lh h h h
l vl v l v
d g d g d g
V1=
322 3
1 1
1AA
v v vA A
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并联管路 几条简单管路或串联管路的入口端与出口端分别连接在一起，这样的管路就称为并联管路。
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（ 1）并联管路中各支管的能量损失相等。并联管路各支管上的阻力损失相等
各支管的能量损失相等，仅表示流过各支管单位重量流体的能量损失相等，而通过各支管的流量可能不同。
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（ 2）并联管路的总流量等于各支管分流量之和。
K 称为流量模数，它综合反映了管道断面形状、尺寸以及管壁粗糙度对输水能力的影响。显然，流量模数 K与流量 Q具有相同的量纲。
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利用这三个公式，即可解决并联管路中流量分配，水头计算以及管径选择等问题。
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关于管路阻抗 Sh
由于并联管路，总流量为分流量相加，而各管路能量损失相等，则可推到出：
• 并联管路总的阻抗平方根倒数等于各支路阻抗平方根倒数之和。
2h vH S q
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3.7 分支管路——管网 （ 1）枝状管网：所谓枝状管网，即由干管与支管组成的管路系统。干管将总流量分配至每个支管。支管末端，互不相接，如图所示。
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枝状管网的计算，主要是确定各管段的直径以及管网的水头损失，在此基础上，确定H，再选择水泵，或确定水塔高度。
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（ 2 ）环状管网 所谓环状管网，即是由若干管道相互连接组成的一些环形回路，而从每一个节点流出的流量可分别来自不同的环形回路，如下图所示。
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3.7管路特性曲线 管路特性曲线： 表示流体通过某一特定管路所需要的压头与流量的关系。
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管路特性曲线方程 ①曲线在 H 轴上截距；管路所需最小外加压头； ②高阻管路，曲线较陡；低阻管路曲线较平缓。③管路特性曲线的形状有管路布局和流量等条件来确定，而与离心泵的性能无关。
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4. 流体机械的分类和结构以流体为工作介质来转换能量的机械。按能量转换分类：• 原动机是将流体的能量转变为机械能，用来输出轴功率。如汽轮机、燃气轮机、水轮机等。
• 工作机是将机械能转变为流体的能量，用来改变流体的状态 (提高流体的压力、使流体分离等 )与输送流体。如压缩机、泵、分离机等。
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泵
泵是把原动机的机械能转换为液体的能量的机器。
原动机（电动机、柴油机等）通过泵轴带动叶轮旋转，对液体作功，使其能量（包括位能、压能和动能）增加，从而使液体输送到高处或要求有压力的地方。
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（ 1）按工作原理分：
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（ 2）按压力分
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叶片式泵与风机的基本理论 讨论泵与风机的原理和性能，就是要：• 研究流体在泵与风机内的流动规律，从而找出流体流动与各过流部件几何形状之间的关系，
• 确定适宜的流道形状，以便获得符合要求的水力（气动）性能。
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流体在叶轮内的流动分析
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• 离心式泵的工作原理
离心式泵与风机的主要工作部件是叶轮。当原动机带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片迫使流体旋转，即叶片对流体沿它的运动方向作功，从而使流体的压力势能和动能增加。同时，流体在惯性力的作用下，从中心向叶轮边缘流去并以很高的速度流出叶轮进入压出室（导叶或蜗壳），再经扩散管排出，这个过程称为压水（气）过程。由于叶轮中心的流体流向边缘，在叶轮中心形成低压区，当它具有足够的真空时，在吸入端压强的作用下，流体经吸入室进入叶轮，这个过程称为吸水（气）过程。由于叶轮连续地旋转，流体也就连续地排出、吸入，形成离心式泵与风机的连续工作。
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（ 2）轴流式泵与风机的工作原理 流体沿轴向流入叶片通道，当叶轮在原动机驱动下旋转时，旋转着的叶片给绕流流体一个轴向的推力（根据流体力学可知，流体对叶片作用有一个升力，同时根据作用力与反作用力相等的原理，叶片也作用给流体一个与升力大小相等方向相反的力，即这一推力），此叶片的推力对流体作功，使流体的能量增加并沿轴向排出。叶轮连续旋转即形成轴流式泵与风机的连续工作。
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翼型和叶栅的概念
轴流泵与风机的叶轮理论
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轴流式泵与风机特点： 流量大，扬程低，流体轴向流入，轴向流出； 结构简单，重量相对较轻，叶片角度可调，变工况特性良好
用场： 大型制冷系统的送引风机，循环水泵
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轴流式泵与风机 适用范围： 工作范围很窄，适合于能头变化大时，要求流量变化不大的场合。
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（ 3 ）泵与风机的总效率
泵与风机的总效率等于有效功率和轴功率之比。泵与风机的总效率 h等于机械效率 hm 、容积效率 hV和流动效率 hh三者的乘积。
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机械损失： 由泵轴与轴承之间、泵轴与填料之间、叶轮盖板
外表面与液体之间长生的摩擦而引起的能量损失。
容积损失： 泵泄露造成的损失。
水力损失： 流体在流经流体机械时，由于粘性而与通道产生的
摩擦损失，以及在局部地区由于流动情况突变而产生的局部阻力。
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目前，离心式泵的总效率视其大小、结构形式的不同约在 0.45-0.92 之间；离心风机的总效率约在 0.5-0.93 之间；
轴流泵总效率约为 0.74-0.98；轴流风机的总效率约为 0.5-0.9。
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泵与风机的性能曲线离 心 式 清 水 泵
型号： IS65-50-160 转速： 2900r/min流量： 25m3/h 效率： 66 ％扬程： 32m 电机功率： 4kW允许吸上真空高度： 7m 重量： 40kg出厂编号： 出厂： 年 月 日
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管路特性曲线及工作点
泵与风机的性能曲线，只能说明泵与风机自身的性能，但泵与风机在管路中工作时，不仅取决于其本身的，而且还取决于管路系统的性能，即管路特性曲线。由这两条曲线的交点来决定泵与风机在管路系统中的运行工况
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（ 4）泵与风机的运行工况点 性能曲线上的点——可能的工况点—→运行工况点？——管路系统有关
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泵、风运行工况点的稳定性
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影响泵与风机运行工况点变化的一些因素1.吸入空间（压出空间）压强（位高）变化的影响
2. 密度变化的影响 3. 流体含固体杂质时运行工况点的变化 除此之外，流体的粘性变化，管路的积垢、积灰、结焦、泄漏、堵塞等都会影响泵与风机的运行工况点，
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泵或风机的工作点当风机供给的风量不能符合实际要求时，可采取以下三种方法进行调整 :
（一） 减少或增加管网的阻力 (压力 )损失
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(二 )更换风机
(三 )改变风机转数
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（ 5）泵内汽蚀现象 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。
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
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汽蚀表面现象汽蚀后的叶轮
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汽蚀通常发生的部位：
轴流式泵轴流式泵 离心式泵离心式泵
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从运行角度出发如何防止？
提高泵抗蚀性能的措施：
（ 1）控制泵的流量：泵的工作流量不应大于额定流量；不应小于允许的最小流量。
（ 2）限制泵的转速。（ 3）不允许采用泵的入口阀门调节流量（ 4）泵启动时空运行时间不能过长。
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5. 流体压力的测量单管测压计
毕托管测速原理
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U形管测压计
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