第三章_流体动力学基础

1目的：利用流体力学的知识，我们以水流作用在叶轮的理论进行推导，确定运动液体与固体边壁相互作用的力矩，运用恒定总流动量矩方程。从而得出流体作用在叶轮的原理。从而进行设计制作。原理：质点系动量矩定理指出：质点系对于任一固定点的动量矩对时间的导数，等于作用于质点系的所有外力对于同一点的矩的矢量和。（空气）令恒定总流动量方程式，中的β1＝β2＝1，并将方程两边对流场中某固定点取矩，得2211QrFrvrv（3-42）式（3-42）即为恒定总流的动量矩方程。动量矩方程主要应用在旋转式流体机械上，利用它可以确定运动流体与旋转叶轮相互作用的力矩及其功率等，进而建立涡轮机械的基本方程。2221112u21u1MQvrcosvrcosQvrvr式中：v1u、v2u分别为进、出口绝对速度v1、v2在圆周切线方向的投影；r1、r2分别叶轮内、外圈的半径。单位时间叶轮作用给流体的功2u21u12u21u1NMQvrvrQvuvu将上式两边同除以通过叶轮的流体的重量流量，可得单位重量理想流体通过叶轮所获得的能量11u22uTuvuvg1gQNH（3-43）式（3-43）即为水力机械的基本方程。理论扬程HT仅与流体在叶轮进、出口处的运动速度有关，而与流动过程无关，它的大小反映出流体机械的基本性能。2叶片进口设计:撞击损失主要发生在转轮叶片进口处。当β1(W1,U)=βe1(叶片进口安放角)时，则为无撞击进口工况，即转轮进口处的水流相对速度的方向与转轮叶片骨线在进口处的切线方向一致。3叶片出口设计:涡流损失主要发生在转轮叶片出口处。当V2⊥U2时，即α2=90°，水流平行主轴，Vu2=0，为法向出口，无涡流损失。对效率起决定作用的是水力损失,而水力损失的大小主要取决于转轮进口的水流撞击损失和转轮出口尾水管内的涡流损失.二者最小时候最好.对中、低水头水轮机，能量损失主要发生在尾水管和转轮内，一般α2略小于90°时，效率较高，可以避免尾水管内脱流，运行稳定，空蚀性能好。同时满足β1=βe1、α2=90°(V2⊥U2)时，进口无撞击，出口无涡损，η最高，称为水轮机的最优工况。意义：流体的运动特性可用流速、加速度等物理量来表征,这些物理量通称为流体的运动要素。流体动力学的基本任务就是研究流体的运动要素随时间和空间的变化规律,并建立它们之间的关系式。4结论：流体运动与其它物质运动一样,都要遵循物质运动的普遍规律,如质量守恒定律,能量守恒定律、动量定理等。将这些普遍规律应用于流体运动这类物理现象。水流与叶片相互作用，使得做功。水流通过叶轮时，叶片迫使水流动量矩发生变化，而水流以反用力作用在叶片上，从而使转轮获得力矩。水能转变为旋转机械能的必要条件：水流在转轮出口的能量小于进口处的能量，即转轮的进口和出口必须存在速度矩的差值。