TJU计算流体力学 第一二章(2010-1-4讲)

输配水工程输配水工程(续)输配水工程包括“水泵及水泵站”、“给水管网”和“排水管网”。第一篇：水泵及水泵站—给排水系统中水的输送、运动和加压；第二篇：给水管网—净化后的水输配到用水区，供生活、生产及消防等用水；第三篇：排水管网—用过的水输送到污水处理厂，同时要排除大气降落的雨水和雪水。第一篇水泵及水泵站1.1水泵及泵站在给排水系统中作用和地位1.2水泵定义及分类第1章水泵的定义和分类1.1水泵及泵站在给排水系统中作用和地位作用：给水系统中，取水、送水及加压泵站等；排水系统中，污水、雨水、污泥等泵站；给排水系统中，水的输送、运动和加压，一般是由水泵来完成的。地位：水泵及泵站在给水和排水系统的地位非常重要，因此，泵站运行的可靠性在很大程度上决定了整个系统的可靠性。给水泵站举例（平面布置）：排水泵站举例（平面布置）送水泵站剖面图排水泵站剖面图:排水管渠格栅集水池辅助间机器间卧式泵1.2水泵定义及分类水泵定义：水泵是输送和提升液体的机器。它把原动机的机械能转化为被输送液体的能量，使液体获得动能或势能。水泵叶片式水泵径向流－离心泵，受离心力作用轴向流－轴流泵，受轴向力作用斜向流－混流泵，合于二者之间容积式水泵往复式运动回转式运动活塞式往复泵柱塞式往复泵转子泵螺杆泵其他类型水泵利用高速液流和气流的动能扬升液体利用螺旋推进原理螺旋泵射流泵水锤泵气升泵水泵的分类第2章叶片式水泵2.1叶片式水泵基本性能参数2.2离泵的工作原理和基本构造2.3叶片式水泵的主要零部件2.4离心泵的基本方程式2.5离心泵的特性曲线2.6离心泵装置工况的确定2.7叶轮的相似定律及相似准数第2章叶片式水泵(续）2.8离心泵装置调速运行工况2.9离心泵装置换轮运行工况2.10离心泵的并、串联运行工况2.11离心泵的吸水性能2.12离心泵机组的启动及维护2.13轴流泵与混流泵2.14给排水工程中常用的叶片泵2.1叶片式水泵基本性能参数流量—水泵在单位时间内所扬升液体的数量，用字母Q表示，单位：m3/s、m3/h、L/s或t/h。扬程—单位重量液体通过水泵后所获得的能量，用字母H表示，单位：Pa、kPa、Mpa、m（H2O）。轴功率—原动机输送给水泵的功率—水泵在单位时间内把Q体积液体提高H米水头所消耗的功率，用字母N表示，单位：W、kW（千瓦）或马力等。效率—水泵有效功率与轴功率比值，以η表示（%）。转数——水泵叶轮每分钟旋转次数，以n表示，单位：r/min。允许吸上真空高度或气蚀余量——表示水泵吸水性能参数，以Hs及Hsv表示，单位：m（H2O）。叶片式水泵基本性能参数（续）上述6个参数之间关系，通常由水泵厂给出特性曲线。此外，为方便用户，在每台水泵上有一铭牌，其上标出水泵在设计转速n下，对应最大效率ηmax的设计工况值Q0、H0、N0、Hs0。离心式清水泵型号：12Sh-28A转数：1450r/min扬程：16m效率：78%流量：684m3/h功率：28kW允许吸上真空高度：4.5m重量：680kg2.2离心泵工作原理和基本构造工作原理：离心惯性力作用；注意：启动前必须把泵壳和叶轮灌满水。2.3叶片式水泵的主要零部件水泵叶轮泵轴泵壳泵座形状、尺寸通过水力计算决定，是供给液体能量的主要零件（转动部件）支撑泵体与基础相连，使机组工作稳定，泵壳与泵座是固定部件用来旋转叶轮（转动部件）通常为蜗壳形，过水和汇集水轴封的手段支承泵轴转动接缝处的减漏措施，且用来承受磨损，是一个易损件连接水泵与电机，传递功率2.4离心泵的基本方程式•液体在旋转的叶轮中如何运动；•一个旋转的叶轮可产生多大的扬程。2.4.1叶轮中液体的运动：1、圆周运动—u在叶轮高速旋转时，液体从吸入口进入叶轮后，液体质点一方面随叶轮作圆周运动，另一方面；2、相对运动—以速度w在离心力作用下由叶轮中心，以w沿叶片向边缘作相对运动。液体在叶轮中的运动常用速度三角形代替上图速度平行四边形，如下图所示图中C的圆周方向分速用C2u，C的径向分速用C2r表示。222222cosctgCUCCru222sinCCr2.4.2基本方程式推导：假定：1）液体是理想的，即没有水头损失；2）叶槽中液流均匀一致，同半径处液流各同名速度相等3）液流为恒定流。MRCRCdtdm)coscos(111222)(11122uuTCUCUgH离心泵基本方程式：动量矩定理：物体所受对某给定轴的合外力矩，等于该物体对该轴的动量矩对时间的变化率。动量矩=mvR2.4.3基本方程式的讨论大多单吸离心泵，即α1＝90°，C1u=0。因此基本方程式变为：gCUHuT22离心泵的理论扬程仅与液体运动状态有关，而与液体种类无关：理论扬程的意义：gWWgCCgUUHT222222121222122)2()(212212gCCppHT2.4.4基本方程式的修正液流为恒定流基本符合实际情况。液流均匀一致的假定由于反旋现象而产生误差，修正后的理论扬程为：pHHTT1'当抽升实际液体时，在叶轮和泵壳中有水头损失，所以泵的实际扬程H还要减少IS型单吸离心泵S型双吸离心泵2.5离心泵的特性曲线2.5.1实测特性曲线讨论)()()()(QQHQFNQfHs在n一定，水泵厂将四条性能曲线绘于一图水泵运行经济性与工作寿命Q、H、N、η、Hs可在相当广的范围内变化，但不能认为在特性曲线范围内就可随意使用经济性—上图泵可在0-280升/秒，H≤32米内运行，但在80升/秒时工作，η仅38%。在240升/秒，28米时工作η可达87%。工作寿命—即水泵经常在低η下运行，泵会过早磨损，影响工作寿命。原因？（自学）2.5.2理论特性曲线定性分析)(2222ctgCUgUHrT)(2222ctgFQUgUHTT211TQkh2022)(QQkhTpHHTT1'水泵的效率η水力效率：泵内水头损失大小vhMTThTTTTHQQHNNHQQHNHQNQH'''NNhM机械效率：水泵各项摩擦损失qQQQQTv容积效率：渗漏量造成的损失21'hhHHHHTh2.6离心泵装置工况的确定离心泵装置—水泵+管道系统工况—水泵装置在瞬间的流量、扬程、功率和效率等。研究如何根据管路系统的条件确定离心泵的工况。离心泵装置的总扬程vdvdHHZgvvHHH22122)2(221112222gvpzgvpzHgvvppzzH2)(21221212vdvadapppppppp)()(12工作扬程:hHHST设计扬程:注意二者的之间的不同水泵流量Q=120L/s，吸水管管路长度20m；压水管管路长度300m；吸水管径Ds=350mm，压水管径Dd=300mm；吸水水面标高58.0m；泵轴标高60.0m；水厂混合池水面标高90.0m。求水泵扬程：注：i1=0.0065,i2=0.0148；局部水头损失占沿程10%。水泵设计扬程计算举例：离心泵装置运行工况但水泵厂提供的是Q-H曲线，而不是H=f(Q)，所以求解H、Q可采用：矛盾水泵传递能量给液体；管路系统要消耗液体的能量。hHHQfHST()(H)fH表达式求数解法的图画图解法QHQSTx2.6.1图解法——离心泵装置的工况点实质：求水泵特性曲线与管道特性曲线的交点1、管道特性曲线2、水泵特性曲线3、装置的工况点4、折引曲线法关键：将Q—H曲线高效段用数学式表达：mQSHHmmQSHQSH2211mmQQHHS1221211QSHH在高效段任选两点的坐标：求出Hx及Sx，可写水泵Q—H方程式，与管道特性方程联立求解可得工况。QHhHHSTST2.6.2数解法——离心泵装置的工况点目的：用相似理论来解决:设计新水泵、水泵规格化、改变n，使其特性变化。2.7.1水泵叶轮工况相似的条件1、几何相似—两台水泵叶轮，其主要过流部分一切对应尺寸成一定比例，所有对应角相等。则b2/b2m=D2/D2m=λ线性尺寸比2、运动相似—两叶轮对应点上水流同名速度（c,w,u）方向一致，大小成一定比例，既相应点上水流速度三角形相似。所以在几何相似条件下，运动相似就是工况相似。2.7叶轮的相似定律及相似准数2.7.2相似定律及比例律第一、二、三相似定律mmnnQQ3222mmnnHH335mmnnNN2121nnQQ22121nnHH32121nnNN第一、二、三比例律两台泵一台泵2.7.3比转数讨论：1）ns是一系列相似水泵在相似工况下的相似准则，因此在利用上式时，选用工况应相同。现在一律规定用水泵最高效率点的流量Q、扬程H和转速n（即额定值）来计算ns2）ns是从速度三角形（叶轮出口处）相似出发的，因此实质上是叶轮的相似准则。所以，计算中，Q、H是指单级、单吸叶轮[双吸叶轮Q应取Q/2，多级泵H应H/n]3)公式中单位不同时ns式不一样，我国用H(m)，Q(m3/s)，n(r/min)，ns（无量纲）。4365.3HQnnsns与叶轮形状及性能的关系(1)ns反映实际水泵的主要性能。当转速n一定时，ns越大，水泵的流量越大，扬程越低。ns越小，水泵的流量越小，扬程越高。(2)叶片泵叶轮形状、尺寸、性能和效率都随ns而变。ns可对叶片泵分类。要形成不同ns，在构造上可改变叶轮的外径(D2)和减小内径(D0)。2.8离心泵装置调速运行工况2.8.1比例律及其应用1、比例律应用的图解法2、比例律应用的数解法2.8.2调速途径及范围1、二种调速2、30%～110%2.9离心泵装置换轮运行工况2.9.1切削律及应用1、切削律2、切削律的应用2.9.2应用切削律应注意的问题1、叶轮切削量应有一定的限度2、切削律形式上与比例律相似，但本质不同3、切削后Q—HS曲线是不变的2.9.3叶片泵型谱图2.10离心泵的并、串联运行工况2.10.1水泵的并联运行并联就是一台以上的水泵共同向管系供水，目的：1.增加流量;2.调节流量;3.安全、可靠。1、并联工作的图解法2、并联工作的数解法(1)定速运行下并联工作的数解法(2)调速运行下并联工作的数解法2.10离心泵的并.串联运行工况(续)并联工作中调速台数的选定，见图：2.10.2水泵的串联运行1、图解法2、数解法定速运行下并联工作的数解法关键：确定H=HX-SXQm中的待定系数N台同型号水泵并联运行：2台不同型号水泵并联运行：mXXmXXnQSHQSHH'''XXHHmambmbamambbaXQQnHHnQnQHHS'''''''''nQQmaambbbaXQQQQHHS''XmbbbXmaaaXSQQHSQQHH''调速运行下并联工作的数解法取水泵站调速运行的数解法—水厂中净化工艺要求均匀供水。设某取水泵站有两台不同型号的离心泵并联工作，要求供水量为Qt。其中：1号为定速泵，其Q—H曲线高效段的方程为：H=HX1-SX1Q122号为可调速泵，当转速为n0时，其Q—H曲线高效段的方程为：H=HX2-SX2Q22试求：实现取水泵站均匀供水的调速泵n*值。求n=n*，使Qt均匀供水对1#泵和（3）点列联立方程2303TQSZH2112111QSHQSHSTXX113111XXSSHZHQ13ZHHST由222222220QSHQSHnnHSTXX对2#泵和（3）22322202XXSSHZHnnQ223222011311XXXXTSSHZHnnSSHZHQ调速运行下并联工作的数解法送水泵站调速运行数解法iiA