流体力学科普：流动损失.docx
流体力学科普：流动损失目录导读11 .所谓流动损失12 .流动损失的原理33 .摩擦损失64 .掺混损失95 .激波损失136 .管路损失177 .总结21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。1 .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。从高处落下的小球在地面上弹跳数次后静止。球每和地面接触一次都损失一些机械能，在空中运动时和空气的摩擦也会损失机械能，最终静止时,球的机械能全部转化成了热能，球、地面和空气的温度都有所上升。这个现象是不可能反着发生的，这也就是时间上不可逆。在封闭的房间内开电风扇，电能转化成了机械能，而吹出的气流终究会静止下来，对应着机械能都转化成了热能。如果房间和外部没有换热，那么房间内空气的温度会有所上升。2 .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，即机械能转化成的内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。变形会产生温度变化平动的流体微团机械能守恒，不会向内能转化。流体微团被压缩对应着减速升温，部分机械能转化为内能。这个过程也可以反过来发生，即加速降温，所以压缩并不产生流动损失。流体微团的角变形也对应着减速升温,并且这个变形反过来发生时仍然是减速升温，所以这对应着流动损失。角变形就对应着流体微团之间有摩擦作用。平行错开的变形会产生和运动方向相同的摩擦。单方向的伸缩会产生与运动方向成一定角度的摩擦。流动中的角变形贴壁面流动的流体角变形很大，所以损失大。气体以亚声速流经收缩通道时会加速并且膨胀，膨胀使部分内能转化成了机械能，从而温度降低。当气体再原路返回时，并不能完全恢复到初始状态,处的气体温度会比处高一点。这是由于整个过程中气体之间有摩擦，存在流动损失。3 .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。固体之间摩擦，会产生机械能损失。挨者固体的这一口流体会一直粘右固体表面上，和固体三'（间汉彳相对滑动，相互U擦巴发与左流体和流体之间。这是一个计算机显卡的散热器，通过对流换热的方式实现冷却。散热片的作用就是增加暴露在气流中的高温壁面面积，以增加换热量。但这同时也增大了流动中的摩擦损失。换热与流动的这种矛盾普遍存在于各种换热器中。管道中的摩擦损失称为沿程损失，是长距离输送流体时必须考虑的问题。减小沿程损失最重要的就是管道不能太细,在流量相同的条件下，对于层流，管道直径变为原来的一半，沿程损失将增加到原来的16倍；对于湍流，沿程损失的增加量迁要更大。相同横截面积的管道，圆管的流动损失最小.4 .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。阀门的工作原理就是依靠超级大的掺混损失实现的,开度越小掺混损失越大，能通过的流量也就越小。流动损失大小直接决定了压气机的压缩效率，优秀的设计是在摩擦损失和掺混损失之间的平衡，使总的流动损失最小。叶片数少，虽然摩擦损失小，但发生了分离，掺混损失大。叶片数适中,摩擦损失和掺混损失的总和最小。叶片数多，摩擦损失大，总的损失也大。5 .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。气体在受到缓慢的压缩时，只要不与外界交换热量，就表现出完全弹性体的特征，过程完全可以反过来发生。超声速气流通过收缩管道连续减速时，中心线上的气流基本不受黏性作用，没有流动损失，但如果减速过程经过了激波，就会有损失了。气流以两倍声速四倍声速30%通过激波会损失CU.85%的机械能!内部一道激波,损失大。内部四道激波,损失小。超声速飞机的进气道负责把超声速来流减速为亚声速并提供给发动机，进气道内部理论上可以设计成没有激波的减速方式，但实际上很难做到。一般采用多道斜激波代替一道正激波的方式来减小损失。美国的D-21无人机是唯一已知的采用无激波进气道设计的飞机，实际效果如何不太清楚.6 .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（Friction1osses）和局部损失（MinOrk）SSeS）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MinOrIoSSeS名字取得不太好，因为这部分损失可能一点都不Minor0层流湍流在管道流动中，流体的机械能损失体现为压力的降低，湍流的沿程损失要远大于层流，管道内壁面的粗糙度也对沿程损失有较大的影响。粗管道过渡到细管道时，采用突然收缩的方式会发生流动分离，出现较大的流动损失，采用曲线收缩可以消除分离,明显地减小此处的局部损失。细管道过渡到粗管道时，突然扩张固然会发生分离，曲面扩张也可能无济于事。使用很长的管道缓慢扩张能消除分离，但又增大了沿程损失，因此细管到粗管没有粗管到细管那么好处理。直角转弯会产生很大的流动损失，增大弯角半径可以减小损失。如果实际条件只允许直角转弯，也可以在拐角处加装叶片，这样也可以减小损失。从大气中吸气的管道在进口处会有分离，把管口做成收缩的喇叭形有助于减小流动损失。外NU见升Z1贝7 .总结和流动阻力对应，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。
