1、1.流體與流體機械2.流體力學基礎3.泵與風機的性能4.流動阻力及管路特性曲線5.泵與風機的運行與調節6.管路系統設計與配置學習引導學習引導 本章介紹流體、流體機械、流體性質及幾種主要流體機械的結構。對流體機械在空調制冷系統中的應用也將通過實踐環節進行介紹。本章重點本章重點 （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 （3）流體機械的分類 （4）離心式泵與風機的運行原理和組成結構 （5）軸流式泵與風機的運行原理和組成結構 （6）泵與風機在制冷系統中的應用back本章難點本章難點 （1）絕對壓力、表壓力和真空度的關系，以及壓力單位的換算。 （2）對流體粘滯性的認識有一定難度。

2、粘滯性表現為阻礙流體流動 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 內摩擦力的數學表達式定義的，該定義式涉及速度梯度的概念。速度、速度梯度和內摩擦力都具有方向性。 （3）表面張力和毛細管現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機的各個組成結構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原理和功能要求設計的，且與材料力學等有密切的聯系。這些原理 性內容在后續章節中會具體講述，所以

3、本章只要了解即可。 概述概述幾個基本概念流體： 通俗的講能夠流動的物質（液體和氣體）。 力學術語在任何微小剪切力作用下都能夠連續變形的物質。流體力學： 研究流體運動規律，并運用這些規律解決工程實際問題的學科。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：泵與風機1.1 流體的物理性質流體的物理性質 流體的物理性質包括：密度、比體積、壓力、壓縮性、熱脹性、粘滯性、表面張力特性。1.1.1壓力（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）。其表達式：AFp （2）壓力的單位 國際單位制中，壓力的單位為Pa。 1N/m2、kPa、MPa 工程實際中，還會

4、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系。（3）壓力的分類 絕對壓力：p（工質的真實壓力） 相對壓力：表壓力pe、真空度pv（用壓力計測得的工質計示壓力） 絕對壓力當地大氣壓力時 p=pb+pe 絕對壓力當地大氣壓力時 p=pb-pe1.1.2密度和體積（1）密度 流體的密度指單位體積流體的質量，即為（kg/m3）。 其表達式為：Vm（2）比體積 流體的比體積指單位質量的流體所占有的體積，即為v（m3/kg）。 其表達式為： 或1.1.3壓縮性和熱脹性 流體受壓時體積縮小、密度增大的性質，稱為流體的壓縮性；流體受熱時體積膨脹、密度減

5、小的性質，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表示，它表示單位壓增所引起的體積變化率。表達式為： 液體的熱脹性用體脹系數表示，它表示單位溫升所引起的體積變化率。表達式為： 液體的壓縮性和熱脹性都很小，一般情況下可以忽略。mVv 1vdpVdVdTVdV（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方程來描述，即：1.1.4粘度 流體阻礙流層間相對運動的性質稱為粘滯性。 粘度可分為：動力粘度、運動粘度 / 牛頓內摩擦定律：1.1.5表面張

6、力特性表面張力： 自由液面附近的液體分子，來自液體內部的吸引力大于來自氣體分子TRpgAdyduAT 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： 液體自由表面與其他介質相交曲線上單位線性長度上所承受的作用力，記為（N/m）。毛細管現象： 細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象都稱為毛細管現象，所用細管稱為毛細管。 毛細管現象是表面張力造成的，通過簡單的推導可以計算毛細管中液體上升或下降的高度。水在毛細管中上升的高度為h時，液柱的重量為r

7、2hg，方向垂直向下。液體表面張力為2r ，方向沿曲線切向方向斜指向上。若切線與垂直線的夾角為，則液柱的高度表達式為：cos2grh 1.2流體機械分類和結構流體機械分類和結構1.2.1流體機械的分類按工作介質分類： 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機和鼓風機。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。1.2.2葉輪式泵與風機的結構與運行管理 葉輪式泵與風機一般根據作功原理可以分為離心式、軸流式和混流式。（1）離心式泵與風機的工作原理和結構特性 離心泵啟動前需要使泵體和水管內充滿水，然后啟動電動機帶動葉輪高速旋轉，產生的離心力使流體隨之旋轉

8、從而獲得能量。流體沿離心方向流出葉輪進入螺旋形機殼，將部分動能轉化為壓力能，再通過排水管排出。葉輪連續旋轉，在葉輪入口處不斷形成真空，從而使流體連續不斷地被泵吸入和排出。 1）離心泵的主要部件葉輪葉輪 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。吸入室吸入室 在最小水力損失下，引導液體平穩地進入葉輪，并使葉輪進口處的流速盡可能均勻分布。機殼機殼 收集來自葉輪的液體，并使部分流體的動能轉化為壓力能，最后將流體均勻地引向次級葉輪或導向排出口。減漏環減漏環 減少泵殼內高壓區的排出液體返回低壓區的流量。密封裝置密封裝

9、置 防止壓力增加時流體的泄漏。軸向力平衡裝置軸向力平衡裝置 平衡軸向力。2）離心式風機的主要部件吸入口和進氣箱進氣箱只有當進風口需要轉彎時才采用。葉輪前彎式、后彎式、徑向式。機殼收集來自葉輪的氣體，并將部分動壓轉化為靜壓，最后將氣體導向出口。導流器進口風量調節器支撐與傳動方式（2）軸流式泵與風機的工作原理和部件結構1）軸流泵的工作原理和部件結構 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軸器與電動機連接。當電動機帶動葉輪做高速

10、旋轉時，由于葉片對流體的推力作用，迫使進入機殼的流體產生回轉及向前的運動，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過固定在機殼上的導葉，旋轉運動轉化為軸向運動，于是旋轉的動能便轉化為壓力能，然后流體再通過出水口流出。2）軸流式風機的機構 軸流式風機主要由圓形風筒、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、擴壓管等組成。 軸流式風機的種類很多：有單級軸流式風機、雙級軸流式風機、長軸 式軸流風機。（3）混流泵 混流泵內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

11、蝸殼式和導葉式兩種。1.2.3容積式及其他類型泵與風機（1）容積泵 容積泵中最常見的是活塞式泵（往復泵） 。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）其他類型泵與風機 其他類型的泵與風機有：貫流式風機、水環式真空泵、噴射泵、旋渦泵。其中，旋渦泵是一種特殊結構的離心泵，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。學習引導學習引導 本章將從能量守恒關系出發引出液體靜力學方程和穩定流能量方程。液體靜力學方程闡述了靜止液體中不同位置的壓力關系。穩定流能量方程則表明

12、了流道中不同斷面間比機械能和比能量損失的相互關系。由于氣體密度差異較大，氣體能量方程顯現不同的特點。穩定流能量方程和連續性方程共同組成了流體流動的基本方程。應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）連續性方程的實質。back （5）穩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及意義。 （7）穩定氣流能量方程各

13、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，基準面和計算斷面的選取有一定的靈活性。巧妙地選取基準面和計算斷面可以減少未知量數目，達到簡化計算的目的。有時更需要進行間接計算，這方面的計算也會有一定困難。在參考例題計算的基礎上多做習題，困難就會很容易解決。2.1流體的機械能守恒2.1.1流體的機械能流體的機械能： 流體的機械能是指由于流體的位置、壓力和運動所決定的位能、壓力能和動能，單位為J或kJ。 流體

14、因處于地球重力場內具有的能量稱為位能。 位能mgz 壓力能又稱靜壓能，是流體因存在一定的靜壓力而具有的能量。 壓力能mp/ 動能是指流體因按一定速度運動所具有的能量。 動能mv2/2流體的比機械能： 1kg流體所具有的位能、壓力能和動能分別稱為流體的比位能、比壓力能和比動能，其總和為比機械能，單位為J/kg或kJ/kg。流體的能量損失 運動中的流體由于克服摩擦阻力會造成一部分能量損失，損失的能量 轉變為熱量散失到環境中而難以回收，故為永久損失。單位質量流體的能量損失稱為比能量損失，即為h，單位為J/kg。 靜止流體不會發生能量損失。2.1.2流體的機械能守恒 位置1流體的比機械能位置2流體的比

15、機械能12流體 的比能量損失 即： 上式對靜止流體和運動流體均適用。2.2液體靜壓強分布規律2.2.1液體的靜壓力分布規律 液體的靜壓力方程： 液體的靜壓力方程的另一種更為實用的形式液體靜力學基本方程：2112222211122Hvpgzvpgz常數gpzghpp02.2.2測壓管水頭 z 位置水頭，表征比位能，單位m； 測壓管水頭，又稱壓力水頭，表征比壓力能，單位m； 靜止液體的總水頭，表征比機械能，單位m。2.2.3連通器 工程中經常使用U形管測定液體的壓差或壓力。這些測壓管和被測容器構成了連通器，其實質為幾個連通的液體容器。 求解連通器問題的目的是為了計算連通器中某點壓力。連通器問題的求

16、解是液體的靜壓力方程的具體應用。 （1）連通器中同一種液體相同高度的兩個液面壓力相等。 （2）連通器的兩段液柱間有氣體時，應注意到氣體空間各點壓力相等。 （3）連通器中若裝有相同的液體，但兩邊液面上的壓力不等，則承受壓力較高的一側液面位置較低，承受壓力較低的一側液面位置較高。gpzgp（4）連通器中裝有密度不同而又互不相混的兩種液體，且兩側液面上壓力相等時，密度較小液體的一側液面較高，密度較大液體的一側液面較低。2.3一元流體動力學基本方程式2.3.1基本概念（1）穩定流與非穩定流 流體速度和壓力隨時間而改變的流動稱為非穩定流。 流體速度和壓力均不隨時間而改變的流動稱為穩定流。（2）一元流、二

17、元流和三元流 穩定流中，若流動參數是x、y、z三維空間坐標的函數，則此流動稱為三元流動，又稱為空間流動。 若所有流動參數僅僅是兩個坐標變量的函數，而與另一坐標變量無關，這種流動稱為二元流動，又稱平面流動。 所有流動參數的變化僅與一個坐標變量有關的流動，稱為一元流動。 uu（x） 上式表示的是最簡單的流動。工程實際中的流動一般為三元流動，但 為了簡化計算，一般將三元流動簡化為二元流動，甚至是一元流動。2.3.2連續性方程 不可壓縮流體的連續性方程：2.3.3穩定流能量方程（1）穩定流能量方程 將上述能量守恒方程左右兩端同除以g，則方程變形為： 上式又稱為伯努利方程。 伯努利方程各項物理意義的實質

18、仍為相應的比能量，但單位為m，因此又稱為各種水頭。（2）穩定流能量方程的適用條件穩定流以及流速隨時間變化緩慢的近似穩定流。21qq 2211AvAv2112222211122Hvpgzvpgz2112222211122hgvgpzgvgpz不可壓縮流體。適用于壓縮性極小的流體和流速不太高的氣體。只有壓力變化較大，流速很高的氣體才考慮其壓縮性。斷面應取在緩變流部分。方程的推導前提是兩斷面間沒有能量的輸入或輸出。如果有能量的輸入，比如斷面間有水泵或風機；或者有能量的輸出，比如斷面間有水輪機，則可將輸入的單位能量Hi或輸出的單位能量Ho，分別加在方程的左邊和右邊，從而使位置能量守恒關系，但要注意單位

19、的統一。方程的推導沒有考慮分流和合流的情況，如果出現分流，則有兩個特點。 其一，流量關系為：2112222211122hgvgpzHgvgpzi2112222211122hHgvgpzgvgpzo321qqq 其二，單位質量流體的能量守恒關系仍然存在，只是分別表現為斷面12和斷面13的兩個能量關系式而已。（3）水頭和水頭線 總水頭，即為H。其中三項分別為位置水頭、壓力水 頭、流速水頭。 測壓管水頭，記為 。 能量方程可以寫成上下游斷面總水頭的形式，即：2112222211122hgvgpzgvgpz3112333211122hgvgpzgvgpzgvgpz22gpzPH21121hHH 而測壓

20、管水頭是同一斷面總水頭與流速水頭之差，即：2.3.4穩定氣流能量方程（1）穩定氣流能量方程 能量方程在流速不高（68m/s），壓力變化不大時同樣適用于氣體。對于氣體流動，能量方程中各項水頭之值不大，習慣上將方程各項乘以g轉變為壓力。因此，能量方程就變為： 式中p1和p2代表絕對壓力。對于液體流動，能量方程中可以采用絕對壓力，也可以采用相對壓力；而對于氣體，能量方程只能采用絕對壓力。 絕對壓力為相對壓力與當地大氣壓之和，大氣壓力隨高度的增加而減少。因此，對于氣體流動，在高度差大，氣體密度和空氣密度不等的情況下，必須考慮大氣壓的差異。gvHHP222112222211122pvpgzvpgzebp

21、pp穩定氣流能量方程2.3.5基本方程式的應用穩定流能量方程和連續性方程統稱為流體流動的基本方程。 基本方程式的作用是解決流體流動的計算問題。在工程實際中流動計算有三種類型：求流速、求壓力、同時求流速和壓力。其他諸如求流量、水頭等問題都以流速和壓力的計算為前提。將能量方程和連續性方程聯立即可完成上述計算。在應用能量方程時應嚴格檢查適應條件。 求解流動計算問題一般可按下列步驟進行：（1）分析流動；（2）選取基準面；（3）選取計算斷面；（4）列出能量方程，代入題示或已確定的已知量計算。211222122112)(2pvpzzgvpeae學習引導學習引導 本章主要介紹多種表征泵與風機性能的方式，有反

22、映作功能力和耗能、效率的銘牌參數，有反映參數間關系的性能曲線，有表征系列相似產品特性的相似定律和比轉數。這些性能表達方式所描述的性能有所區別，可在不同場合進行應用。掌握這些參數、性能曲線和相似定律和比轉數的含義和應用方法，是進行泵與風機性能分析和選型設計的基礎。本章重點本章重點 （1）常用的銘牌參數的含義和計算方法。 （2） qH曲線、qP曲線、q曲線的含義，這些曲線對工程上泵與風機的選型、運行管理的指導意義。 （3）性能曲線測定實驗的目的、步驟和結論。 （4）相似定律所包含的幾種相似關系。相似定律的意義和實際應用。利用相似定律進行泵與風機選型和設計的方法。back （5）比轉數的計算方法、含

23、義和應用。利用比轉數對泵與風機進行相似設計和選型的方法。本章難點本章難點 （1）泵的揚程表示的是單位質量的液體在泵內獲得的凈機械能，這與伯努利方程中的外加能量有區別，需要特別注意。 （2）對泵與風機的性能曲線進行分析，了解泵與風機的作功特性，并以之作為根據確定科學的操作程序和針對性的選型，要求對性能曲線的含義有充分了解還需要較高的分析能力，所以具有一定的難度。 （3）相似理論和比轉數在理解其定義和功能上有一些難度，而利用這些相似定律和比轉數進行工程設計和設備選型則需要較多的練習才能掌握。但是，結合生活實例將對理解和應用都有所幫助 。3.1泵與風機的銘牌參數 每臺泵或風機的機殼上都有一個銘牌，銘

24、牌上的參數表征泵與風機在設計轉速下運行、效率最高時的一些參數。 常用的銘牌參數包括：（1）流量 單位時間內泵與風機所輸送的流體數量稱為流量，它可以表示為體積流量、質量流量和重力流量。其中，最常用的是體積流量。（2）泵的揚程和風機的全壓泵的揚程 單位質量的液體在泵內所獲得的有效機械能叫泵的揚程，也即每單位質量液體在泵內獲得的凈機械能，以符號H表示，單位為mH2O。 從上式可以看出： 揚程H和泵所提供的能量Hi是有區別的，Hi是系統在流量一定的條件下對輸送設備提出的作功能力要求，而揚程是輸送設備在流量一定的條件下對流體的實際作功能力。2112211222222hHgvgpzgvgpzHi風機的全壓

25、功率和效率 通風機和泵的功率分為：軸功率P、有效功率Pe、原動機功率Pg。 常用的效率有：電機效率in、效率 、機械效率m 、容積效率v 、流動效率（水力效率） h 、傳動效率tm等。 ； ； ； ； ； 轉速 葉輪每分鐘旋轉周數叫做轉速，n（r/min）。gHvpgzvpgzp2222112222inginPPgtmPPPPe12qqv PPPm機械損失PPP水力損失h 3.2泵與風機的性能曲線3.2.1離心式泵與風機的性能曲線 性能曲線通常是指在一定轉速下，以流量為基本變量，其他各參數隨流量改變而改變的曲線。 通常的性能曲線為：qH（p）、qP、q等曲線。（1） qH曲線 qH曲線表示揚程

26、和流量之間的關系。后彎式葉片離心泵的揚程隨流量的增大而下降。而前彎葉片離心風機的揚程對流量變化相對不敏感。（2） qP曲線 qP等曲線反映泵的軸功率和流量之間的關系。離心泵的軸功率隨流量增大而上升，流量為零時軸功率最小。（3） q曲線 q等曲線反映泵的效率和流量之間的關系。隨著流量的增大，泵的效率也隨之增大并達到一最大值。當流量繼續增大時，效率開始降低。這表明泵的效率只有在特定的流量點才是最大，此點即為設計工況點設計工況點。 泵在設計工況點工作時，效率最高，運行最經濟，對應的q、H、P值稱為最佳工況參數。一般離心泵的銘牌上標示的性能參數都是泵在設計工況點工作時的參數，而泵的實際運行工況不一定在

27、最高效率點，所以要規定一個工作范圍，稱為泵的高效率區，通常為最高效率的92左右，選用離心泵時，應使泵在此范圍內工作。3.2.2軸流式泵與風機的性能曲線及其分析 在一定的轉速下，對葉片安裝角固定的軸流式泵與風機，其性能曲線和離心式泵與風機性能曲線相比有顯著的區別。 軸流式泵與風機的性能曲線有以下性能特點：（1）qH曲線呈陡降型，曲線上有拐點。（2）qP曲線也呈現陡降型。（3）q曲線呈駝峰型。3.3泵與風機的相似定律和比轉數相似定律常用的情況：（1）將原型泵或風機縮小為模型，進行模化實驗以驗證其性能是否達到要求，這在新產品設計實驗中較為常用。（2）依照現有的性能良好的機型，按相似關系進行新產品開發

28、設計。（3）由性能參數的相似關系，在改變轉速、葉輪幾何尺寸及流體密度時，可進行性能參數的相似換算。3.3.1相似條件（1）幾何相似 模型和原型各對應點的幾何尺寸成比例，比值相等，各對應角、葉片數相等。（2）運動相似 模型和原型各對應點的速度方向相同，大小成同一比值，對應角相等。（3）動力相似 模型和原型各對應點的各種同名力（重力、慣性力、粘性力等）的方向相同，大小成同一比值。動力相似條件很難完全滿足，但對于泵與風機而言，只要幾何相似、運動相似，就可認為動力相似了。只有幾何相似才有運動相似，因而幾何相似是前提條件。相似定律就是在兩泵（風機）滿足幾何相似，且處于相似工況的前提下導出的。3.3.2相

29、似定律 在相似工況下，“原型”與“模型”的揚程、流量及功率有如下關系，此關系又叫相似定律。（1）流量相似關系 上式又稱為流量相似定律，它指出：幾何相似的泵與風機，在相似工況下運行時，其流量之比與幾何尺寸之比（一般用葉輪出口直徑D2）的三次方成正比，與轉速的一次方成正比，與容積效率的一次方成正比。（2）揚程（全壓）相似關系（又稱揚程相似定律）（3）功率相似關系（又稱功率相似定律）)(322表示模型表示原型，mpnnDDqqvmvpmpmpmphmhpmpmpmpnnDDHH2222mpmmmpmpmpmpnnDDPP3522 經驗表明：如果模型和原型的轉數和尺寸相差不大，可以認為在相似工況下運行

30、時效率相等，則上述幾個公式就可以得到簡化。3.3.3相似定律的實際應用（1）參數變化時其他性能參數的換算 這種換算常用的有：流體密度改變時性能參數的換算；轉速改變時性能參數的換算；葉輪直徑改變時性能參數的換算；密度、轉速、葉輪直徑中多個參數同時改變時性能參數的換算。（2）風機的無量綱性能曲線 由于同類風機具有幾何相似、運動相似和動力相似的特性，因此可以采用無量綱特征數來表示其特性。 用無量綱特征數畫成的曲線對同一系列的相似通風機來講都是相同的，它綜合反映了同一系列的通風機的性能（前述的性能曲線只能代表其中某一種型號風機的特性）。 無量綱特征數可用流量系數、壓力系數、功率系數來表示，他們分別為：

31、 ； ； ；2224uDqq22upp 322241000uDPP ； 根據上述計算結果，就可繪制出 、 、 性能曲線。（3）推算某一類型風機任意型號機的性能參數（4）利用無量綱性能曲線選擇風機3.3.4比轉數（1）泵的比轉數（2）風機的比轉數（3）比轉數的應用用比轉數對泵與風機進行分類。用比轉數進行泵與風機的相似設計。 Ppq 6022nDu pq Pq q 43pqnny4365. 3Hqnns學習引導學習引導 本章從流態的分類及判定出發，介紹沿程損失和局部損失的計算；管路分類及計算特點。并以短管和長管為例分析管路阻抗及管路特性曲線。這部分內容較多，但若以能量方程為主線，則脈絡比較清晰。本

32、章重點本章重點 （1）流態及其判定。 （2）對沿程阻力、沿程損失、沿程阻力系數、局部阻力、局部損失和局部阻力系數的理解、認識其物理意義和概念上的差別。 （3）造成沿程損失的原因、影響沿程損失的因素及沿程損失計算公式的應用。 （4）5個阻力分區的判定及不同阻力區的沿程阻力計算方法。 （5）造成局部損失的原因，及局部阻力系數計算方法。 （6）短管與長管、串聯與并聯管路各自的計算特點。back （7）管路阻抗與氣體管路阻抗的物理意義、作用及計算方法。 （8）管路特性曲線方程的物理意義，對曲線繪制方法的理解。 （9）同一管路系統中操作條件改變時對管路特性曲線的影響。本章難點本章難點 （1）對層流和湍流

33、的理解需要一個從感性到理性的認識過程。 （2）對阻力分區判據和沿程阻力系數不同計算公式的應用可能有一定難度。對于經驗公式的來源不必多加理會，只需了解這是實驗研究的結果。也不必對公式強行記憶，能根據條件選用公式計算即可。 （3）管路阻抗是應用能量方程計算的結果，阻抗的應用是為了推出管路特性曲線，也是為管路系統的設計打下基礎，是工程計算的需要。從能量方程到管路阻抗有一個過渡和適應過程，成功的過渡將有利于管路的工程計算。4.1圓管內流動4.1.1雷諾實驗 1983年，英國物理學家雷諾通過實驗發現了流體的兩種流態，該實驗稱為雷諾實驗。 實驗發現（1）管中流動呈現兩種截然不同的流動形態，兩種流態間有一過

34、渡狀態。（2）流動狀態的改變取決于流速。4.1.2流態及流態的判定（1）層流與湍流 當管內流體運動速度較低時，流體只作軸向運動，而無橫向運動。實際上此時流體在管內的運動是一種分層運動，各層間互不干擾，也互不相混。這種流動狀態稱為層流層流。 流速增大到某一數值時，管內流體出現垂直于軸線方向的橫向運動，流體運動不再只是層流狀態的流動，開始有了一定的混合。這種流動狀態稱為過渡流過渡流。 管中流體速度增大到一定程度時，流體在管中的橫向運動十分劇烈，流體間產生了強烈的混合。流體的層狀運動被徹底打破，流體在向前流動時處于無規則的混亂狀態。這種流動狀態稱為湍流湍流。（2）流動狀態的判定判斷依據：雷諾數 雷諾

35、數（Re）是流態轉變的判斷依據，只有雷諾數達到某一臨界數值，就會發生流態的變化，這個雷諾數稱為臨界雷諾數（Recr）。對于圓管內的流體流動： 當Re2000時，屬于層流；當Re4000時，屬于湍流；當2000 Re4000時，屬于過渡流。 過渡流狀態有一定的不穩定性，有時為層流，有時為湍流，但以湍流居多。在實際工程計算中，為了簡化分析，認為當Re 2000時，屬于層流；當Re2000時，屬于湍流。 因此，Recr2000。對于非圓管內流體的判定： 判定依據和判定方法與圓形截面管道的流態判定相同。只是把雷諾數公式中的直徑d用當量直徑de來代替。vdvdRe當量直徑4.1.3圓管中的速度分布（1）

36、起始段與充分發展階段 流體以均勻的速度進入管道時，靠近管壁處會形成速度邊界層。邊界層沿流動方向逐漸加厚。經過一段距離的發展后，邊界層會在管的軸心處會合，并充滿整個管道。 邊界層匯合前的階段，即邊界層發展的階段稱為流體進口段流體進口段。 邊界層匯合后的階段，稱為流動充分發展階段流動充分發展階段。（2）圓管中的速度分布 圓管內的流體在管軸心處的速度最大vmax，管壁處的速度為零。 工程計算中，常使用截面平均速度v。圓管內層流流動：的周邊長度流道截面上被流體濕潤流道截面積（水力半徑）44HeRd2maxvv 圓管內湍流流動： 層流流動的截面最大速度比較突出，截面速度分布比較陡峭；由于流體強烈和混合作

37、用，湍流流動的截面速度分布相對均勻一些。4.2能量損失4.2.1沿程損失與局部損失（1）沿程損失 由于流體存在粘性，流體流動中與管道壁面以及流體自身的摩擦所造成的阻力稱為沿程阻力沿程阻力，沿程阻力所造成的流體能量損失稱為沿程損沿程損失失。 沿程損失可用達西公式達西公式來表示： 整個管路的沿程損失：max8 . 0 vv gvdlhf22ffhh總（2）局部損失 當流動邊界發生急劇變化時，比如在流動方向發生改變的彎管處、管徑改變的變徑處、產生額外阻力的閥門等局部阻力存在而產生的能量損失，稱為局部損失局部損失。 產生局部損失的原因是：流動斷面發生變化時，斷面流速分布發生急劇變化，并產生大量的旋渦。

38、由于流體的粘性作用，旋渦中的部分能量轉變為熱能使流體升溫，從而消耗機械能。 管道進口、管道的突縮、突擴部分、閥門、彎頭等管件部分均會發生局部阻力。 局部損失與管長無關，只與局部管件有關： 整個管路的局部損失為：4.2.2能量損失 整個管路的能量損失為各管段的沿程損失和各處的局部損失之和，即：gvhm22mmhh總mfhhh14.3沿程阻力系數4.3.1沿程阻力系數的影響因素 層流流動時雷諾數較小，粘性力起著主導作用。層流的阻力也就是粘性阻力，僅僅取決于Re，而與管壁粗糙度無關。 湍流流動時雷諾數較大，其阻力由粘性阻力和慣性阻力兩部分組成。粘性阻力仍然取決于雷諾數，而慣性阻力受表面粗糙度的影響較

39、大。粗糙度對沿程損失的影響不完全取決于管壁表面粗糙突起的絕對高度K，而是取決于它的相對高度，即粗糙突起的絕對高度K與管徑d的比值，K/d，稱為相對粗糙度相對粗糙度。其倒數d/K稱為相對光滑度相對光滑度。 因此，對于層流： 對于湍流：4.3.2尼古拉茲曲線 尼古拉茲曲線反映了的變化規律及影響因素，為湍流的計算提供了依據。(Re)f)(Re,dKf 尼古拉茲曲線明顯的分為五個區域： 為層流區， 為臨界區， 為湍流光滑區， 為湍流過渡區， 為湍流粗糙區（阻力平方區），4.3.3工業管道湍流沿程阻力系數計算 尼古拉茲實驗是針對人工粗糙管進行的，工業生產中所用的實際管道的粗糙度不似人工粗糙度那么均勻，將

40、尼古拉茲曲線直接應用于工業管道會有一些出入。為此，莫迪繪制了反映工業管道雷諾數Re、相對粗糙度K/d和對應關系的莫迪圖莫迪圖，在圖上根據Re和K/d可以查出工業管道的之值。4.4局部損失計算 局部損失的計算關鍵的就是局部損失系數的計算。一般說來，僅與形成局部阻力的關鍵幾何形態有關，而與Re無關。因而計算無需判斷流態，只需按管件形狀選擇公式計算即可。(Re)1f(Re)2f(Re)3f)(Re,4dKf)(5dKf 4.4.1局部阻力系數計算 產生局部阻力的各種情況：（1）管徑突然擴大；（2）管徑逐漸擴大；（3）管徑突然收縮；（4）管徑逐漸收縮；（5）管道進口；（6）閥門；（7）過濾網格；（8）

41、彎管；（9）三通。 以上各種情況的局部阻力系數的計算或采用公式或取經驗數值或查表可得。 如果幾個造成局部阻力的管件近距離地串接在一起，相互之間會造成干擾，使總的損失小于各損失的疊加。只有在各管件之間的距離大于3倍管徑時，才能簡單的疊加。4.4.2減少阻力的措施 減少阻力損失的途徑有二：其一是在流體中加入極少量的添加劑，以減小流體與固體壁面的摩擦阻力，此法稱為添加劑減阻法，在應用中會受到一定的限制；其二是改善流道固體壁面對流動的不利影響，這方面的主要措施有：（1）減少管壁粗糙度，或用柔性管代替剛性管。（2）改善造成局部阻力的管件流道形狀。1）采用漸變的、平順的管道進口，有利于減少阻力。2）采用擴

42、散角較小的漸擴管有利于減阻。3）彎管的阻力系數與R/d有關，R系彎管半徑，d為管道直徑。在盡可能的條件下選擇較大的R/d，以減小阻力。4）對于三通而言，減少支流管與總流管之間的夾角，即使切割成45度的斜角都能較少阻力，如能改為圓角則性能會更好。4.5管路特性曲線4.5.1管路系統的分類 按管路中流體能量損失的大小可以分為長管和短管； 按結構形式則分為簡單管路和復雜管路；而復雜管路又可以分為串聯 管路、并聯管路、枝狀管路和環狀管路。4.5.2管路阻抗（1）短管的阻抗 短管的計算包括了沿程損失、局部損失和出口速度水頭。 短管的管路阻抗： Sh綜合反映了管道流動阻力的情況，實質上包含管道長度、直徑、

43、沿程阻力和局部阻力等多種因素在內的管道特征。（2）長管的阻抗4.5.3串聯與并聯管路特點（1）串聯管路 串聯管路由不同管件的簡單管路串接而成，其流動特點為：各管段流量相等，損失疊加，全管段總阻抗為各管段阻抗之和。即：42)1 (8dgSeh528dglSH（2）并聯管路 并聯管路由若干有共同起點、共同終點的管段并接而成，類似于并聯電路，其流動特點為： 并聯管道流量分配定律：各支路的流量按能量損失相等的原則來分配流量。Sh大的支路流量小，反之流量大。4.5.4管路特性曲線 管路特性曲線方程：321qqq321hhhSSS321qqqq2233222211qSqSqSqShhhh3213211:1

44、:1:hhhSSSqqq2121qSHHHHh 上式表示特定管路系統中、恒定操作條件下外加壓頭與流量的關系。可以看出：外加壓頭H隨系統流量q的平方而變化。 將此關系繪制在以流量q和壓頭H為坐標的直角坐標圖上，就可以得到管路特性曲線。它是一條在y軸上截距為H1的拋物線。學習引導學習引導 本章主要介紹泵與風機運行中的常見問題，包括汽蝕、工況調節和故障分析檢修。其中汽蝕問題的分析有利于泵的正確安裝和安全操作；工況調節內容則是結合曲線分析來指導設備的正確運行和管理；故障分析部分在介紹了故障現象之后強調如何分析和排除故障。總體而言，本章要求結合理論知識正確安裝、操作和管理泵與風機，所以要特別注意理論與實

45、際操作的對應與結合。本章重點本章重點 （1）汽蝕的原理和危害。 （2）結合汽蝕原理合理確定泵安裝高度和吸上真空高度。 （3）防止汽蝕的措施。 （4）泵與風機工作點的確定方法。 back （5）泵與風機工作點的調整方法。 （6）串、并聯后泵與風機工作點的確定，以及如何選擇泵與風機的連接方式應該是并聯還是串聯。 （7）泵的串并聯特性曲線測定實驗原理及方法。 （8）振動、噪聲、磨損產生的原因和防止措施。 （9）通過泵的性能曲線測定進行故障分析的方法。本章難點本章難點 （1）結合汽蝕產生原理確定泵的安裝高度，并計算允許汽蝕余量、允許吸入真空高度等參數是常見的工程計算，進行這些計算首先要了解這些參數的含

46、義然后結合能量公式進行，因此是對以前所學理論基礎的實際應用，但如果把握了解能量公式的含義，這些計算將并不復雜。 （2）泵與風機的串聯和并聯工作方式各有優缺點，工程中如何選擇合適的聯合工作方式稍有難度，但如果掌握了串并聯工作特性再結合工作點的確定方法，此問題將迎刃而解。 （3）通過測定故障水泵或風機的性能曲線進行故障分析是常用的故障分析方法，但這種方法需要對性能曲線和各種故障現象有充分的了解，對于學生可能還不能達到這種要求，所以對這部分內容只要求理解即可。 5.1泵的汽蝕和安裝高度5.1.1汽蝕原理與危害 由液體中逸出的氧氣等活性氣體，借助氣泡凝結時放出的熱量，會對金屬起化學腐蝕作用。這種氣泡的

47、形成發展和破裂以致材料受到破壞的全部過程，稱為汽蝕現象汽蝕現象。 壓力低處水開始發生汽化時，因為只有少量氣泡，葉輪流道堵塞不嚴重，對泵的正常工作沒有明顯影響，泵的外部性能也沒有明顯變化。這種尚未影響道泵外部性能的汽蝕稱為潛伏汽蝕潛伏汽蝕。 汽蝕對泵產生諸多危害：（1）材料破壞（2）噪聲振動（3）性能下降5.1.2泵的安裝高度和吸入口的真空高度 水池液面ee和水泵吸入口ss斷面的能量方程為：12222hgvgpzgvgpzssseee 為泵的安裝高度，m。 為泵吸入口處的真空高度，m。5.1.3汽蝕余量 汽蝕余量h是表示泵汽蝕性能的一個參數，也可用NPSH表示。 汽蝕余量可分為：有效汽蝕余量（裝

48、置汽蝕余量）和必須汽蝕余量（汽蝕余量）。（1）有效汽蝕余量 有效汽蝕余量是指泵在吸入口處單位質量液體所具有的超過汽化壓力的富余能量，即液體所具有的避免泵發生汽化的能量。 有效汽蝕余量由吸入系統的裝置條件確定，與泵本身無關。（2）必需汽蝕余量 必需汽蝕余量與吸入系統的裝置情況無關，是由泵本身的汽蝕性能所確定的。gesHzzsesHgppah122hHgpgpgpgvgphgvevssarh 必須汽蝕余量是指：液體從泵吸入口至泵內壓力最低點的壓力降。（3）有效汽蝕余量與必需汽蝕余量的關系 有效汽蝕余量是吸入系統所提供的在泵吸入口大于飽和蒸汽壓力的富余能力。其值越大，表示泵的抗汽蝕性能越好；而必需汽

49、蝕余量是液體從泵的吸入口至最低壓力點的壓力降，其值越小，則表示泵抗汽蝕性能好，可以降低對吸入系統提供的有效汽蝕余量的要求。 隨流量的增加是一條下降的曲線，而 隨流量的增加是一條上升的曲線。兩條曲線的交點即為臨界汽蝕狀態點。 泵不發生汽蝕的條件為：（4）允許汽蝕余量 當 時，剛好發生汽蝕， 就稱為臨界汽蝕余量。 在實際工程中，為了保證安全運行，規定了一個必需的汽蝕余量，稱為允許汽蝕余量。而實際應用中，還需要為其加上一個安全余量： gpgvgphkssr22ahrh rahhhminhhhraminh ehhmin5.1.4提高泵抗蝕性能的措施（1）提高泵本身的抗汽蝕性能降低葉輪入口部分流速采用雙

50、吸式葉輪增加葉輪前蓋板轉彎處的曲率半徑，減小局部阻力損失葉片進口邊適當加長，向吸入方向延伸，并作成扭曲形首級葉輪采用抗汽蝕性能好的材料。（2）提高吸入系統裝置的有效汽蝕余量減小吸入管路的流動損失合理確定泵的幾何安裝高度采用誘導輪采用雙重翼葉輪采用超汽蝕泵5.2泵與風機的工作點5.2.1工作點的確定 將泵或風機的性能曲線和管路特性曲線同繪在一張坐標圖上，泵或風 即的性能曲線和管路特性曲線相交于一點，該點即為泵在管路系統中的實際工作點實際工作點。 工作點的確定，對泵與風機的選用和維修、調節具有指導性的意義：（1）對泵與風機進行選配時，除了必須滿足按工程需要所確定的參數外，其工況必須和工作點接近，即

51、必須在最高效率區，以保證運行的經濟性。（2）實際工作中對泵與風機的運行需求是變化的。這就常常需要改變泵與風機的工作點，即調節工況。（3）泵或風機在運行中出現故障時，也常常利用工作點（特性曲線）的變化情況指導維修工作。5.2.2工作點的穩定 泵或風機的性能曲線的上升部分與管路特性曲線相交的點稱為泵或風機的不穩定工作點不穩定工作點。 如果泵或風機的性能曲線沒有上升區段，就不會出現工作的不穩定性，因此泵或風機應當設計成性能曲線只有下降形的。 若泵或風機的性能曲線時是駝峰形的，則工作范圍要始終保持在性能曲線的下降區段，這樣就可以避免不穩定的工作。5.2.3工作點調節 從工作點的定義出發，調整工作點，可

52、以改變泵與風機本身的性能曲線，也可以改變管路的特性曲線，當然兩條曲線同時改變也是常用的調節方法。其常用的方法有：（1）多臺泵或風機的串并聯運行調節。（2）改變閥門開度進行調節。（3）改變轉速調節。（4）切削水泵葉輪調節。5.3泵與風機運行故障分析 泵與風機的運行對制冷、通風等系統的安全、經濟性問題十分重要。而泵與風機在運行中會出現很多問題，這些問題可分為三大類：（1）第一類問題是水力問題，是由于泵本身部件或泵的傳動部件發生了故障，使泵不能按照額定流量、揚程和效率等性能參數來運行，如汽蝕等。（2）第二種類型問題是機械問題，表現為噪聲、振動和過熱等現象，并可能導致水力故障，使泵性能不能滿足要求。（

53、3）第三類問題實際上也是水力問題，但一般是由于管道配置和試驗方 法不正確所引起。這類問題，因判斷很困難，要加以解決，較之解決第一、第二類問題，要付出較大的代價。5.4.1離心泵常見故障現象和檢修（1）振動 運行過程中，常常由于各種原因而引起振動，嚴重時甚至威脅到泵的安全運轉。但其振動原因是很復雜的，特別是進行大中型制冷裝置設計時，泵的振動問題尤為突出。1）流體流動引起的振動汽蝕引起振動旋轉失速引起振動水力沖擊引起振動2）機械引起的振動轉子質量不平衡引起振動轉子中心不正引起振動轉子的臨界轉速引起振動動、靜部分之間的摩擦引起振動平衡盤設計不良引起振動3）泵的防振措施 在機器基礎下面設置隔振器，是泵

54、常用的防振措施，而常用的隔振器有彈性材料隔振器和彈簧隔振器。 常用的隔振材料有：塑料、橡膠、軟木、酚醛樹脂玻璃纖維板、金屬彈簧等。（2）噪聲 泵在一定工況下運轉時產生的噪聲主要包括空氣動力性噪聲和機械噪聲兩部分。 機械噪聲是由于機械摩擦撞擊產生的噪聲。 空氣動力噪聲主要是由于機械或流體的節率性振動使周圍空氣產生受迫振動而產生的。 一般泵的消聲措施：合理選擇泵型式，盡可能選擇低速后彎葉片型的離心泵，并使工作點接近最高效率點運行。電動機與葉輪的傳動方式最好是直聯，其次是用聯軸器。必須間接連接傳動時，應采用無縫的三角皮帶。流道內的流體流速不能太大，以減少由于流體波動產生的噪聲。泵的進、出口應避免急轉

55、彎，并采用軟性接頭。通風機、電動機都應安裝在隔振基礎上。（3）磨損 泵高速運轉，若吸入的流體中含有雜質和灰塵顆粒，就會因對葉片產生高速沖擊而造成葉輪和外殼的磨損。一般，對小型的、低速的泵不存在這種問題，但對高速的泵一定要注意這方面的問題。 防止和減少磨損的方法： 首先是改進除塵器，提高除塵效率，其次是適當增加葉片厚度，在葉片表面易磨損的部位堆焊硬質合金，把葉片根部加厚加寬；還可用離子噴焊鐵鉻硼硅，刷耐磨涂料；選擇合適的葉型，減少灰塵的沖擊。學習引導學習引導 本章是前面幾章內容的綜合，重點介紹了風管系統和水管系統的配置原則和設計原則、方法步驟和設計實例。通過實例介紹了最常見管路的配置原理和設計方法、步驟；通過實例同時對流體力學理論基礎和流體機械基礎知識的應用進行了示范。因此，在學習的時候，重點一是要掌握管路設計的方法和步驟，重點二是要了解常用的一些經驗性計算方法。本章重點本章重點 （1）風管系統的配置原則、設計原理，設計方法和步驟，設計中需要注意的問題。 （2）水管系統的配置原則、設計原理，設計方法和步驟，設計中需要注意的問題。 （3）風機的選型。 （4）泵的選型。back本章難點本章難點 （1）本章是對以前章節內容的高度綜合和應用，所以具有一定的難度。以實例為