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1,第11章 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析,2,11 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析,一、過(guò)程工業(yè),定義 在工業(yè)生產(chǎn)中，很多生產(chǎn)過(guò)程處理的物料為流程性物料，如氣體、液體、粉體等。過(guò)程工業(yè)就是以流程性物料為主要處理對(duì)象，完成各種生產(chǎn)過(guò)程的工業(yè)。 范圍 在化肥、石油化工、生物化工、制藥、農(nóng)藥、燃料、食品、煉油、輕工、熱電、核工業(yè)、公用工程、濕法冶金、環(huán)境保護(hù)等。,3,11 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析（續(xù)）,4,二、成套過(guò)程裝置,,11 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析（續(xù)）,——由一系列的過(guò)程機(jī)器和過(guò)程設(shè)備按一定的流程方式，用管道、閥門(mén)等連接起來(lái)的一個(gè)獨(dú)立的密閉聯(lián)系系統(tǒng)，再配以必要的控制儀表和設(shè)備，即能平穩(wěn)連續(xù)地使以流體為主的各種流程性材料，在裝置內(nèi)部經(jīng)歷必要的物理、化學(xué)過(guò)程，制造出人們需要的新的流程性材料產(chǎn)品。,5,11 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析（續(xù)）,管道,重油加氫脫硫和制氫裝置,6,11 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析（續(xù)）,三、 過(guò)程裝備,在過(guò)程工業(yè)中過(guò)程裝備是成套過(guò)程裝置的主體，它是單元過(guò)程設(shè)備（如塔、換熱器、反應(yīng)器與儲(chǔ)罐等）與單元過(guò)程機(jī)器（如壓縮機(jī)、泵、分離機(jī)等）兩者的統(tǒng)稱。,7,11 化工機(jī)械中的典型流動(dòng)分析（續(xù)）,IS清水離心泵,壓縮機(jī),反應(yīng)器,塔與換熱器,8,本章主要內(nèi)容,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng) 11.2 旋流器中的流體流動(dòng) 11.3 通過(guò)濾餅層的流體流動(dòng) 11.4 沉降離心機(jī)中的流體流動(dòng),9,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng),葉輪機(jī)械——又稱為透平機(jī)械,基本特征 ——機(jī)器內(nèi)包含一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上有一個(gè)或多個(gè)葉輪，葉輪是主要的過(guò)流部件。 基本功能 ——實(shí)現(xiàn)流體與轉(zhuǎn)子之間的能量交換 。 分類 （1）按葉輪與流體之間的能量傳遞關(guān)系分類 工作機(jī)——葉輪對(duì)流體做功的流體輸送機(jī)械——如離心泵、離心壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)等 原動(dòng)機(jī)——流體對(duì)葉輪做功的流體動(dòng)力機(jī)械——如氣輪機(jī)和水輪機(jī)等,10,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,（2）按流體的性質(zhì)分類 氣體壓縮機(jī)和氣輪機(jī)等的工作流體是可壓縮性的 泵和水輪機(jī)等的工作流體是不可壓縮的。 （3）按流體在葉輪中的流動(dòng)方式 徑流式 軸流式,離心泵,壓縮機(jī),11,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,一、葉輪機(jī)械工作原理 1、概述 根據(jù)流體的流動(dòng)方式——分徑流式和軸流式兩種,（1）軸流式葉輪機(jī)械——兩級(jí)軸流壓縮機(jī),結(jié)構(gòu) ——轉(zhuǎn)子上有兩組葉片， 因隨轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)而被稱為動(dòng)葉片。 靜止殼體上也有兩組葉片，稱為靜葉片。,壓縮機(jī)的一級(jí),,,,,,12,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,葉輪機(jī)械的工作原理 ——從左邊進(jìn)口吸入的氣體，經(jīng)第一級(jí)靜葉片導(dǎo)入動(dòng)葉片，獲得能量后經(jīng)第二級(jí)靜葉片導(dǎo)入第二級(jí)動(dòng)葉片，氣體能量再被提升。 葉輪機(jī)械的特點(diǎn) ——轉(zhuǎn)子上的葉片徑向長(zhǎng)度較短，在機(jī)器內(nèi)流體的流動(dòng)方向基本上沿軸向方向，故被稱為軸流式葉輪機(jī)械。,13,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,（2）徑流式機(jī)械——一級(jí)離心泵 轉(zhuǎn)子上有若干由中心向外沿展開(kāi)的葉片，液體從泵中心的進(jìn)口被導(dǎo)入葉片，液體獲得能量后從葉輪邊沿排出。在這種機(jī)器中，葉片徑向長(zhǎng)度幾乎等于轉(zhuǎn)子的半徑，流體流過(guò)葉輪的流動(dòng)基本上沿轉(zhuǎn)子的徑向方向，故被稱為徑流式機(jī)械。,,14,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,2、葉輪機(jī)械的相似關(guān)系 葉輪機(jī)械流體力學(xué)的一個(gè)基點(diǎn)就是流動(dòng)相似性。 在考慮葉輪機(jī)械的流動(dòng)相似問(wèn)題時(shí)，選取下面的有關(guān)參數(shù)來(lái)構(gòu)造無(wú)因次相似準(zhǔn)數(shù),葉輪直徑D 流體運(yùn)動(dòng)粘度ν 葉輪轉(zhuǎn)速N 重力加速度g 流體流量qv 流體總壓頭增量ΔH,用p，v，z分別表示流體壓力、速度和位高，則葉輪機(jī)械的流體總壓頭或總能量可表示為,15,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,由相似原理的π定理，可將葉輪機(jī)械中的流動(dòng)用上述參數(shù)關(guān)聯(lián)成無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)函數(shù),葉輪線速度,,,——旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)，反映了流體慣性力和粘性力對(duì)葉輪機(jī)械中流體流動(dòng)的影響。當(dāng)它足夠大時(shí)，流體粘滯性的影響可忽略不計(jì)，因次分析中將不出現(xiàn)粘性項(xiàng)。,,,16,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,通過(guò)實(shí)驗(yàn)已知，無(wú)因次壓頭增量,與上式右邊第二個(gè)無(wú)因次數(shù)的倒數(shù)成正比,,左邊無(wú)因次數(shù)是單位質(zhì)量流體具有的機(jī)械能與葉輪線速度的平方之比，稱為壓頭系數(shù)。 右邊括號(hào)內(nèi)的無(wú)因次數(shù)可看成流體出口速度與葉輪線速度之比，稱為流動(dòng)系數(shù)。 壓頭系數(shù)反映流體動(dòng)力相似，而流動(dòng)系數(shù)則反映運(yùn)動(dòng)相似。,17,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,對(duì)于幾何相似的葉輪機(jī)械，從壓頭系數(shù)和流動(dòng)系數(shù)可導(dǎo)出第三個(gè)無(wú)因次數(shù)群——比轉(zhuǎn)速。其定義為,——流動(dòng)系數(shù)的平方根與壓頭系數(shù)的四分之三次方之比， 其主要意義是用于不同類型葉輪機(jī)械之間的比較，以便選出最適合工作需要的一種，使機(jī)器能達(dá)到最大效率。,18,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,3、葉輪機(jī)械中流體力學(xué)基本方程 葉輪機(jī)械的流體力學(xué)模型，機(jī)殼內(nèi)的空間取為控制體 ——包含葉輪轉(zhuǎn)子和殼體內(nèi)的所有流體。 基本假設(shè)： 在控制體的進(jìn)出口，流體均為一維流動(dòng)，且方向任意； 控制體內(nèi)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 控制體與外界無(wú)熱交換 流體內(nèi)無(wú)化學(xué)反應(yīng),19,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,連續(xù)性方程 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流進(jìn)系統(tǒng)的流體質(zhì)量應(yīng)等于流出的質(zhì)量。即在機(jī)器的進(jìn)出口處有,——分別是控制體流體進(jìn)出口面積,對(duì)不可壓縮流體，ρ＝constant，進(jìn)出口的體積流量相等,——分別是進(jìn)出口截面上流體的法向速度。,20,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,動(dòng)量矩方程 ——穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)所受外力矩之矢量和等于單位時(shí)間通過(guò)控制面輸出控制體的動(dòng)量矩與輸入控制體的動(dòng)量矩之差。 以轉(zhuǎn)子軸線（z軸）作為參考坐標(biāo)軸，考慮系統(tǒng)進(jìn)出口處的動(dòng)量變化，則葉輪機(jī)械的動(dòng)量矩方程可寫(xiě)成,——外界通過(guò)轉(zhuǎn)軸加到系統(tǒng)的扭矩，,——進(jìn)出口截面上流體在轉(zhuǎn)子圓周切向速度分量。,對(duì)不可壓縮流體,,21,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,能量方程 根據(jù)模型假設(shè)條件及能量方程，對(duì)進(jìn)口1和出口2兩個(gè)截面可列出能量守恒方程,h1、h2——分別是進(jìn)出口處單位質(zhì)量流體的焓。,對(duì)不可壓縮流體，模型假設(shè)條件下其內(nèi)能變化很小，故h1和h2可分別用 代替,Ws——系統(tǒng)單位質(zhì)量流體對(duì)外界做的功。,22,v1t,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,二、軸流式葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng),兩級(jí)軸流壓縮機(jī)的第一級(jí)為例進(jìn)行分析。 從徑向方向觀察，氣流以軸向速度va進(jìn)入靜葉片組，葉片使氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能并改變流動(dòng)方向，靜葉片出口處的氣流絕對(duì)速度為v1，同時(shí)也是動(dòng)葉片組的進(jìn)口絕對(duì)速度，v1與切線的夾角為α1，u1為動(dòng)葉片組進(jìn)口切線速度（動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的牽連速度），w1為動(dòng)葉片組進(jìn)口處氣流與葉片的相對(duì)速度，與切線的夾角為β1，w1與u1的合速度即為絕對(duì)速度v1， 而v1t、v1a則分別為絕對(duì)速度v1在切向和軸向的分量。,靜葉輪葉片組,動(dòng)葉輪葉片組,va,,,,,α1,v1,v1a,u1,,,,w1,,β1,,23,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,動(dòng)葉片出口處對(duì)應(yīng)的速度用下標(biāo)2表示，意義與進(jìn)口處相同。靜葉片組和動(dòng)葉片組的出口結(jié)構(gòu)形式相同，流通面積相等。根據(jù)連續(xù)性方程有,由速度分解圖可得氣體切向速度與軸向速度的關(guān)系,軸流葉輪機(jī)械的動(dòng)量矩方程,——葉輪平均半徑,24,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,若α1>α2，則Mz>0，表明外界通過(guò)轉(zhuǎn)軸對(duì)系統(tǒng)作用一個(gè)力矩，或外界對(duì)系統(tǒng)做功——工作機(jī)（壓縮機(jī)） 若α1<α2，則Mz<0，表明系統(tǒng)向外界輸出力矩或?qū)ν庾龉?——?jiǎng)恿C(jī)（燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)）,——壓縮機(jī)和動(dòng)力機(jī)動(dòng)葉輪進(jìn)出口速度和方向角度之間的關(guān)系。,25,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,三、徑流式葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng),單級(jí)離心泵，流體從軸向進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)葉輪流道沿徑向流出。流體與葉輪在流道中實(shí)現(xiàn)能量交換?，F(xiàn)取葉輪流道所占據(jù)的空間作為控制面來(lái)分析。,v1、w1、u1和v2、w2、u2 分別為葉片進(jìn)、出口面上流體的絕對(duì)速度、相對(duì)速度、牽連速度。,,26,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,設(shè)葉片進(jìn)、出口寬度分別為b1、b2，若流體體積流量為qv，則葉輪進(jìn)出、口處流體的徑向速度（垂直于進(jìn)出口面的法向速度）v1r、v2r分別為,進(jìn)、出口面的牽連速度分別為,,沒(méi)有徑向分量,絕對(duì)速度的徑向分量與相對(duì)速度的徑向分量相等,β1、β2可近似取為葉片進(jìn)、出口安裝角，可視為已知參數(shù),27,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,進(jìn)出口面的相對(duì)速度分別為,進(jìn)出口面的絕對(duì)速度的切向分量分別為,28,11.1 葉輪機(jī)械中的流體流動(dòng)（續(xù)）,代入動(dòng)量矩方程可得,典型的徑流式葉輪機(jī)械流體流動(dòng)的動(dòng)量矩方程，方程中均為已知參數(shù)。由此方程可計(jì)算軸功率。,29,Thank You ！,