主要符号说明 G—气休歌量流量 功率 r-增压比; π—-涡轮膨胀比; η——等熵效率 多变效率 c—气流绝对速度 气流相对速度; u—叶轮圆周速度 叶轮旋转角速度 a-音速;气流加速度 J-哥氏加速度; 绝对速度气流角: 的—相对速度气流角;叶片构造角; 重力加速度 M—马赫数;力矩;气体质量 Re-雷诺数 气休压力; 气体和叶片相互作用力; U-一气体比容; 气体比重; F—气体密度;反动度 T—气体绝对温度 气体体积; 粘性系数;功率系数; 等熵指数; 多变指数:叶轮转数 R--气体常数; H/—等熵焓降; h——实际蛤降; L—功; h~…沇动损失的焓降; —流动损失的功;
5一损失系数; q—喷嘴速度系数; ψ—工作叶片速度系数; 速度比 D—直径; r一半径; 5—叶片宽度 —叶片高度; F~--通流积; 叶片数目; 压气机与润轮的特征截面 a-a压气机进11 1-1叶轮进口;喷嘴环出口(工作叶片进[); 2-2叶轮出口(无叶扩压器进口);工作叶片出口; 3-3无叶扩压器出口(叶片扩压器进口); 4-4叶片扩压器出口(蜗壳进口); c-c蜗壳出口(压气机出口); T-T涡轮机进口 上角字 气流的滞止参数; 下角字 T-涡轮机的参数: 压气机的参数; TC—涡轮增压器的参数 各特征截面的参数以该截面序号为下角字标注
第一章流体力学的基本知识 本章介绍流体力学的一些基本橛念和气体运动的基本方程式。这些方程式在涡轮增压 器中得到广泛应用。它们建立了涡轮增压器通流部分各截面上气流参数(如速度、压力 温度和比重等)的相互关系式,用以研究和计算气体与叶片间的能量交换,以及气体在流 动过程中的能量形式相互转换情况。 气体在涡轮增压器中的流动具有复杂的空间特性,是粘性可压缩流体的元流动,而 且流动是不稳定的、即涡轮增压器通流部分各点的气流参数随时间而变化。对于粘性可压 缩流体的三元不稳定流动,把涡轮增压器通流部分各截上气流参数相互联系起来的基木 方程,不仅是很复杂的,而且对工程计算往往也是不方便的。因此,在实际应用中,常常 简化流动现象,作如下假定 将气体在涡轮增压器中的流动当作稳定流动,即认为涡轮增压器通流部分各点的 气流参数不随时间而变化。对于由涡轮和压气机的叶片数目有限和其他因素所引起的脉 现象,通常不予考虑。这不会导致过大的计算误差,因为涡轮增压器中气流的脉动通常具 有很高的频率和很小的振幅 2.认为涡轮增压器通流部分任一横截面上各点的气流参数都相同,并等于它们的平 均值。 因此,本章主要涉及一元的稳定流动,且一般忽略由于气体粘性引起的摩擦力的 影响。 §1-1流体的主要物理特性 流体有气体和液体两种。流体在很小的外力作用下,就能使其形状发生改变,并且在 外力解除后,也不再恢复其原形。流体只能承受压力,而几乎不能承受任何拉力。气体和 液体还有不同的性质。液体的体积随压力和温度变化很小,例如对水施加的压力从1个大 气压增至100个大气压时,其体积只改变原体积的0.5%。因此,一般把液体视为不可压 缩的流体。气体的体积则随压力和温度的变化而发生显著的改变。因此,气体是容易压缩 的,称为可压缩流体。但在某些情况下,气体的体积变化很小,例如气体运动速度不大时 就是这样。这时也可忽略其压缩性,把气体作为不可压缩流体处理。 流体是具有重量的。单位体积内的流体重量称为比重(重度)。而单位重量的流体体积 被称为比容。假定流体是均质的,则流体的比重为 式中G—流体的重量公斤; y—流体的体积米3; y—流体的比重公斤/米3 显然,流体的比容为
空气和水在一个大气压下的比重如表1-1所示 表1-1空气和水的比重 公斤k3 度(C) 0 1.273 062 0.945 水9878310 999,73 982399224」983.24971.83」95838 流体是具有质量的。质量M和重量G有如下关系 M- g 重力加速度,一般可取9=9.81米/秒2 M一一流体的质量公斤·秒2/米 单位体积内的流体质量称为密度,即 式中p一—流体的密度公斤·秒2/米 从公式(1-2)可得 G=Mg 上式两边除以体积,则得 理想气体的密度和比重随温度和压力而变化的关系可用气体状态方程式表示,即 P=pgRT=YRT (1-5) 式中一一气体的压力公斤/米2; T—气体的绝对温度 K —气体常数公斤·米/公斤·度。对空气,一般取R=29.27;对柴油机的燃烧产 物可取R=29.3。 流体是具有粘性的。粘性使流体在运动时会产生内摩擦力(阻力),这是由于流体分子 间的引力和分子间的动量交换而产生的。 流体在运动时所产生的内摩擦力,可用内摩擦定律来确定。设有粘性的流体以较低速 度沿固定平板表面流动,如图1-1所示。实验証明,沿平 板的法线方向速度分布是不均匀的。紧靠平板表面上, 由于粘性使分子附着在平板上,流动速度等于零。离平 板愈远,则流速愈增加。若沿法线方向把流体分为无限 多层,每层的厚度为d。设某一层的流速为c,则其 上面相邻一层的流速为c+dedc是dm这段距离内的 速度增量。比值dc/如称为速度梯度,它表示沿法线 方向单位距离的速度变化。实验证明,两层相邻流体间 的内摩擦力有如下关系 图1-1确定范体内賡擦力参考图
do 式中t——单位面积上所受的摩擦力,称为内切应力 流体的动力粘性系数 公式(1-6)是流体的内摩擦定律。它可以表述如下:流体的内摩擦应力与粘性系数和 速度梯度成正比,而与压力无关。 岩性系数μ的工程单位为公厅秒/米2y它的物理单位为达因·秒/米,称为泊。两种单 位的关系为 1公斤·秒/ 1泊 流体力学中,还常用运动粘性系数,它是动力粘性系数与密度P的比值,即 因为v的工程单位为米2/秒,只含有运动学的单位,所以称v为运动粘性系数。V的物 埋单位为厘米2/秒,称为斯 粘性系数随流体的种类而异,并且和流体的温度及压力有关。但压力的影响较小,通 當可忽略不计,而只考虑温度的影响。液体的粘性系数随温度的升高而降低,这是因为液 体的粘性主要取决于分子的引力。温度升高,分子间距离增大,引力减小,因而粘性系数 下降。气体的粘性系数随溢度的升高而增加。这是因为气体的粘性主要取决于分子运动的 动量交换。温度升高,分了运动加剧,因而粘性系数增大。空气的粘性系数与温度的关系 如表1-2所示。 表1-2空气的粘性系数与温度的关系 40 0()170188+ 088 31 0.150 0.169 0.j88 0.209 0.239 自然界中存在的流体都具有粘性,称为实际流体。但在流体力学中,如果考虑粘性对 流体运动的影响,问题暑很复杂的。因此,在某些情况下,当粘性对流体运动的影响不占 主要地位时,为了分析研究问题方便起见,假定流体没有粘性,这样的流体称为理想流体。 实践证明,对于解决空气这类粘性很小的流体的许多实际问题,将其当作理想流体进行研 究,所得的结果是令人满意的,有时只需要作很小的修正即可。但不是所有的问题都可按 理想流体来处理。当流体运动的速度梯度很大时,即使粘性小的流体,根据内摩擦定律, 其所产生的内摩擦力悬不能忽略的,因而粘性的影响不能忽略,否则将导致完全错误的 结果 §1-2流动参数 流体是由不断运动着的分子所构成的,分子的运动是由内部互相吸引和互相排斥的分 子力所决定的。除内部分子力所引起的流体运动外,还存在着由于外部原因而引起的流体 运动,例如由于重力、压力差等作用力而引起的运动。这样,流体的运动包括分子运动和巾