研究得最早可能也最多的是管道流动中的损失。
导读
流动损失的全称应该叫流动中的机械能损失,是流动中机械能不可逆地转化为热能的现象。与固体运动中的机械能损失类似,流动损失也来源于摩擦作用,只不过这种摩擦作用不止发生在边界上,而是几乎发生在流体内部的所有地方。减小流动损失,就是要减小流体内部的摩擦作用,也就是减小流体内部各处不必要的加减速和掺混。
01. 所谓流动损失
可能很多人在中学时才第一次接触到能量损失这个概念,两个小球的弹性碰撞没有动能损失,塑性碰撞就有动能损失。这里所说的损失,并不是说能量消失了,而是能量从好用的能量变成了不好用的能量。
能量可以分为机械能、热能、电能、化学能、核能等,这其中最不好用的就是热能。本书讲的是流体力学,所以只讨论机械能和热能(即流体的内能)的相关问题。
让机械能转化成热能很简单,而让热能转化成机械能却很困难,因此我们说,机械能是高品位的能量,热能是低品位的能量。有些情况下,机械能转化成了热能就没办法再转化回来了,这时就说机械能损失了。
例如,小球在地面上弹跳并最终静止,小球变热,但静止的小球是不可能通过降温重新弹跳起来的。流体在流动中会与壁面产生摩擦,流体之间也有摩擦,相应地就会产生机械能损失,称为流动损失。
02. 流动损失的原理
流体微团在移动过程中只要发生了变形,就会产生机械能与内能之间的转化。变形分为两种:一种是体积变形;另一种是角变形。纯粹的压缩和膨胀这类体积变形是可逆的,即机械能转化成的內能还可以转化回机械能。而角变形则不同,流体发生角变形的过程是机械能单向地转化为内能,这个过程是不可逆的,或者说产生了流动损失。
因此,流动损失产生于含有角变形的流动中。
03. 摩擦损失
摩擦损失特指流体和固体之间摩擦引起的损失,这个概念是从固体之间的摩擦来的。然而,流体在和固体接触的边界上存在着无滑移条件,即流体和固体之间并没有相对运动,因此流体中的摩擦损失都是流体之间的摩擦产生的。
04. 掺混损失
掺混损失特指发生在远离壁面的流体之间的摩擦引起的损失。例如,分离区、尾迹、射流等流动都会产生掺混损失。
在绝大多数流动中,流体在壁面附近的角变形是最严重的。因此,对某一团流体来说,摩擦引起的损失通常大于掺混引起的损失。然而,多数流体并不流经壁面附近,只有少量流体有摩擦损失。当流动有分离时,就会有大量流体被卷入其中产生掺混损失。所以,从总效果上看,很多流体机械的掺混损失都比摩擦损失大。
05. 激波损失
气体经过激波时,在很短的距离内(与分子自由程相当)被突然压缩,过程不符合流体力学定律,而应该用基础物理学解释,这超出了一般流体力学知识的范围。如果仍然把气体当作连续的流体来考虑,可以这样理解激波损失:如果说没有损失的压缩对应完全弹性变形,则激波压缩含有塑性变形,一部分机械能不可逆地变成了内能,这就是激波损失。
06. 管路损失
管道的流动损失是工程上最常遇到的流动问题之一。通常把管道的流动损失分为沿程损失(Friction Losses)和局部损失(Minor losses)两类。从沿程损失英文名字上可以看出它就是摩擦损失,而局部损失则主要是局部的掺混损失。但英文的Minor losses名字取得不太好,因为这部分损失可能一点都不Minor。
和流动阻力对应,流动损失也是流体工程师们日常需要处理的问题。对于各种管路、泵与风机、各类热机、空调、给排水、暖气、通风等设备,都需要优化设计以减小流动损失。而对于阀门等部件,则需要的是损失恰好满足需求的设计。
流动损失一般不容易用简单的理论分析得出定量结果,多数情况都需要用数值模拟或者实验。目前的数值模拟对于流动损失的计算还不是很有把握,实验测量仍然是重要的一环,工程上存在着很多用于损失估算的经验公式,基本都是根据实验数据总结出来的。
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