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流體力學(xué)和流體機(jī)械概述 流體力學(xué)可被應(yīng)用于許多方面，這使得流體力學(xué)成為所有工程和應(yīng)川科學(xué)中十分重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。管道、水渠中的流體流動(dòng)對(duì)于土木工程師來(lái)說(shuō)是很重要的對(duì)像水泵、壓縮機(jī)、換熱器、噴管和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等流體機(jī)械的研究，使得流體力學(xué)對(duì)于機(jī)械工程師來(lái)說(shuō)也很重要。氣流繞過(guò)一個(gè)物體的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象是設(shè)計(jì)飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的航空航天工程師們感興趣的基本問(wèn)題因?yàn)榇髿夂秃Ｑ蠖际橇黧w，所以對(duì)流體的研究是氣象學(xué)、水文學(xué)和海洋學(xué)的基礎(chǔ)。今天，在現(xiàn)代工程中許多新的理論把流體力學(xué)和經(jīng)典理論結(jié)合起來(lái)。例如把流體力學(xué)和電磁學(xué)理論結(jié)合在一起研究稱(chēng)之為電磁流體動(dòng)力學(xué)。在新 )型的能量轉(zhuǎn)換裝置中，在研究星球和電離層的現(xiàn)象中電磁流體動(dòng)力學(xué)是不可或缺的 我們可以看到，對(duì)于現(xiàn)代的工程師和科學(xué)家來(lái)說(shuō)熟悉流體力學(xué)是十分必要的。顯而易見(jiàn)，流體力學(xué)及其應(yīng)用是一門(mén)有著廣泛專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的學(xué)科 們經(jīng)常問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題：微團(tuán)關(guān)于時(shí)間的位置函數(shù)是什么？通過(guò)這一條件其他所有的問(wèn)題，例如，速度和加速度是什么，都可以回答。如果位置矢量r 代表微團(tuán)的位置，那么 r(t)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。 然而 們所關(guān)注的是一個(gè)連續(xù)流實(shí)際上 問(wèn)的問(wèn)題是：在空間某點(diǎn)（相對(duì)于任意一個(gè)固定坐標(biāo)系）處，該點(diǎn)的速度、加速度和熱力學(xué)性質(zhì)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)是什么？隨著時(shí)間的推移，該點(diǎn)的流體不斷地和流經(jīng)它的新流體發(fā)生交換作用，所以我們不跟蹤任何單個(gè)流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)但卻研究空間某點(diǎn)隨時(shí)問(wèn)的變化情況，而不管在任一特定時(shí)間恰好是什么流體通過(guò)這種描述流體的方法叫歐拉法，與之相對(duì)的描述法叫拉格朗日法，拉格朗日方法被用于描述在剛體力學(xué)中一個(gè)微團(tuán)的運(yùn)動(dòng) . 前面提到了一個(gè)詞：連續(xù)流從流體的角度看，該詞有什么意義？我們假設(shè)流體微 團(tuán)（或分子）間的距離，或者更精確地說(shuō)是平均自由行程很小 空氣動(dòng)力學(xué)研究中，機(jī)翼厚度比繞過(guò)機(jī)翼的氣流的平均自由行程要大許多個(gè)量級(jí)。因此我們假設(shè)所有的（積分的）極限過(guò)程都有意義，而民在保持連續(xù)性情況 F 任何體積的流體都能分成更小的體積很明顯最終這種分割很難進(jìn)行下去，但我們假設(shè)這分割能進(jìn)行，這是因?yàn)槲F(tuán)的尺寸很小，從微觀(guān)的角度看，這對(duì)我們的研究沒(méi)有任何影響 . 在不可壓流中，能量方程并不是必要的，因?yàn)槊芏仁且阎摹榱送暾孛枋隽黧w流動(dòng)，只需要求解 壓力和速度。此時(shí)溫度是分離的，如果要求解溫度則需要用能量方程 流體機(jī)械是指那些把能量輸送到流體中或自流體中抽取能量的機(jī)械設(shè)備。第一類(lèi)流體機(jī)械統(tǒng)稱(chēng)為水泵，而第二類(lèi)流體機(jī)械由渦輪機(jī)組成。雖然也涉及了其他的的機(jī)械，但重點(diǎn)是渦輪機(jī)械，即那些以轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)傳遞能量的水泵和渦輪機(jī)。常用的有三種類(lèi)型的渦輪機(jī)，它們分別是： 輪機(jī)和兩種反動(dòng)式渦輪機(jī)— 輪機(jī)和推進(jìn)式渦輪機(jī)。 輪機(jī)是一種脈動(dòng)式的渦輪機(jī)，它包括一圈分開(kāi)的環(huán)形葉片， 分開(kāi)葉片的改進(jìn)使水輪機(jī)能夠很好地完成工作，而且因 此水輪機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用。水的射流（或大系統(tǒng)的多個(gè)射流）方向與給定葉片的方向相反，而且打在分開(kāi)的葉片上反彈回來(lái)再流向每一側(cè)，因而將沖擊力傳給葉片。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)后繼的葉片與射流成一條直線(xiàn)。 在典型的 輪機(jī)中心，水流帶著由引導(dǎo)葉片傳給的切向分量進(jìn)入外部圓周，渦輪葉片這樣設(shè)計(jì)使得水流沿徑向流過(guò)渦輪葉片，流體失去了角動(dòng)量，因此給葉片加上了一個(gè)轉(zhuǎn)矩。盡管最初的 輪機(jī)是離心式渦輪機(jī)，但目前它們通常是離心式與軸流式的結(jié)合，其葉片通常將水流方向由徑向轉(zhuǎn)為軸向。第二類(lèi)反動(dòng)式渦輪機(jī)，稱(chēng)為推進(jìn) 式渦輪機(jī)，基本上是軸流式的。像 輪機(jī)一樣，推進(jìn)式渦輪機(jī)也減少了流體的角動(dòng)量，因而也在推進(jìn)槳葉上產(chǎn)生了一個(gè)轉(zhuǎn)矩。大多數(shù)現(xiàn)代推進(jìn)式渦輪機(jī)的槳葉斜度都可調(diào)，以便于在一定的排水量范圍內(nèi)維持較高的效率。這樣的裝置就稱(chēng)為 輪機(jī)。幾乎所有的渦輪機(jī)都直接與發(fā)電機(jī)組相連接，因此渦輪機(jī)必須保持近乎不變的旋轉(zhuǎn)速度，這就是同步速度。這個(gè)由調(diào)速機(jī)維持的速度，是由發(fā)電機(jī)中電極的數(shù)目和產(chǎn)生電流的頻率來(lái)決定的。對(duì)于 60 赫茲（每秒鐘的循環(huán)次數(shù)）的電流，速度 N（每分鐘的轉(zhuǎn)速），由公式 N＝ 7200/定，而 發(fā) 電機(jī)的電極數(shù)，而且必須是偶數(shù)。脈動(dòng)式渦輪機(jī)和反動(dòng)式渦輪機(jī)之間最基本的區(qū)別是反動(dòng)式渦輪機(jī)完全被液體包圍，而脈動(dòng)式渦輪機(jī)則不是?？梢钥吹?， 輪機(jī)必須從壓力不變的射流獲得能量，因而能量?jī)H可以從流體的動(dòng)能中獲得。前池或渠首的水由一個(gè)稱(chēng)為引水管道的導(dǎo)管傳向渦輪機(jī)，而此時(shí)則需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)的噴管來(lái)提高射流速度井使可獲得的能量最大化。排水量由一個(gè)針型閥控制，而且一個(gè)旁通閥或射流變流裝置常用來(lái)保護(hù)這個(gè)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)內(nèi)流量急劇減少。如果針型閥必須迅速關(guān)掉的話(huà)，一個(gè)溢流水箱也可以作為替代品來(lái)減少水波壓力或水錘的影響 。由于尾流不可能再恢復(fù)流體的剩余能量，水流入放水渠或尾流水面以下的路徑對(duì) 輪機(jī)的性能不產(chǎn)生任何影響。 輪機(jī)通常是安裝在一個(gè)水平軸線(xiàn)上，并且直接和發(fā)電機(jī)相連接，經(jīng)常是兩個(gè)水輪機(jī)平衡地安裝在發(fā)電機(jī)的兩邊共同驅(qū)動(dòng)同一個(gè)轉(zhuǎn)軸。 雖然渦輪機(jī)偶爾用于驅(qū)動(dòng)一些小型機(jī)械，但他們大體上幾乎全部用于大型貴重設(shè)備的商用發(fā)電上。應(yīng)用于工業(yè)上的只有三種最基本的類(lèi)型。實(shí)際上，這三種類(lèi)型的渦輪機(jī)即可覆蓋所有的工業(yè)操作條件。另一方面，泵的種類(lèi)則很多，從每分鐘提供只有幾滴水的小型水泵到從幾百英尺遠(yuǎn)的壓頭每分鐘汲取 300 管是用它給生活用水加壓，還是汽車(chē)中的燃油泵、潤(rùn)滑油泵或冷卻油泵，還是用于家用電器如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)以及電冰箱，在我們的日常生活中，我們很少不用到泵，因此泵的類(lèi)型和型號(hào)很多。我們只關(guān)注其中最重要的一種。像渦輪機(jī)一樣，大多數(shù)的泵是渦輪機(jī)械，但與脈動(dòng)式渦輪機(jī)毫無(wú)相似之處。根據(jù)主要的流功方向，我們將泵分為三種，它們分別是：徑向式（離心式）、軸流式（推進(jìn)式）和混流式水泵。泵與渦輪機(jī)不同，泵的多種應(yīng)用尺寸以及類(lèi)型并沒(méi)有與之相應(yīng)的布置或典型安裝類(lèi)型。泵的人口或低壓側(cè)稱(chēng)為汲水口，而出口或高壓側(cè) 就稱(chēng)為出水口。如果將液體從低于泵所在的位置抽出，則多數(shù)類(lèi)型的泵都要求事先將泵裝滿(mǎn)液體．使得泵可以開(kāi)始汲取液體，從而有效地連續(xù)抽取液體。這也要求汲取側(cè)上的垂直高度差足夠小，泵附近的壓力不低于蒸氣壓，使得提升液體成為可能。更進(jìn)一步需要注意的是，必須確保泵在流動(dòng)時(shí)的低壓小會(huì)導(dǎo)致氣穴產(chǎn)生。雖然渦輪機(jī)幾乎全部用于水，但泵卻幾乎用于各種類(lèi)型的液體，甚至包括固液混合物。氣體的抽運(yùn)或者用鼓風(fēng)機(jī)，或者用壓縮機(jī)。離心式、軸流式和混流式泵的基本工作原理與反動(dòng)式渦輪機(jī)的原理相反．即泵由馬達(dá)或其他機(jī)械來(lái)驅(qū)動(dòng)，并在流體上加上一個(gè)扭矩， 當(dāng)流體流過(guò)時(shí)就增加了流體的角動(dòng)量，然后泵的位置抵消了增加的角動(dòng)量，使得能量增加。 對(duì)于一個(gè)典型的徑向式或離心式泵，水流在軸向處進(jìn)入而且由于推進(jìn)器的作用被迫沿徑向甩出，在槳片的兩面可以有盤(pán)形槽或覆蓋物用來(lái)提高效率，或者槳片是開(kāi)放式的，這樣雖然降低了效率，但使推進(jìn)器變得不易堵塞。不管有沒(méi)有靜擴(kuò)散或引導(dǎo)波，泵通常都有一個(gè)螺旋形腔。如果從推進(jìn)器的兩側(cè)都有流體進(jìn)入，泵就成為雙汲液推進(jìn)器。 he is be in in of of in t is to be of as a of of is an in of a so of is of in to it as to or an is in e of is a In we a is ll of r of so r( t) is a we is a we to is a on of or a of of to in is to to so we do of a of at in by is in of of of of ê , of of ê of is is in a of of a of e of or or by to is an in of us of of to we of is of of be of of go we is of of of no to In t is to is a if to he or in of of as be by is of to of of in of is a of of it a of to or of of of to to to in as a a in to be by of to to so a is to to be to is of as a a in of in to in of of is to so is of of of to 0 of of of of ( of = 200/ np np is of be of is a to to be by is as a is of in of or t be by a is to at to be a to to to a a or in to of to an be to of or of is to of in to on t or of to 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