1、流体机械 0 绪 论,一、课程的性质、目的和任务本课程为机械类研究生的必修课。本课程全面介绍流体机械的基本知识，使学生能够初步掌握流体机械的基本结构与组成、工作原理与性能。内容分为二部分，第一部分（第一章）介绍流体力学的基本概念（重点是理想和非理想流体的柏努利方程、动量矩方程、欧拉方程等）,流体机械 0 绪 论,一、课程的性质、目的和任务第二部分（二至六章）分别介绍容积式流体机械、螺杆式流体机械、叶片式流体机械、液力传动和水力旋流器的基本结构、工作理论和最新研究发展趋势，通过学习为工学硕士提供更为宽广而坚实的理论基础。课程目的是：进一步扩大知识范围，了解和熟悉流体机械的结构和工作原理，掌握其设
2、计计算方法，为今后从事工作时能正确地选择、操作、维护及设计改进流体机械。,流体机械 0 绪 论,二、课程基本要求通过学习，应达到下面几项要求：1.了解流体机械的主要组成及基本工作原理；2.初步具备正确选择、使用、调整和维护流体机械的能力；3.初步具有设计、计算流体机械的能力。4.了解流体机械的研究方向和发展趋势。,流体机械 0 绪 论,三、课程内容及学时分配 第一章 流体力学基本概念 （共4学时） 1.1 概述（1学时） 1.2 流体的基本能量方程 （2学时） 1.3 流体的动量和动量矩方程 （1学时）第二章 容积式流体机械 （共5学时） 2.1 容积式泵的基本工作理论 （2学时）2.2 容积
3、式泵泵阀的工作理论 （2学时）2.3 容积式泵的研究发展方向 （1学时）,流体机械 0 绪 论,第三章 螺杆式流体机械 （共3学时）3.1 螺杆泵的基本工作理论 （2学时）3.2 螺杆式流体机械在工业中的应用实例 （0.5学时） 3.3 螺杆泵的研究发展方向 （0.5学时） 第四章 叶片式流体机械 （共4学时）4.1 离心泵的基本工作理论 （1.5学时）4.2 离心泵的相似理论和工作特性（1学时）,流体机械 0 绪 论,4.3 离心泵在管线上的工作特征（1学时）4.4 叶片式流体机械研究发展方向(0.5学时） 第五章 液力传动 （共5学时） 5.1 液力偶合器的基本工作理论（2学时） 5.2
4、液力变矩器的基本工作理论（2学时） 5.3 液力传动机械与动力机共同工作（0.5学时）5.4 液力传动机械的研究发展方向（0.5学时）,流体机械 0 绪 论,第六章 水力旋流器 （共3学时） 6.1 水力旋流器的基本工作理论（2学时）6.2 水力旋流器的研究发展方向 （1学时） 习题课或讨论课 （3学时） 考试（2学时）,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,一、试述流体运动的两种方法及其特点 1、拉格朗日法：通过研究流场中单个质点的运动规律，进而研究流体的整体运动规律，这种方法被称为拉格郎日法; 沿流体质点运动的轨迹进行跟踪研究；,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流
5、体的基本能量方程,2、欧拉法： 通过研究流体流过一个空间点的运动规律，进而研究流场内的流体运动规律，这种方法被称为欧拉法。固定在某个空间位置观察由此流过的每一个流体质点.,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,二、速度分解定理 1、刚体运动的速度分解： 2、流体运动的速度分解：除平动、转动外，有流体变形,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,三、形变速度张量 1， 2， 3称为正应变速度分量； 1， 2， 3称为剪切应变速度分量。,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,1.应力张量 2.本构方程：把应力张量和变形速度张量联系起来的方程
6、式称为本构方程。 i. 牛顿内摩擦定律：,广义牛顿内摩擦定律：3.拉梅系数：（i1,2,3）,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,4.涡量、涡线、涡面、涡管、涡通量、速度环量定义 。流体速度的旋度称为涡量，以来表示。涡量是空间位置r和时间t的函数。它组成的向量场成为涡旋场。涡线是一条曲线，该曲线上每一点的切线方向和该点的涡量方向重合，它是由同一时刻不同流体质点所组成的。,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,在涡旋场内取一非涡线的曲线，过曲线上每一点做涡线，这些涡线组成的曲面称为涡面。如果选取的
7、非涡线的曲线封闭且不自交，则过曲线上每一点所做的涡线组成的管状曲面称为涡管。,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,涡通量： 涡量在指定面积的积分。n为截面法向单位矢量。 速度环量：速度矢量沿封闭曲线的环量，称为速度环量。,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,5.了解理想流体基本能量方程：ue流体的牵连速度（圆周速度）； u流体绝对速度在切线方向的投影；脚标1，2叶轮的入口和出口处。,第一章 流体力学基本概念 1.1 理想流体的基本能量方程,6.理解流体平衡方程的建立： X向单位质量力 Y向单位质量力 Z向单位质量力,第一章 流体力学基本概念 1.2
8、理想流体的动量和动量矩方程,一、理想流体与实际流体的区别 是否考虑流体的粘性.二、了解理想流体运动微分方程的建立,第一章 流体力学基本概念 1.2 理想流体的动量和动量矩方程,三、伯努利方程的推证与应用及其意义理想不可压缩流体、稳定条件下应用。 一般地,选取两个断面列出伯努利方程进行求解.,第一章 流体力学基本概念 1.2 理想流体的动量和动量矩方程,四、稳定流动的动量方程,第一章 流体力学基本概念 1.2 理想流体的动量和动量矩方程,五、稳定流动的动量矩方程 系统内流体对某点的动量矩对时间的导数应等于作用于系统的外力对同一点力矩的矢量和.,第一章 流体力学基本概念 1.3 实际流体的运动微分
9、方程,一、实际流体运动微分方程（N-S方程）的建立 二、广义牛顿内摩擦定律：,第一章 流体力学基本概念 1.3 实际流体的运动微分方程,三、不可压缩流体的连续方程四、流体流动的连续方程,第一章 流体力学基本概念 1.4 实际流体的伯努利方程,一、理想流体与实际流体的区别,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,在钻井过程中，为了携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，用于向井底输送和循环钻井液的往复泵；称作钻井泵或泥浆泵 。 一、容积式泵的工作原理主要由液缸、活塞、吸入阀、排出阀、阀室、曲柄（或曲轴）、连杆、十字头、活塞杆及齿轮、皮带轮和传动轴等零部件组成。,第二章 容积式流体机
10、械 2.1 容积式泵的基本理论,动力机通过皮带、 齿轮带动曲轴旋转 时，活塞向动力端移 动，液缸内形成一定 真空度，吸入池中 的液体在液面压力 Pa的作用下，推开吸 入阀，进入液缸内，,图2-1 容积式泵工作示意图 1-液缸；2-活塞；3-吸入阀；4-排出阀；5-阀室；6-吸入管；7-排出管；8-曲柄；9-连杆；10-十字头；11-活塞杆,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,直到活塞移到右死点位置为止。这个过程，称作液缸的吸入过程。曲柄继续转动，活塞开始向液力端移动，缸套内液体受挤压，压力升高，吸入阀关闭，排出阀被推开，液体经排出管进入排出池，直到活塞移到左死点为止。这一过程称
11、作液缸排出过程。曲柄连续旋转，每一周内活塞往复运动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出过程。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,二、容积式泵的分类 按照结构特点，容积式泵大致可按四方面分类：1,按缸数分 有单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵等。2,按作用方式分 有单作用和双作用（图两种。3,按液缸的布置方案及其相互位置分 有卧式泵、立式泵、V形或星形泵等。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,4，按活塞的式样分有活塞式泵（图2-2），活塞直径与缸套内径相同；有柱塞泵（图2-3）。活塞外径小于缸套内径。,图2-2 双作用式容积式泵示意图 图2-3 柱塞泵示意图,第
12、二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,三、容积式泵的基本性能参数 （1）泵的流量泵流量是指单位时间内泵通过管道所输送的液体量。流量通常以单位时间内的体积表示，称作体积流量，代表符号为Q，单位为l/s或m3/s。 （2）泵的压力泵的压力通常是指泵排出口处液体的压力，代表符号为p，单位为MPa。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,（3）泵的功率和效率泵是把动力机的机械能转化为液体能的机器。单位时间内动力机传到往复泵主动轴上的能量，称作泵的输入功率或主功率，以N轴表示；单位时间内液体经泵作用后所增加的能量，称作有效功率，或输出功率，以N表示。功率的单位为kW。泵的总效率
13、泵是指有效功率与输入功率的比值。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,（4）泵速 泵速是指单位时间内活塞或柱塞的往复次数，也称作泵的冲次，以n表示，单位为min-1。 四、活塞运动规律(图2-4),第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,xr（1cos sin2） ursin+sin2 r2cos+cos2 五、容积式泵的流量曲线、流量不均度、流量系数泵工作时，各液缸（或工作室）及泵的瞬间流量是按一定规律变化的。以曲柄转角为横坐标，流量为纵坐标，作出泵的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线，称为泵的流量曲线。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,图
14、2-5 容积式泵的流量曲线,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,流量不均度：瞬时流量的最大差值与平均流量的比值。以Q表示 流量系数:充满度系数与容积效率的乘积.,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,六、容积式泵泵缸内压力变化规律,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,六、容积式泵泵缸内压力变化规律计算出管内流体的惯性水头，就可计算出压力变化规律,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,七、容积式泵正常吸入条件及改善吸入性能的措施 往复泵正常吸入条件为：,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,往复泵正常吸入条件为：,第二章
15、容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,改善往复泵吸入性能的措施： 缩短吸入管线的长度； 适当增大管径； 尽量少采用弯头和阀门等管件； 降低安装高度； 安装吸入空气包； 采用灌吸或离心泵灌注提高液面高度等 .,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,八、空气包的作用原理 容积式泵工作过程中流量和压力的波动，除了使泵的效率降低，吸入性能恶化，泵和管线的使用寿命缩短外，作钻井泵使用时，还将降低泥浆携带岩屑的能力。甚至导致井壁坍塌和漏失，因此，必须将压力波动降低到容许的范围内。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,工作原理：吸入空气包和排出空气包都是一个内部充以一定压
16、力的氮气或空气的密闭容器，其基本功能是利用气体的可压缩性，随着吸入压力和排出压力的变化，自动地向泵（吸入时）或排出管（排出时）供给液体，或者储存一部分来自吸入管（吸入时）或泵（排出时）的液体，使吸入总管内或排出总管内液流均匀，惯性力减小，从而降低压力波动。,第二章 容积式流体机械 2.1 容积式泵的基本理论,左图 为吸入，右图为排出空气包,第二章 容积式流体机械 2.2 容积式泵泵阀的基本工作理论,一、泵阀的作用与分类 1.作用：使液缸与排出管及吸入管交替连通或隔开，控制液体单向流动。2.分类：按结构形式分： 平板盘阀 球阀 锥状盘阀,第二章 容积式流体机械 2.2 容积式泵泵阀的基本工作理论
17、,二、泵阀的运动规律 见教材P49。 三、泵阀运动滞后现象与原因 见教材P49-51,第二章 容积式流体机械 2.2 容积式泵泵阀的基本工作理论,四、泵阀的无冲击条件 1.库氏（库克列夫斯基）条件 见教材P53。 2.阿氏（阿道尔夫）条件 见教材P53-54。,第二章 容积式流体机械 2.2 容积式泵泵阀的基本工作理论,五、影响泵阀工作的因素 主要是泵的冲次。 减小泵阀的冲击，延长泵阀使用寿命：尽量减小泵阀的滞后角和滞后高度。,第二章 容积式流体机械 2.3 容积式泵在工业中的应用,一、泵的工况点 任何泵装置工作时，都必须和管路组成一定的输送系统，才能输送液体。泵工作时的状况点叫工况点。在输送
18、过程中，液体是遵守质量守恒和能量这两个基本规律的。,第二章 容积式流体机械 2.3 容积式泵在工业中的应用,二、泵的临界特性 （见教材P60） 在往复泵的设计和使用过程中，一般受到两种条件的限制。 一是泵的冲次n不能超过额定值。 二是受泵的压力限制。每一级缸套都受到一个最大工作压力或极限泵压pi的限制。设计泵时，各级缸套的直径及极限压力就是按这个条件确定的。,第二章 容积式流体机械 2.3 容积式泵在工业中的应用,二、泵的临界特性,第二章 容积式流体机械 2.3 容积式泵在工业中的应用,三、泵的调节 1、流量调节 1）更换不同直径的缸套。 2）调节泵的冲次。 3）减少泵的工作室。 4）旁路调节。 2、联合运行 一般地采用并联运行。,第二章 容积式流体机械 2.3 容积式泵在工业中的应用,四、泵的设计要点 详见教材P62-70。,第二章 容积式流体机械 2.4 容积式泵的发展趋势,一、多缸单作用式 1.三缸单作用式2.五缸单作用式3.七缸单作用式,第二章 容积式流体机械 2.4 容积式泵的发展趋势,二、常规式泵采用空气包来降低压力波动，改善吸入性能 。 某油田某注水站吸入管经常损坏例子，说明加装空气包的好处。,第二章 容积式流体机械 2.4 容积式泵的发展趋势,三、采用液压驱动方式 见教材P71-82。四、液压驱动式泵的吸入性能有何变化 见教材P71-82。,
