流體機械設(shè)計理論與方法

前言

眾所周知，流體在力的作用下產(chǎn)生的運動將引起力、動量、能量的傳遞，可進行能量的轉(zhuǎn)換乃至物質(zhì)的輸運。利用流體的運動進行力或功的傳遞、或進行能量轉(zhuǎn)換的機械，即稱之為流體機械。如水壓機、油壓機、壓縮機、泵、風機、水輪機，以及其他一些渦輪機械等。其中，水壓機和油壓機是進行力或功傳遞的流體機械，而泵、風機、水輪機，以及其他一些渦輪機械是將機械能、電能和流體的動能與勢能進行相互轉(zhuǎn)換的流體機械。流體機械廣泛應(yīng)用于能源、礦山、)臺金、石油、化工、環(huán)境與食品加工，以及建筑、水利、動力與物質(zhì)輸運工程，乃至航空航天與海事技術(shù)等各個學(xué)科領(lǐng)域及其各部門和國民經(jīng)濟的各行各業(yè)?？傊?，人類的文明生存和社會發(fā)展都離不開流體機械，從高科技到人們的日常生活，均與流體機械息息相關(guān)。然而，流體機械必然是機械中的一種，因而它除具有機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)別于其他機械的獨特特性。其最根本之處在于流體介質(zhì)在其工作過程中的運動必須滿足質(zhì)量、動量和能量守恒這三大定律。因此，在流體機械的設(shè)計與制造過程中，必須在遵照一般機械的設(shè)計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步目前普通機械設(shè)計的先進理論與方法和所要求的性能指標等一般內(nèi)容外，還增補了流體機械優(yōu)化設(shè)計和可靠性設(shè)計的基本知識與方法，也有一些流體力學(xué)及計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)和計算方法的知識。同時，為了滿足流體機械特殊性的要求，提高流體機械、尤其是水力機械的能量、空蝕與穩(wěn)定性這三項主要性能，本書重點介紹了流體機誡、主要是水力機械目前先進的設(shè)計理論與方法，以及轉(zhuǎn)(葉)輪內(nèi)部流場的數(shù)值計算及其CFD計算軟件的應(yīng)用，并給出了網(wǎng)格生成與流體機械內(nèi)部流動問題的求解方法與過程，以及具體計算的實例。實驗、理論分析和數(shù)值模擬是當前研究流體機械內(nèi)部流動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械性能這條主線自成體系，注重知識的更新與相關(guān)學(xué)科知識的交叉，注重工程實踐，注重解決問題的思維方法，講述了設(shè)計中所用到的基本理論和基礎(chǔ)知識，以及隨著科技發(fā)展的新理論和目前流體機械設(shè)計所采用的主要先進方法。全書共分為八章，主要內(nèi)容包括：概述，水力機械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計常用的主要方法，流體機械設(shè)計中的優(yōu)化，可靠性設(shè)計，流體力學(xué)基礎(chǔ)，流體機械內(nèi)部流場的數(shù)值計算，計算流體動力學(xué)基礎(chǔ)及其常用CFD軟件簡介，流動的數(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年考入東北重型機械學(xué)院水機專業(yè)，1965年8月隨系遷入甘肅工業(yè)大學(xué)，1968年畢業(yè)分配至哈爾濱電機廠，1978年考取第一屆甘肅工業(yè)大學(xué)流體機械及流體動力工程專業(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；擔任“日內(nèi)瓦全球?qū)＠聞?wù)評定與促進委員會”評委；“國家自然科學(xué)基金委員會”評議專家；“中國機械工業(yè)教育協(xié)會能源與動力工程學(xué)科”副主任委員、甘肅省水力發(fā)電學(xué)會常務(wù)理事等社會職務(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) 葉片式流體機械轉(zhuǎn)（葉）輪的設(shè)計任務(wù)和要求　第二節(jié) 葉片式流體機械轉(zhuǎn)（葉）輪水力計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)點運動與轉(zhuǎn)（葉）輪及其葉片的水力設(shè)計方法　第四節(jié) 軸流式轉(zhuǎn)（葉）輪中的流體質(zhì)點運動與轉(zhuǎn)輪及其葉片的水力設(shè)計方法第二章 水力機械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計常用的主要方法　第一節(jié) 給定軸面液流運動規(guī)律（wμ≠0）的二元理論葉片繪形　第二節(jié) 軸流式流體機械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計參數(shù)的確定　第三節(jié) 軸流式轉(zhuǎn)（葉）輪葉片設(shè)計的升力法　第四節(jié) 軸流式轉(zhuǎn)（葉）輪葉柵翼型骨線設(shè)計的奇點分布法　第五節(jié) 離心泵葉輪設(shè)計中的速度系數(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 流體機械設(shè)計中的優(yōu)化　第一節(jié) 機械設(shè)計中優(yōu)化的基本概念和方法　第二節(jié) 流體機械設(shè)計中的優(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)計中的應(yīng)用　第五節(jié) 優(yōu)化在水輪機設(shè)計中的應(yīng)用　第六節(jié) 離心壓縮機葉片的優(yōu)化設(shè)計第四章 可靠性設(shè)計　第一節(jié) 可靠性概述　第二節(jié) 隨機時間的概率規(guī)則　第三節(jié) 隨機變量的分布和數(shù)字特征　第四節(jié) 產(chǎn)品可靠性的數(shù)量指標　第五節(jié) 可靠性的設(shè)計理論與分析方法　第六節(jié) 可靠度的計算方程及其計算方法　第七節(jié) 應(yīng)力、強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)的計算　第九節(jié) 流體機械零件的可靠性設(shè)計　第十節(jié) 機械可靠性的優(yōu)化設(shè)計第五章 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　第三節(jié) 流體中的能量損失與總流的能量方程　第四節(jié) 流體運動的描述及其基本特征　第五節(jié) 亞音速與超音速流動　第六節(jié) 流體多維流動的基本控制方程　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 流體機械內(nèi)部流場的數(shù)值計算　第一節(jié) 流體機械內(nèi)部流動數(shù)值計算概述　第二節(jié) 轉(zhuǎn)（葉）輪內(nèi)流動的降維計算　第三節(jié) 相對圓柱坐標系中流體參數(shù)及其運動的描述　第四節(jié) 轉(zhuǎn)（葉）輪機械內(nèi)三維流動的準正交面計算方法　第五節(jié) 準正交面法三維流動計算的數(shù)值求解步驟第七章 計算流體動力學(xué)基礎(chǔ)及其常用CFD軟件簡介　第一節(jié) 計算流體動力學(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)值計算　第三節(jié) 風機葉輪內(nèi)流動的數(shù)值模擬與改型設(shè)計　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)部流動的數(shù)值計算　第八節(jié) 混流式模型水輪機全流道三維定常湍流計算　第九節(jié) 模型水輪機的CFD優(yōu)化設(shè)計參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第二章 水力機械轉(zhuǎn)（葉）輪水力設(shè)計常用的主要方法前一章已講過，水力機械轉(zhuǎn)（葉）輪的水力設(shè)計傳統(tǒng)上常用的主要方法有：對于混流式水輪機和離心式葉片泵，常采用一元理論和二元理論wμ＝0的設(shè)計方法；對于軸流式水力機械的水力設(shè)計，則常采用升力法和奇點分布法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算技術(shù)與能力的提高，目前，已廣泛采用準三元或全三元理論借助于CFD的流場模擬與分析的手段，來進行水力機械轉(zhuǎn)（葉）輪的水力設(shè)計和新水力模型的開發(fā)。但這種設(shè)計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)計方法，或用升力法和奇點分布法提供初始的轉(zhuǎn)（葉）輪的模型，即目前的準三元或全三元的設(shè)計計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)計性能的要求合理或準確地給出流場。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)計方法相對較為簡單，又在本科專業(yè)學(xué)習階段已詳細講過，所以這里就不再贅述，只介紹wμ≠0的二元理論的設(shè)計方法和升力法與奇點分布法。至于三元理論的設(shè)計方法，通常是通過降維在兩個流面上結(jié)合數(shù)值計算進行的，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。

編輯推薦

《流體機械設(shè)計理論與方法》可供企事業(yè)單位、科研院所從事流體機械及工程專業(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、壓縮機、泵之類的機械吧？這類機械叫做流體機械。是因為流體在力的作用下產(chǎn)生的運動可進行能量的轉(zhuǎn)換乃至物質(zhì)的輸運，而流體機械就是利用流體的運動進行力或功的傳遞、或進行能量轉(zhuǎn)換的機械。從高科技到人們的日常生活，均與流體機械息息相關(guān)。

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