化工机械中的流动分析.pptVIP

第十一章 化工机械中的典型流动分析 前言 化工机械主要目的：实现流体（包括流态化颗粒或粉末）介质的各种物理、化学过程 大多数化工机械设备要与流体接触 这些机械设备可分为两大类： 回转机械类，如泵、压缩机、离心机、风机、燃气轮机和蒸汽轮机等 静止设备类，如各种过滤机、搅拌槽、换热器、塔和各种容器等 流体在其中的流动形式多种多样，是工程流体力学研究的主要领域之一 本章将讨论化工机械中的一些典型流动 11.1 叶轮机械中的流体流动 叶轮机械又称为透平机械，如燃气轮机、蒸汽轮机、水轮机、离心泵、离心风机、轴流风机、离心压缩机、轴流压缩机等 是化工机器中的一个大类 其基本特征是机器内包含一个转子，转子上有一个或多个叶轮，叶轮是主要的过流部件 叶轮机械的基本功能是: 实现流体与转子之间的能量交换 若按叶轮与流体之间的能量传递关系分类，叶轮机械可分为叶轮对流体做功的流体输送机械和流体对叶轮做功的流体动力机械 前者如离心泵、离心压缩机和风机，等 后者如气轮机和水轮机，等 按流体的性质分类，则气体压缩机和气轮机等的工作流体是可压缩性的，泵和水轮机等的工作流体是不可压缩的 按流体在叶轮中的流动方式，可以分类为径流式和轴流式两种 11.1.1 叶轮机械工作原理 (1) 叶轮机械基本结构 根据流体的流动方式，叶轮机械分成径流式和轴流式两种类型 如图11—1是一种两级轴流压缩机原理图 转子上有两组叶片，因随转子运动而被称为动叶片 在静止的壳体上也有两组叶片，相应地称为静叶片 一组动叶片和一组静叶片配合构成压缩机的一级 从左边进口吸入的气体，经第一级静叶片导入动叶片，获得能量后经第二级静叶片导人第二级动叶片，气体能量再被提升 这种叶轮机械的特点是，转子上的叶片径向长度较短，在机器内流体的流动方向基本上沿轴向方向，因此而被称为轴流式叶轮机械 如图11—2是一级离心泵的原理图 转子上有若干由中心向外沿展开的叶片，液体从泵中心的进口被导入叶片，液体获得能量后从叶轮边沿排出 在这种机器中，叶片径向长度几乎等于转子的半径，流体流过叶轮的流动基本上沿转子的径向方向，因此被称为径流式机械 (2) 叶轮机械的相似关系 在流体力学实验方法中，已了解了流 体机械相似的基本概念 叶轮机械流体力学的一个基点就是流 动相似性 在考虑叶轮机械的流动相似问题时，选取下面的有关参数来构造无因次的相似准数 叶轮直径 D 流体运动粘度 叶轮转速 N 重力加速度 g 流体流量 qv 流体总压头增量 H 用p、v、z分别表示流体压力、速度和位高，则叶轮机械的流体总压头或总能量可表示为 (11-1) 由相似理论的π定理，可以将叶轮机械中的流动用上述参数关联成无因次准数函数关系 （11-2） 如果将叶轮线速度 Ul＝ ND 代入上式括号中第四项 则可见 ND2 / ＝ Ul Dρ /μ就是雷诺数 这里姑且将其称为旋转雷诺数 旋转雷诺数反映了流体惯性力和粘性力对叶轮机械中流体流动的影响 对于旋转雷诺数足够大的情况，流体粘滞性的影响可以忽略不计 因次分析式中将不出现粘性项，于是无因次准数函数关系可写成如下形式 将上式改写成 式(11—4)左边无因次数是单位质量流体具有的机械能与叶轮线速度的平方之比，称为压头系数 右边括号内的无因次数可以看成流体出口速度与叶轮线速度之比，称为流动系数 压头系数反映流体动力相似，而流动系数则反映运动相似 对于几何相似的叶轮机械，从压头系数和流动系数可以导出第三个无因次数群——比转速 其定义为 比转速是流动系数的平方根与压头系数的四分之三次方之比 其主要意义是用于不同类型叶轮机械之间的比较，以便选出最适合工作需要的一种，使机器能达到最大效率 (3) 叶轮机械中流体力学基本方程 如图11-3是叶轮机械的流体力学模型将机壳内的空间取为控制体 该控制体包含叶轮转子和壳体内的所有流体 对这个流体力学模型作如下的基本假设 ①在控制体的进出口，流体均为一维流动，且方向任意 ②控制体内为稳态流动 ③控制体与外界无热交换 ④流体内无化学反应