工程案例

工 程 案 例

案例一、伯努利方程的应用

——航海奇案的审判

事情发生在1912年的秋天，一艘当时世界上最大的远洋巨轮“奥林匹克”号，航行在茫茫的大海上。距它100m左右的海面上，一艘比它小得多的“豪克”号与它几乎是平行地疾驶着。突然“豪克”号像着了魔似的，扭转船头冲向“奥林匹克”号。两船的水手赶紧打舵，但无论他们怎样操纵都无济于事，“豪克”号还是向“奥林匹克”号的船舷撞去，结果撞出了一个大洞。

在法庭审理这桩奇案时，“豪克”号被判为有过失的一方。然而，这个判决是不正确的。

我们可以根据流体流动原理来分析这次事故的原因。由伯努利方程可

知，流体流动时，其动能与静压能可以相互转换，速度大的一侧压力低，速度小的一侧压力高。根据这一原理，两般并排行驶时，由于内侧船舷中间的流道较狭窄，水流比两般的外侧快，因此水对内侧的压力比对外侧压力小。于是，船内外侧的压力差像一双无形的巨手，把两船推向一起，造成碰撞事故。由于“豪克”号吨位小，所以被推得快，看起来是小船撞了大船。事实上大小船的并行加上快速行驶，造成了这起事故的发生。两船应负同等责任。两船若能及时采取措施迅速减速，这场事故也许是可避免的。

提示：两船相距很近而高速行驶是航海上的大忌。

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案例二、烟囱的工作原理

化工生产中经常会用到燃烧炉，燃烧炉烟囱的设计应遵循流体流动原理。图1为燃烧炉自然排烟系统示意图。要使烟气从炉内排除，必须克服排烟系统的一系列阻力。烟气之所以能克服这些阻力，是由于烟囱能在其底部（2-2′面）形成吸力。若炉膛尾部（1-1′面）的压力为大气压，则在两截面间压力差的作用下，高温烟气就可经排烟烟道流进烟囱底部，最后由烟囱排至大气中。

图1 燃烧炉排烟系统示意图

提示：

? 烟囱能在其底部形成吸力的原因？ ? 烟囱吸力的大小与哪些因素有关？

“拔烟”的工作原理：设烟气的在烟囱中的平均流速为u。在烟囱底部（2-2’）与烟囱顶部（3-3’）两截面间列伯努利方程：

1p1pgz?u??gz?u???w2?2?22232233烟烟f,2?3

2

若忽略烟囱直径的变化，则u2=u3

p?p??gH3a空22而

?wf,2?3Hu

??d22由以上三式可得：

p?p?[(???)g??a2空烟?u烟2d2]H2?:为烟气的密度

?:为空气的密度烟空

结论：当烟气的密度小于空气的密度时，烟气在烟囱内产生

向上的自然运动，从而在烟囱底部造成真空（低压），形成烟囱的吸力，将炉膛内的烟气抽出，这就是烟囱能“拔烟”的原理。

烟囱吸力的大小取决于其高度、空气及烟气的密度差和烟囱直径。烟囱超高、直径越粗、空气与烟囱的密度差越大，则吸力越大，“拔烟”效果越好。

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案例三、离心泵的气蚀问题

某石化公司所属的动力车间，为配合技改项目，新建了一座循环水塔，如图2。设计总循环水量为6600m3/h，采用4台离心泵并联操作。投产运行后发现，4台离心泵出口压力表均存在不同程度的摆动，机组有较大的振动和噪声，吸水池液面扰动严重，并浮有大量的气泡。停泵进行检修，发现叶轮表面锈迹斑斑。根据上述情况说明该泵在操作过程中发生了较严重的气蚀。

技术人员对该系统进行了深入的故障分析，提出引起泵气蚀的可能原因： 1）操作流量过大：原设计时单台泵的循环水量为2200m3/h，但实际操作时每台泵的流量达到了2800m3/h。由于流量增大，泵吸收管路阻力增大，使泵入口处的压力降低，有效气蚀余量减小，同时，流量的增大使泵的必须气蚀余量增大，两方面因素均可导致气蚀现象的发生。

2）吸水池结构不合理：吸水池前的封闭流道，宽1.5m，管道底部距吸水池底2.3m，形成急剧落差，而且，流道进入水池采用了直角结构，流道突然扩大，产生旋涡，增大了流动阻力。

3）循环水温过高：进入吸水池前的循环冷却水冷却不够充分，使吸水池中水温达40℃-50℃。温水进入吸水池时容易产生气泡，这些气泡随之进入叶轮，在高压液体作用下，气泡会凝结或破裂，同时水温高使饱和蒸汽压较大，致使有效气蚀余量减小，也易使泵发生气蚀。

图2 吸水池结构示意图

请根据以上可能引起泵气蚀的原因分析，提出相应的技改方案，以防范离心泵气蚀现象的发生。

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