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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、水渠中的流體流動對于土木工程師來說是很重要的對像水泵、壓縮機(jī)、換熱器、噴管和火箭發(fā)動機(jī)等流體機(jī)械的研究，使得流體力學(xué)對于機(jī)械工程師來說也很重要。氣流繞過一個物體的空氣動力學(xué)現(xiàn)象是設(shè)計飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的航空航天工程師們感興趣的基本問題因為大氣和海洋都是流體，所以對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。例如把流體力學(xué)和電磁學(xué)理論結(jié)合在一起研究稱之為電磁流體動力學(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)象中電磁流體動力學(xué)是不可或缺的 我們可以看到，對于現(xiàn)代的工程師和科學(xué)家來說熟悉流體力學(xué)是十分必要的。顯而易見，流體力學(xué)及其應(yīng)用是一門有著廣泛專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)科 們經(jīng)常問這樣一個問題：微團(tuán)關(guān)于時間的位置函數(shù)是什么？通過這一條件其他所有的問題，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)是一個非常重要的參數(shù)。 然而 們所關(guān)注的是一個連續(xù)流實際上 問的問題是：在空間某點（相對于任意一個固定坐標(biāo)系）處，該點的速度、加速度和熱力學(xué)性質(zhì)關(guān)于時間的函數(shù)是什么？隨著時間的推移，該點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流體微團(tuán)的運動但卻研究空間某點隨時問的變化情況，而不管在任一特定時間恰好是什么流體通過這種描述流體的方法叫歐拉法，與之相對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)中一個微團(tuán)的運動 . 前面提到了一個詞：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，或者更精確地說是平均自由行程很小 空氣動力學(xué)研究中，機(jī)翼厚度比繞過機(jī)翼的氣流的平均自由行程要大許多個量級。因此我們假設(shè)所有的（積分的）極限過程都有意義，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，這是因為微團(tuán)的尺寸很小，從微觀的角度看，這對我們的研究沒有任何影響 . 在不可壓流中，能量方程并不是必要的，因為密度是已知的。為了完整地描述流體流動，只需要求解 壓力和速度。此時溫度是分離的，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。第一類流體機(jī)械統(tǒng)稱為水泵，而第二類流體機(jī)械由渦輪機(jī)組成。雖然也涉及了其他的的機(jī)械，但重點是渦輪機(jī)械，即那些以轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動來傳遞能量的水泵和渦輪機(jī)。常用的有三種類型的渦輪機(jī)，它們分別是： 輪機(jī)和兩種反動式渦輪機(jī)— 輪機(jī)和推進(jìn)式渦輪機(jī)。 輪機(jī)是一種脈動式的渦輪機(jī)，它包括一圈分開的環(huán)形葉片， 分開葉片的改進(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)的多個射流）方向與給定葉片的方向相反，而且打在分開的葉片上反彈回來再流向每一側(cè)，因而將沖擊力傳給葉片。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動時，每個后繼的葉片與射流成一條直線。 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)計使得水流沿徑向流過渦輪葉片，流體失去了角動量，因此給葉片加上了一個轉(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。第二類反動式渦輪機(jī)，稱為推進(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量，因而也在推進(jìn)槳葉上產(chǎn)生了一個轉(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)生電流的頻率來決定的。對于 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)。脈動式渦輪機(jī)和反動式渦輪機(jī)之間最基本的區(qū)別是反動式渦輪機(jī)完全被液體包圍，而脈動式渦輪機(jī)則不是。可以看到， 輪機(jī)必須從壓力不變的射流獲得能量，因而能量僅可以從流體的動能中獲得。前池或渠首的水由一個稱為引水管道的導(dǎo)管傳向渦輪機(jī)，而此時則需要一個精心設(shè)計的噴管來提高射流速度井使可獲得的能量最大化。排水量由一個針型閥控制，而且一個旁通閥或射流變流裝置常用來保護(hù)這個系統(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，一個溢流水箱也可以作為替代品來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 輪機(jī)的性能不產(chǎn)生任何影響。 輪機(jī)通常是安裝在一個水平軸線上，并且直接和發(fā)電機(jī)相連接，經(jīng)常是兩個水輪機(jī)平衡地安裝在發(fā)電機(jī)的兩邊共同驅(qū)動同一個轉(zhuǎn)軸。 雖然渦輪機(jī)偶爾用于驅(qū)動一些小型機(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型。實際上，這三種類型的渦輪機(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，還是汽車中的燃油泵、潤滑油泵或冷卻油泵，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，因此泵的類型和型號很多。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，但與脈動式渦輪機(jī)毫無相似之處。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)用尺寸以及類型并沒有與之相應(yīng)的布置或典型安裝類型。泵的人口或低壓側(cè)稱為汲水口，而出口或高壓側(cè) 就稱為出水口。如果將液體從低于泵所在的位置抽出，則多數(shù)類型的泵都要求事先將泵裝滿液體．使得泵可以開始汲取液體，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，必須確保泵在流動時的低壓小會導(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型的液體，甚至包括固液混合物。氣體的抽運或者用鼓風(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式渦輪機(jī)的原理相反．即泵由馬達(dá)或其他機(jī)械來驅(qū)動，并在流體上加上一個扭矩， 當(dāng)流體流過時就增加了流體的角動量，然后泵的位置抵消了增加的角動量，使得能量增加。 對于一個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形槽或覆蓋物用來提高效率，或者槳片是開放式的，這樣雖然降低了效率，但使推進(jìn)器變得不易堵塞。不管有沒有靜擴(kuò)散或引導(dǎo)波，泵通常都有一個螺旋形腔。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 on of is to in a is in in of of 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