流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法

前言

眾所周知，流體在力的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)將引起力、動(dòng)量、能量的傳遞，可進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換乃至物質(zhì)的輸運(yùn)。利用流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行力或功的傳遞、或進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，即稱之為流體機(jī)械。如水壓機(jī)、油壓機(jī)、壓縮機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)，以及其他一些渦輪機(jī)械等。其中，水壓機(jī)和油壓機(jī)是進(jìn)行力或功傳遞的流體機(jī)械，而泵、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)，以及其他一些渦輪機(jī)械是將機(jī)械能、電能和流體的動(dòng)能與勢能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的流體機(jī)械。流體機(jī)械廣泛應(yīng)用于能源、礦山、)臺(tái)金、石油、化工、環(huán)境與食品加工，以及建筑、水利、動(dòng)力與物質(zhì)輸運(yùn)工程，乃至航空航天與海事技術(shù)等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域及其各部門和國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。總之，人類的文明生存和社會(huì)發(fā)展都離不開流體機(jī)械，從高科技到人們的日常生活，均與流體機(jī)械息息相關(guān)。然而，流體機(jī)械必然是機(jī)械中的一種，因而它除具有機(jī)械的一般特性和要求外，由于其工作介質(zhì)為流體，還應(yīng)具有區(qū)別于其他機(jī)械的獨(dú)特特性。其最根本之處在于流體介質(zhì)在其工作過程中的運(yùn)動(dòng)必須滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒這三大定律。因此，在流體機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造過程中，必須在遵照一般機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造原則和要求的基礎(chǔ)上，還要滿足其特殊性及對其性能的要求。因而，本書中除了包含有隨著科技進(jìn)步目前普通機(jī)械設(shè)計(jì)的先進(jìn)理論與方法和所要求的性能指標(biāo)等一般內(nèi)容外，還增補(bǔ)了流體機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)的基本知識(shí)與方法，也有一些流體力學(xué)及計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)和計(jì)算方法的知識(shí)。同時(shí)，為了滿足流體機(jī)械特殊性的要求，提高流體機(jī)械、尤其是水力機(jī)械的能量、空蝕與穩(wěn)定性這三項(xiàng)主要性能，本書重點(diǎn)介紹了流體機(jī)誡、主要是水力機(jī)械目前先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論與方法，以及轉(zhuǎn)(葉)輪內(nèi)部流場的數(shù)值計(jì)算及其CFD計(jì)算軟件的應(yīng)用，并給出了網(wǎng)格生成與流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)問題的求解方法與過程，以及具體計(jì)算的實(shí)例。實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬是當(dāng)前研究流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)及其性能的三種最主要的基本方法。

內(nèi)容概要

本書圍繞提高流體機(jī)械性能這條主線自成體系，注重知識(shí)的更新與相關(guān)學(xué)科知識(shí)的交叉，注重工程實(shí)踐，注重解決問題的思維方法，講述了設(shè)計(jì)中所用到的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，以及隨著科技發(fā)展的新理論和目前流體機(jī)械設(shè)計(jì)所采用的主要先進(jìn)方法。全書共分為八章，主要內(nèi)容包括：概述，水力機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計(jì)常用的主要方法，流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)化，可靠性設(shè)計(jì)，流體力學(xué)基礎(chǔ)，流體機(jī)械內(nèi)部流場的數(shù)值計(jì)算，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及其常用CFD軟件簡介，流動(dòng)的數(shù)值模擬在工程中的應(yīng)用。為便于深入了解和掌握各章節(jié)的內(nèi)容，在必要的章節(jié)中不僅給出了例題或?qū)嶋H算例，而且在各節(jié)后也提出了思考題。    本書可供企事業(yè)單位、科研院所從事流體機(jī)械及工程專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的科技與工程技術(shù)人員查閱、參考，也可作為流體機(jī)械及工程專業(yè)研究生和高年級本科生的教科書或參考書。

作者簡介

齊學(xué)義，男，漢族，遼寧臺(tái)安人，1945年生，教授，博士生導(dǎo)師，中共黨員。1963年考入東北重型機(jī)械學(xué)院水機(jī)專業(yè)，1965年8月隨系遷入甘肅工業(yè)大學(xué)，1968年畢業(yè)分配至哈爾濱電機(jī)廠，1978年考取第一屆甘肅工業(yè)大學(xué)流體機(jī)械及流體動(dòng)力工程專業(yè)碩士研究生，1981年畢業(yè)、獲碩士學(xué)位，并留校任教。1996年晉升為教授，國務(wù)院政府特殊津貼享受者；擔(dān)任“日內(nèi)瓦全球?qū)＠聞?wù)評定與促進(jìn)委員會(huì)”評委；“國家自然科學(xué)基金委員會(huì)”評議專家；“中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)能源與動(dòng)力工程學(xué)科”副主任委員、甘肅省水力發(fā)電學(xué)會(huì)常務(wù)理事等社會(huì)職務(wù)。2003年被評為蘭州理工大學(xué)教學(xué)名師。

書籍目錄

前言第一章 概述　第一節(jié) 葉片式流體機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求　第二節(jié) 葉片式流體機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪水力計(jì)算中的基本方程及假設(shè)　第三節(jié) 混流或離心式轉(zhuǎn)（葉）輪中的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)（葉）輪及其葉片的水力設(shè)計(jì)方法　第四節(jié) 軸流式轉(zhuǎn)（葉）輪中的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)輪及其葉片的水力設(shè)計(jì)方法第二章 水力機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計(jì)常用的主要方法　第一節(jié) 給定軸面液流運(yùn)動(dòng)規(guī)律（wμ≠0）的二元理論葉片繪形　第二節(jié) 軸流式流體機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計(jì)參數(shù)的確定　第三節(jié) 軸流式轉(zhuǎn)（葉）輪葉片設(shè)計(jì)的升力法　第四節(jié) 軸流式轉(zhuǎn)（葉）輪葉柵翼型骨線設(shè)計(jì)的奇點(diǎn)分布法　第五節(jié) 離心泵葉輪設(shè)計(jì)中的速度系數(shù)法　第六節(jié) 葉片泵葉輪軸面投影圖的繪制　第七節(jié) 離心泵的葉片繪型第三章 流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)化　第一節(jié) 機(jī)械設(shè)計(jì)中優(yōu)化的基本概念和方法　第二節(jié) 流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)化　第三節(jié) 常用優(yōu)化算法的基本思想及其程序編制構(gòu)思　第四節(jié) 優(yōu)化在泵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用　第五節(jié) 優(yōu)化在水輪機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用　第六節(jié) 離心壓縮機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)第四章 可靠性設(shè)計(jì)　第一節(jié) 可靠性概述　第二節(jié) 隨機(jī)時(shí)間的概率規(guī)則　第三節(jié) 隨機(jī)變量的分布和數(shù)字特征　第四節(jié) 產(chǎn)品可靠性的數(shù)量指標(biāo)　第五節(jié) 可靠性的設(shè)計(jì)理論與分析方法　第六節(jié) 可靠度的計(jì)算方程及其計(jì)算方法　第七節(jié) 應(yīng)力、強(qiáng)度的分布類型及其分布參數(shù)的確定　第八節(jié) 可靠性安全系數(shù)的計(jì)算　第九節(jié) 流體機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)　第十節(jié) 機(jī)械可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)第五章 流體力學(xué)基礎(chǔ)　第一節(jié) 流體的基本性質(zhì)　第二節(jié) 流體中的力與壓強(qiáng)　第三節(jié) 流體中的能量損失與總流的能量方程　第四節(jié) 流體運(yùn)動(dòng)的描述及其基本特征　第五節(jié) 亞音速與超音速流動(dòng)　第六節(jié) 流體多維流動(dòng)的基本控制方程　第七節(jié) 邊界層與物體阻力　第八節(jié) 湍流模型概述　第九節(jié) 目前常用的湍流渦黏模型簡介　第十節(jié) 目前常用的湍流Reynolds應(yīng)力模型簡介第六章 流體機(jī)械內(nèi)部流場的數(shù)值計(jì)算　第一節(jié) 流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值計(jì)算概述　第二節(jié) 轉(zhuǎn)（葉）輪內(nèi)流動(dòng)的降維計(jì)算　第三節(jié) 相對圓柱坐標(biāo)系中流體參數(shù)及其運(yùn)動(dòng)的描述　第四節(jié) 轉(zhuǎn)（葉）輪機(jī)械內(nèi)三維流動(dòng)的準(zhǔn)正交面計(jì)算方法　第五節(jié) 準(zhǔn)正交面法三維流動(dòng)計(jì)算的數(shù)值求解步驟第七章 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及其常用CFD軟件簡介　第一節(jié) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)概述　第二節(jié) 湍流及其數(shù)學(xué)描述　第三節(jié) 湍流的數(shù)值模擬方法簡介　第四節(jié) 常用湍流模型的控制方程組及其解法與適用性　第五節(jié) CFD的求解過程　第六節(jié) CFD軟件結(jié)構(gòu)　第七節(jié) 常用的CFD商用軟件簡介　第八節(jié) FLUENT簡介　第九節(jié) 網(wǎng)格生成技術(shù)第八章 流動(dòng)的數(shù)值模擬在工程中的應(yīng)用　第一節(jié) 軸流泵內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值分析　第二節(jié) 混流式轉(zhuǎn)輪內(nèi)部三維湍流的數(shù)值計(jì)算　第三節(jié) 風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬與改型設(shè)計(jì)　第四節(jié) 液力變矩器內(nèi)三維流場數(shù)值模擬的一種近似方法　第五節(jié) 二維大渦數(shù)值模擬　第六節(jié) 二維大渦模擬在雙流道式污水泵葉輪流場分析中的應(yīng)用　第七節(jié) 低比轉(zhuǎn)速離心葉輪內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算　第八節(jié) 混流式模型水輪機(jī)全流道三維定常湍流計(jì)算　第九節(jié) 模型水輪機(jī)的CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第二章 水力機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計(jì)常用的主要方法前一章已講過，水力機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪的水力設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上常用的主要方法有：對于混流式水輪機(jī)和離心式葉片泵，常采用一元理論和二元理論wμ＝0的設(shè)計(jì)方法；對于軸流式水力機(jī)械的水力設(shè)計(jì)，則常采用升力法和奇點(diǎn)分布法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算技術(shù)與能力的提高，目前，已廣泛采用準(zhǔn)三元或全三元理論借助于CFD的流場模擬與分析的手段，來進(jìn)行水力機(jī)械轉(zhuǎn)（葉）輪的水力設(shè)計(jì)和新水力模型的開發(fā)。但這種設(shè)計(jì)方法目前無論如何還必須得依靠用傳統(tǒng)的一元或二元理論的設(shè)計(jì)方法，或用升力法和奇點(diǎn)分布法提供初始的轉(zhuǎn)（葉）輪的模型，即目前的準(zhǔn)三元或全三元的設(shè)計(jì)計(jì)算方法只能求解葉柵繞流的正問題，還不能很好地解決葉柵繞流的反問題。其原因是目前還不能根據(jù)對設(shè)計(jì)性能的要求合理或準(zhǔn)確地給出流場。因此，這里還要介紹傳統(tǒng)上的一些主要方法。由于一元理論和二元理論的wμ＝0的設(shè)計(jì)方法相對較為簡單，又在本科專業(yè)學(xué)習(xí)階段已詳細(xì)講過，所以這里就不再贅述，只介紹wμ≠0的二元理論的設(shè)計(jì)方法和升力法與奇點(diǎn)分布法。至于三元理論的設(shè)計(jì)方法，通常是通過降維在兩個(gè)流面上結(jié)合數(shù)值計(jì)算進(jìn)行的，因而，將其融于第六、七、八章中對這部分內(nèi)容順便作以介紹。

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《流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法》可供企事業(yè)單位、科研院所從事流體機(jī)械及工程專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的科技與工程技術(shù)人員查閱、參考，也可作為流體機(jī)械及工程專業(yè)研究生和高年級本科生的教科書或參考書。大家都用過水壓機(jī)、壓縮機(jī)、泵之類的機(jī)械吧？這類機(jī)械叫做流體機(jī)械。是因?yàn)榱黧w在力的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)可進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換乃至物質(zhì)的輸運(yùn)，而流體機(jī)械就是利用流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行力或功的傳遞、或進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械。從高科技到人們的日常生活，均與流體機(jī)械息息相關(guān)。

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