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电机中涉及到的流体损耗

发布时间:2018-06-04 22:23:00 点击:    

 
 

无锡伯顿亚虎国际娱乐2018年6月4日讯  基于理想流体,诠释了“压头”——流体内部特有的能量形式。今天,与大家共同了解实际流体,谈谈流体运动时的损耗计算。

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实际流体及其运动方程

与理想流体相比,实际流体存在着粘滞性,管道对流体也存在各种形式的阻力,因此管道中的流体(如电机中的空气)流动时不可避免要引起能量的损耗。根据产生部位和原因不同,损耗分摩擦损耗和局部损耗两类。

摩擦损耗

在接近管道表面的流体边界层中,有较大的速度梯度dv/dn,由于粘滞性引起的摩擦力τ=μ·dv/dn较大,摩擦把机械能转化为热能向四周散发

局部损耗

在管道形状有突变的地方,如管道截面突然扩大或缩小、流道的转弯等,引起流体间互相碰撞,产生涡流,引起额外的内部摩擦损耗。因涡流的形成也和边界层中的流体摩擦力有关,故不能将其与摩擦损耗截然分开。

气体冷却的电机中,一般管道不长而形状较为复杂多变,流体能量的损耗主要是局部损耗。

实际流体稳态运动方程

在电机冷却系统中,流体在运动过程中高度位置基本不变,理想流体运动方程(伯努利方程)为

p+(γ/g)·V2/2=常数……(1)

式(1)中 V——流速(m/s)

p——压力能(N/m2)

g—— 9.81 (m/s2)

γ——重度(N/s3)

考虑到实际流体运动过程中能量的损耗,式(1)应写成

p1+(γ/g)·V12/2=p2+(γ/g)·V22/2+Δp……(2)

即当流体从位置1运动到位置2时,由于总能量中一部分变成了损耗,故压力减少了Δp。


2
摩擦损耗引起的压力降

若流体在截面不变的直管内流动,则流体在管道两端速度V1、V2不变,即V1=V2式(2)转化为

p1- p2=Δp……(3)

即流体参位置1(管道始端)运动到位置2(管道末端)时,因与管道摩擦引起压力损耗Δp,所损耗的压力为流体的部分静压力。

无论层流或紊流的情况下,对于圆形管道,摩损所引起的压力降落Δp可表达为

Δp=λ·l/d·γ/g·V2/2= ζ·γ/g·V2/2……(4)

式(4)中
        ζ=λ·l/d为摩擦损耗系数

        λ—— 摩擦系数

         l—— 管道长度

        d—— 管道直径或其等效直径

Δp以流体的动压力的形式表示,但不能因此按式(4)误认为摩擦损耗与流速的平方成正比,因式中摩擦系数λ非常数,它也是速度的函数。在层流及紊流的初期,λ随速度的增高而减小,并和管壁的光滑程度有关;达到完全紊流后,λ与速度无关,只和管壁的光滑程度有关。在电机中,由于有旋转的部件,可认为其中的空气或其他流体总是处在紊流状态中,此时

λ=0.02~0.065,管壁光滑的金属管道取下限,粗糙管道如由叠片形成的管道取下限。

当管道截面为矩形等非圆形管道时,按圆形管道中直径等于截面积与周长之比的概念计算,即

d=4S/L……(5)

式(5)中 d —— 管道等效直径

            S —— 管道截面积

            L —— 管道周长

截面为矩形时,式(5)转化为

d=2ab/(a+b)……(6)

式(6)中 a、b为矩形二边的尺寸。

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局部损耗引起的压力降

电机冷却系统内,局部损耗占很大的比重。与摩擦损耗类似,局部损耗也以流体的动压力为基值表示:

Δp= ζ·γ/g·V2/2……(7)

这里ζ为局部损耗系数,在几何相似的管道中,ζ是常数。实验证明:局部损耗Δp确与V2成正比,且也表现为流体静压力的减小。

常见几种情况局部损耗系数计算方法:

管道截面突然扩大

ζ=(1-S1/S2)2……(8)

S1、S2为截面突变处两边的管道截面积,S1<S2。公式中的ζ是对小截面处的流速而言,即式(7)中的V应用S1管道中的速度代入。

管道截面突然缩小

ζ≈(1-S2/S1)/2……(9)

S1、S2为截面突变处两边的管道截面积,S2<S1。公式中的ζ也是对小截面处的流速而言,即式(7)中的V应用S2管道中的速度代入。

出口和入口

出口是截面扩大的特例,这时式(8)S2=所以ζ=1,表示出口处流体将带走它包含的全部动能。为减少出口损耗,可采用扩散器以减小出口处流体的流速。

入口处的局部损耗随入口的结构情况而不同,分为三类:

  1. 有凸缘入口,ζ=0.7~1。

  2. 无凸缘的直角入口,ζ=0.5。

  3. 带圆角的入口,ζ=0.2~0。

● 管道改变方向

管道的方向改变时,在弯曲处所引起的局部损耗取决于弯曲的角度、管道的形状及尺寸等因素。在电机中,由于气流方向的改变引起的局部损耗可用下式计算:

Δp= ξαV2……(10)

式(10)中V——管道中空气的速度

            ξα——当转角为α时,空气的动阻力系数。

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