文档介绍：第四章流体机械的相似理论
何谓流体机械的相似理论
此问题源于流体机械的设计提出来的。在设计中,人们总是设法以一些最佳参数的组合计算来得到高效率的机器。但是,在大多流机中的运行工况是多变的,其内部流动情况非常复杂,时至今天尚不能用纯理论计算解决设计问题(尤其是叶片式流体机械)。目前采用的设计都是忽略了某些次要因素,对流体运动作了一些假设的基础上得到的。另外设计时只可针对某一设计工况,即设计理论同实际情况不完全相符,那么如何完善流体机械的设计?
上述问题在实际中是:广泛采用理论计算和模型试验研究相结合的方法来进行设计。即理论计算的机器还需要通过试验来修正计算的误差,尤其是水轮机是在理论计算和模型试验反复进行的基础上,并经多种方案的比较才得到的。
当然近年来由于电子计算机的应用,在国外已替代了部分模型试验。计算机的数值分析计算发展到可以对流体机械内部流动进行数字模拟,即可以根据内部流动分析的计算程序,对各种不同设计参数的组合进行计算,得出最佳方案,并可以估计机器的各种性能—这种方法称作“数值试验”。
但“数值试验”并不能代替模拟试验,以为理论方法的不完善,存在一定的局限性,流体机械中有许多问题仍要依靠模型试验解决,且就是计算机的计算结果仍需要模拟试验来验证。所以目前模型试验仍是研究流体机械的重要手段。
那么模型试验中需解决两个问题:
—流场的模拟
—参数换算。
由流体力学可知,上述内容属相似理论解决的问题
第一节流动相似条件
—、几何相似
指过流部件几何形状相似(所有相应长度成比例,相应角度相等)。
长度比尺:KL=Lp/Lm=Dp/Dm
几何相似的转轮:βbm= βbp
D1p/D1m=bop/bom=const
定义:凡几何相似的流体机械(如水轮机)称作同一系列流体机械(水轮机)。如HL220—120
二、运动相似
指原型与模型相应点的运动状态相似(即速度场相似——对应点的速度三角形相似),相应点的速度大小成比例,方向相同,相应的夹角相等。
速度比尺:Kc=Cp/Cm=Up/Um=Wp/Wm=const
速度三角形相似——对应角度是相等的,所以运动相似又称作等角工况。
相似工况:几何相似的流体机械(水轮机)又满足运动相似的工况称作相似工况(或等角工况)。
即同系列水轮机满足运动相似的工况称相似工况。
三、动力相似
指力场相似——作用在流体质点上的力为同名力,数量相同,并且同名作用力的大小成一定比例,方向相同。
作用力比尺:
KF=Fvp/Fvm=Fpp/Fpm=Fgp/Fgm=Flp/Flm=Fep/Fem
第二节相似理论在流体机械中的应用
前面导出的相似准则是用于试验、设计中应遵循的准则,但是为了便于工程上的使用而作出了一些转换:组合转换、相似换算公式、通用特性曲线。
相似定律:反映相似流体机械主要参数之间关系的定律。主要包括转速相似律、流量相似律和功率相似律。
一、泵的相似换算公式
  (一)、流量相似律(推导略)
由满足流量系数相等( )
可得:
该式反映了相似机间流量的关系(称第一相似律)
(二)、扬程相似律
由满足压力系数( )
可得:
该式反映了相似机间扬程之间的关系(称第二相似律)
(三)、功率相似律
满足功率系数相等
可得:
该式反映了相似机功率间的关系(称第三相似律)
注意到:两台相似机之间应满足流量相似、扬程相似、功率相似。那么根据相似律可以进行两台相似机之间的性能参数换算,也可以用于同一台机在转速变化时,相似工况之间的参数换算。