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1,第11章 化工機械中的典型流動分析,2,11 化工機械中的典型流動分析,一、過程工業(yè),定義 在工業(yè)生產(chǎn)中，很多生產(chǎn)過程處理的物料為流程性物料，如氣體、液體、粉體等。過程工業(yè)就是以流程性物料為主要處理對象，完成各種生產(chǎn)過程的工業(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)境保護等。,3,11 化工機械中的典型流動分析（續(xù)）,4,二、成套過程裝置,,11 化工機械中的典型流動分析（續(xù)）,——由一系列的過程機器和過程設備按一定的流程方式，用管道、閥門等連接起來的一個獨立的密閉聯(lián)系系統(tǒng)，再配以必要的控制儀表和設備，即能平穩(wěn)連續(xù)地使以流體為主的各種流程性材料，在裝置內部經(jīng)歷必要的物理、化學過程，制造出人們需要的新的流程性材料產(chǎn)品。,5,11 化工機械中的典型流動分析（續(xù)）,管道,重油加氫脫硫和制氫裝置,6,11 化工機械中的典型流動分析（續(xù)）,三、 過程裝備,在過程工業(yè)中過程裝備是成套過程裝置的主體，它是單元過程設備（如塔、換熱器、反應器與儲罐等）與單元過程機器（如壓縮機、泵、分離機等）兩者的統(tǒng)稱。,7,11 化工機械中的典型流動分析（續(xù)）,IS清水離心泵,壓縮機,反應器,塔與換熱器,8,本章主要內容,11.1 葉輪機械中的流體流動 11.2 旋流器中的流體流動 11.3 通過濾餅層的流體流動 11.4 沉降離心機中的流體流動,9,11.1 葉輪機械中的流體流動,葉輪機械——又稱為透平機械,基本特征 ——機器內包含一個轉子，轉子上有一個或多個葉輪，葉輪是主要的過流部件。 基本功能 ——實現(xiàn)流體與轉子之間的能量交換 。 分類 （1）按葉輪與流體之間的能量傳遞關系分類 工作機——葉輪對流體做功的流體輸送機械——如離心泵、離心壓縮機和風機等 原動機——流體對葉輪做功的流體動力機械——如氣輪機和水輪機等,10,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,（2）按流體的性質分類 氣體壓縮機和氣輪機等的工作流體是可壓縮性的 泵和水輪機等的工作流體是不可壓縮的。 （3）按流體在葉輪中的流動方式 徑流式 軸流式,離心泵,壓縮機,11,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,一、葉輪機械工作原理 1、概述 根據(jù)流體的流動方式——分徑流式和軸流式兩種,（1）軸流式葉輪機械——兩級軸流壓縮機,結構 ——轉子上有兩組葉片， 因隨轉子運動而被稱為動葉片。 靜止殼體上也有兩組葉片，稱為靜葉片。,壓縮機的一級,,,,,,12,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,葉輪機械的工作原理 ——從左邊進口吸入的氣體，經(jīng)第一級靜葉片導入動葉片，獲得能量后經(jīng)第二級靜葉片導入第二級動葉片，氣體能量再被提升。 葉輪機械的特點 ——轉子上的葉片徑向長度較短，在機器內流體的流動方向基本上沿軸向方向，故被稱為軸流式葉輪機械。,13,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,（2）徑流式機械——一級離心泵 轉子上有若干由中心向外沿展開的葉片，液體從泵中心的進口被導入葉片，液體獲得能量后從葉輪邊沿排出。在這種機器中，葉片徑向長度幾乎等于轉子的半徑，流體流過葉輪的流動基本上沿轉子的徑向方向，故被稱為徑流式機械。,,14,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,2、葉輪機械的相似關系 葉輪機械流體力學的一個基點就是流動相似性。 在考慮葉輪機械的流動相似問題時，選取下面的有關參數(shù)來構造無因次相似準數(shù),葉輪直徑D 流體運動粘度ν 葉輪轉速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，則葉輪機械的流體總壓頭或總能量可表示為,15,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,由相似原理的π定理，可將葉輪機械中的流動用上述參數(shù)關聯(lián)成無因次準數(shù)函數(shù),葉輪線速度,,,——旋轉雷諾數(shù)，反映了流體慣性力和粘性力對葉輪機械中流體流動的影響。當它足夠大時，流體粘滯性的影響可忽略不計，因次分析中將不出現(xiàn)粘性項。,,,16,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,通過實驗已知，無因次壓頭增量,與上式右邊第二個無因次數(shù)的倒數(shù)成正比,,左邊無因次數(shù)是單位質量流體具有的機械能與葉輪線速度的平方之比，稱為壓頭系數(shù)。 右邊括號內的無因次數(shù)可看成流體出口速度與葉輪線速度之比，稱為流動系數(shù)。 壓頭系數(shù)反映流體動力相似，而流動系數(shù)則反映運動相似。,17,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,對于幾何相似的葉輪機械，從壓頭系數(shù)和流動系數(shù)可導出第三個無因次數(shù)群——比轉速。其定義為,——流動系數(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械之間的比較，以便選出最適合工作需要的一種，使機器能達到最大效率。,18,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,3、葉輪機械中流體力學基本方程 葉輪機械的流體力學模型，機殼內的空間取為控制體 ——包含葉輪轉子和殼體內的所有流體。 基本假設： 在控制體的進出口，流體均為一維流動，且方向任意； 控制體內為穩(wěn)態(tài)流動 控制體與外界無熱交換 流體內無化學反應,19,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,連續(xù)性方程 穩(wěn)態(tài)流動，流進系統(tǒng)的流體質量應等于流出的質量。即在機器的進出口處有,——分別是控制體流體進出口面積,對不可壓縮流體，ρ＝constant，進出口的體積流量相等,——分別是進出口截面上流體的法向速度。,20,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,動量矩方程 ——穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)所受外力矩之矢量和等于單位時間通過控制面輸出控制體的動量矩與輸入控制體的動量矩之差。 以轉子軸線（z軸）作為參考坐標軸，考慮系統(tǒng)進出口處的動量變化，則葉輪機械的動量矩方程可寫成,——外界通過轉軸加到系統(tǒng)的扭矩，,——進出口截面上流體在轉子圓周切向速度分量。,對不可壓縮流體,,21,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,能量方程 根據(jù)模型假設條件及能量方程，對進口1和出口2兩個截面可列出能量守恒方程,h1、h2——分別是進出口處單位質量流體的焓。,對不可壓縮流體，模型假設條件下其內能變化很小，故h1和h2可分別用 代替,Ws——系統(tǒng)單位質量流體對外界做的功。,22,v1t,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,二、軸流式葉輪機械中的流體流動,兩級軸流壓縮機的第一級為例進行分析。 從徑向方向觀察，氣流以軸向速度va進入靜葉片組，葉片使氣體的壓力能轉換為動能并改變流動方向，靜葉片出口處的氣流絕對速度為v1，同時也是動葉片組的進口絕對速度，v1與切線的夾角為α1，u1為動葉片組進口切線速度（動葉片旋轉產(chǎn)生的牽連速度），w1為動葉片組進口處氣流與葉片的相對速度，與切線的夾角為β1，w1與u1的合速度即為絕對速度v1， 而v1t、v1a則分別為絕對速度v1在切向和軸向的分量。,靜葉輪葉片組,動葉輪葉片組,va,,,,,α1,v1,v1a,u1,,,,w1,,β1,,23,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,動葉片出口處對應的速度用下標2表示，意義與進口處相同。靜葉片組和動葉片組的出口結構形式相同，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系,軸流葉輪機械的動量矩方程,——葉輪平均半徑,24,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,若α1>α2，則Mz>0，表明外界通過轉軸對系統(tǒng)作用一個力矩，或外界對系統(tǒng)做功——工作機（壓縮機） 若α1<α2，則Mz<0，表明系統(tǒng)向外界輸出力矩或對外做功 ——動力機（燃氣輪機、蒸汽輪機）,——壓縮機和動力機動葉輪進出口速度和方向角度之間的關系。,25,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,三、徑流式葉輪機械中的流體流動,單級離心泵，流體從軸向進口進入，通過葉輪流道沿徑向流出。流體與葉輪在流道中實現(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分析。,v1、w1、u1和v2、w2、u2 分別為葉片進、出口面上流體的絕對速度、相對速度、牽連速度。,,26,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,設葉片進、出口寬度分別為b1、b2，若流體體積流量為qv，則葉輪進出、口處流體的徑向速度（垂直于進出口面的法向速度）v1r、v2r分別為,進、出口面的牽連速度分別為,,沒有徑向分量,絕對速度的徑向分量與相對速度的徑向分量相等,β1、β2可近似取為葉片進、出口安裝角，可視為已知參數(shù),27,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,進出口面的相對速度分別為,進出口面的絕對速度的切向分量分別為,28,11.1 葉輪機械中的流體流動（續(xù)）,代入動量矩方程可得,典型的徑流式葉輪機械流體流動的動量矩方程，方程中均為已知參數(shù)。由此方程可計算軸功率。,29,Thank You ！,