流体流动过程的损耗功如何计算「已知电机电流如何计算耗电量」

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今天，Ms.参与大家共同了解实际流体，谈谈流体运动时的损耗计算。

1 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。

3 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)中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：

有凸缘入口，ζ=0.7～1。

无凸缘的直角入口，ζ=0.5。

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。