流體力學(xué)外文翻譯

1、<p><b>　　英 文 翻 譯</b></p><p>　　2015 年 03 月 15 日</p><p><b>　　翻譯說(shuō)明</b></p><p>　　1.翻譯材料：2011 ASHRAE Handbook--HVAC Application</p><p>　　

2、2.翻譯內(nèi)容：CHAPTER 2 FLUID FLOW 部分內(nèi)容</p><p><b>　　第二章</b></p><p><b>　　流體流動(dòng)</b></p><p>　　流體特性……………………………………………………………………….2.1</p><p>　　流體動(dòng)力學(xué)的基本關(guān)系………………

3、…………………………………..2.2</p><p>　　流動(dòng)基本過(guò)程………………………………………………………………..2.3</p><p>　　流動(dòng)分析……………………………………………………………………...2.6</p><p>　　流體流動(dòng)噪聲………………………………………………………………..2.14</p><p>　　流體流

4、動(dòng)在采暖，通風(fēng)，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)（HVAC）中能夠傳遞熱量，質(zhì)量和動(dòng)量。這一章主要介紹流體流動(dòng)在HVAC進(jìn)程中的基本機(jī)理，回顧相關(guān)的流動(dòng)過(guò)程，同時(shí)討論單相流體流動(dòng)的分析。</p><p><b>　　流動(dòng)特性</b></p><p>　　固體和液體在剪切應(yīng)力作用下的表現(xiàn)不同：固體會(huì)在該作用力下有一個(gè)有限制的變形，然而液體會(huì)持續(xù)變形直到移除該作用力。液體和氣體都是流體，雖然

5、流動(dòng)時(shí)他們的分子作用力在壓縮性和組成方面有很大不同?？偟膩?lái)說(shuō)，液體被認(rèn)為是不可壓縮流體。氣體在不可壓縮和可壓縮之間。液體在表面有不平衡的粘滯力，所以液體表面有聚合的趨勢(shì)，它的特性就像是拉伸的薄膜。因此，一個(gè)液體表面是有張力作用的。</p><p>　　流體流動(dòng)可以用幾個(gè)簡(jiǎn)單的模型的描述。最簡(jiǎn)單的一個(gè)模型是理想流體流體模型，它假設(shè)流體不用抵抗剪切力。理想的流體流體流動(dòng)分析已經(jīng)得到較好發(fā)展（比如 schlichtin

6、g 1979）， 該理論具有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　粘滯力是流體抵抗剪切力的量度，粘滯力因牛頓流體和分牛頓流體的不同而不同。在牛頓流體中，變形程度與切應(yīng)力大小呈正相關(guān)，在HVAC工程中的流體（比如水，空氣大多數(shù)制冷劑）大多數(shù)能夠看作牛頓流體。在非牛頓流體中，變形程度和切應(yīng)力大小呈復(fù)雜的關(guān)系。</p><p><b>　　密度</b></p>&

7、lt;p>　　流體的密度是指每單位容量流體的質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)狀況下（溫度20度，密度101.325KP）空氣和水的密度是</p><p><b>　　粘度</b></p><p>　　粘度是流體用來(lái)抵抗相鄰流體的剪切應(yīng)力。一個(gè)經(jīng)典的關(guān)于切應(yīng)力的圖在圖1中展現(xiàn)，流體在兩個(gè)平行平板間，區(qū)域A被距離Y所分離。最下面的平板固定，最上面的平板移動(dòng)，對(duì)流體產(chǎn)生剪切力。對(duì)于牛

8、頓流體來(lái)說(shuō)，每單位面積的力F正比于速度V和速度垂直方向Y的比值。</p><p>　　這里的系數(shù)μ是指流體的動(dòng)態(tài)粘度。 F和A的比值是指剪切應(yīng)力τ，V/Y是指速度變化梯度。在復(fù)雜變化流體中，速度和切應(yīng)力會(huì)隨流暢的不同而不同。用式表達(dá)為：</p><p>　　速度梯度關(guān)系到X方向的速度V和垂直于速度V方向的距離Y，此關(guān)系在圖表B中表示</p><p>　　絕對(duì)粘度μ主

9、要是受溫度的影響。對(duì)于氣體(除了在臨界點(diǎn)附近), 氣體動(dòng)能理論可以預(yù)測(cè)到粘度會(huì)隨著絕對(duì)溫度的平方根而增加。相反,液體粘度會(huì)隨著溫度的增加而減小。各種流體的絕對(duì)粘度在第39章中給出。</p><p>　　絕對(duì)粘度的單位是N.S/m2。在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，水和干空氣的絕對(duì)粘度分別是：</p><p>　　粘度的另一個(gè)統(tǒng)一單位是厘泊。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，水有接近于1厘泊的粘度。</p>&

10、lt;p>　　在動(dòng)態(tài)流體中運(yùn)動(dòng)粘度有的時(shí)候可以替代絕對(duì)粘度或動(dòng)力粘度。動(dòng)力粘度是運(yùn)動(dòng)粘度和密度的比值：</p><p>　　在室內(nèi)標(biāo)況下水和干空氣的運(yùn)動(dòng)粘度分別是：</p><p>　　流體動(dòng)力學(xué)的基本關(guān)系</p><p>　　這一節(jié)會(huì)討論恒流流體的基本原則，性質(zhì)相同，不可壓縮的流體和介紹在大多數(shù)分析中流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用。</p><p>

11、;　　在水管和風(fēng)管中的連續(xù)性</p><p>　　質(zhì)量守恒在管路流動(dòng)流體中的應(yīng)用要求質(zhì)量不能憑空產(chǎn)生也不能憑空消失。確切的說(shuō)，在沒(méi)有質(zhì)量增加和損失的前提下，進(jìn)入管道質(zhì)量速率和離開(kāi)管道的質(zhì)量(比如泄漏)速率應(yīng)該相等?？梢员磉_(dá)為：</p><p>　　這里的m是指在正常流動(dòng)下質(zhì)量流動(dòng)的速率，V是指在微分dA的區(qū)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)流速，ρ是指流體密度。密度和速度在管路的管路的不同部位有不同的值。在分析風(fēng)

12、管或水管中的不可壓縮流體時(shí)，平均流速可以表達(dá)為V = (1/A)∫ v dA,質(zhì)量流動(dòng)速率可以寫(xiě)為m = ρVA，或者Q = m ? ρ = AV</p><p><b>　　Q是指容積流速。</b></p><p>　　伯努力方程和流向方向的氣壓變化</p><p>　　伯努力方程是分析流體流動(dòng)的基本準(zhǔn)則。它涉及到在流線方向上動(dòng)量和能量的守恒

13、。但在流線方向上不是普遍適用。理論發(fā)展是逐漸進(jìn)步的，第一個(gè)熱力學(xué)定律可以在機(jī)械流動(dòng)能量和熱力學(xué)能量中得到應(yīng)用。</p><p>　　流體流動(dòng)中每單位質(zhì)量能量的變化量ΔE是由每單位機(jī)械工w和每單位得失熱量q決定的：</p><p>　　流體能量是由動(dòng)能，勢(shì)能和位能決定的。 對(duì)于每一單位質(zhì)量的流體，兩不同截面能量的變化量為</p><p>　　此式的適用條件是（1）Em

14、表示流體從外界獲得的機(jī)械能（可由水泵或鼓風(fēng)機(jī)提供）（2）流動(dòng)功為p/ρ（p代表壓力）g是重力加速度常量</p><p>　　再次整理，能量等式也可以寫(xiě)為通用伯努力方程</p><p>　　在等式8中，括號(hào)之內(nèi)的內(nèi)容是每質(zhì)量流量?jī)?nèi)流體的動(dòng)能，勢(shì)能，內(nèi)能和流體做功。在沒(méi)有相互作用功，沒(méi)有熱傳遞，沒(méi)有粘性摩擦力使機(jī)械工轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的情況下，這個(gè)表達(dá)式是恒定的，可以把恒定常量看為伯努力常量B:<

15、;/p><p>　　伯努力的其他表達(dá)式可以通過(guò)乘以密度和除以重力加速度得到：</p><p>　　這里的γ = ρg 是指容重。假設(shè)等式（9）和等式（11）中沒(méi)有摩擦損耗。</p><p>　　表達(dá)式（9）中的第一部分是指每質(zhì)量流量流體的能量，表達(dá)式（10）中是指每容積流量的能量，表達(dá)式(11)，每單位質(zhì)量所具有的能量稱為頭。在氣體流動(dòng)分析中，等式(10)經(jīng)常會(huì)用到，ρ

16、gz可以忽略。當(dāng)密度變化時(shí)，等式(10)可以被用到。對(duì)于液態(tài)流體，等式(11)會(huì)經(jīng)常用到。如果單位是連續(xù)的，流動(dòng)性質(zhì)也是同性的，三種形式的方程得到的結(jié)果一樣。</p><p>　　許多系統(tǒng)如風(fēng)管，水管，水泵，揚(yáng)風(fēng)機(jī)可以看為在流線內(nèi)的一元流動(dòng)（風(fēng)管和水管內(nèi)的流速不同可以忽略，局部速度就是平均速度）當(dāng)橫截面上的速度發(fā)生很大變化時(shí)，動(dòng)能的伯努力常數(shù)可以表達(dá)為αV 2/2， 這里的動(dòng)能系數(shù)（α > 1）反映

17、了實(shí)際動(dòng)能和平均動(dòng)能的比值。對(duì)于層流寬矩形的通道，α=1.54，在管內(nèi)流體α=2.0.對(duì)于風(fēng)道內(nèi)的混流，α ≈ 1</p><p>　　熱量傳遞q通常被忽略。機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的能量Δu可以被表示為能量損失EL，沿管路位置1和2伯努力常數(shù)(ΔB = B2 – B1)的變化量可以表示為</p><p>　　或者等式兩邊同時(shí)除以g得到如下形式</p><p>　　值得注意

18、的是等式（12）的能量單位是每單位質(zhì)量，而等式（13）的能量單位是每單位重量或沒(méi)單位頭。術(shù)語(yǔ)Em和El被定義為正，GHm=Em表示通過(guò)水泵或鼓風(fēng)機(jī)加到管路中的能量。一個(gè)汽輪機(jī)或液壓馬達(dá)具有負(fù)的Hm或Em。術(shù)語(yǔ)Em和Hm（=Em/g）被定義為正的，代表通過(guò)水泵或鼓風(fēng)機(jī)加入流體中的能量。等式（13）的簡(jiǎn)化應(yīng)注意到，位置1的總水頭（壓力水頭加速度水頭加上位置水頭）加上通過(guò)泵給的水頭（Hm）減去摩擦損失的水頭（Hl）是位置2的水頭。</p

19、><p><b>　　層流</b></p><p>　　當(dāng)考慮到實(shí)際流體的粘度和紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，等式（5）的連續(xù)性關(guān)系沒(méi)有改變，但是V必須從速度分布的積分中計(jì)算出來(lái)，用到局部速度。在流體流過(guò)固定的邊界時(shí)，速度在邊界處為0，存在速度梯度，產(chǎn)生剪切應(yīng)力，運(yùn)動(dòng)方程會(huì)變得復(fù)雜，精確的解決方案會(huì)很難發(fā)現(xiàn)，除非是平板間層流，旋轉(zhuǎn)滾筒，或管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。</p><p&g

20、t;　　對(duì)于兩平行平板間穩(wěn)定，充分發(fā)展的層流運(yùn)動(dòng)，剪切力τ與距離中心線距離y的線性變化有關(guān)（橫向流動(dòng); Y = 0的通道的中心），對(duì)于一個(gè)寬矩形寬為2b的通道，τ可以被寫(xiě)為</p><p>　　這里τw為壁面的剪切應(yīng)力[b(dp/ds)]，s是流動(dòng)方向。</p><p>　　因?yàn)樵诒诿娉鏊俣葹?（y=b），等式（14）可以被綜合寫(xiě)為</p><p>　　在寬矩形通道

21、內(nèi)得到的拋物線形速度輪廓曲線通常叫做Poiseuille流體。最大的速度發(fā)生在中心處（y=0），平均速度v是最大速度的2/3。在這里，由于V造成的縱向壓降可以寫(xiě)為</p><p>　　拋物線型的速度分布也可以看為半徑為R的管路的速度分布，平均v是最大速度的1/2，壓力降可以寫(xiě)為</p><p><b>　　紊流</b></p><p>　　液體

22、的流動(dòng)大多數(shù)情況下是紊流，涉及隨機(jī)擾動(dòng)和流動(dòng)的波動(dòng)（包括速度和壓力）因大小和頻率的分層，具有不同的特征（Robertson 1963）流動(dòng)擾動(dòng)不是混亂的，它具有一定周期性（比如實(shí)體后面的震蕩渦旋軌跡）紊流流動(dòng)流動(dòng)只涉及隨機(jī)擾動(dòng)，不涉及任何規(guī)律或周期；流體流動(dòng)的速度隨時(shí)間和位置的不同而不同(圖表3)</p><p>　　紊流運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)量化。通常用到的速度是一定時(shí)間內(nèi)的平均速度。紊流強(qiáng)度的大小通常通過(guò)瞬時(shí)速度

23、變化的平方根（RMS）來(lái)表示。紊流導(dǎo)致流體在流動(dòng)過(guò)程中非常迅速的傳遞動(dòng)量，熱量和質(zhì)量。</p><p>　　層流和紊流可以使用雷諾數(shù)來(lái)區(qū)分（Re），是慣性力和黏性力比值的一個(gè)無(wú)量綱的常量：</p><p>　　其中L是指特征長(zhǎng)度，ν是指特征長(zhǎng)度。在流體流過(guò)水管或風(fēng)管時(shí)，特征長(zhǎng)度是指水力半徑Dh，可以表示為：</p><p>　　其中A是指管，水管或風(fēng)管的橫截面積，P

24、w是指濕周。對(duì)于圓管，Dh等于管道直徑。一般情況下，在水管或風(fēng)管中的層流運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)（基于水力半徑）小于2300，完全紊流的雷諾數(shù)大于10000，對(duì)于雷諾數(shù)大于2300，小于10000的情況，過(guò)渡流存在，對(duì)它的預(yù)測(cè)會(huì)不準(zhǔn)確。</p><p><b>　　流動(dòng)的基本過(guò)程</b></p><p><b>　　壁面摩擦</b></p>&l

25、t;p>　　在實(shí)際流體流動(dòng)的邊界，在流體表面相對(duì)切向速度為0，有時(shí)在紊流運(yùn)動(dòng)中，壁面處的速度可能會(huì)出現(xiàn)有限不為零的情況。這意味著流體在墻面處分離。然而實(shí)際情況并非如此，壁面處速度的難以測(cè)定是問(wèn)題的焦點(diǎn)（goldstein 1938）壁面處速度為零會(huì)導(dǎo)致較大的剪切應(yīng)力，同時(shí)減慢相鄰界面流體的速度。因此在有限的橫向距離內(nèi)，速度會(huì)從壁面處的零速度逐漸增加。</p><p>　　層流和紊流的速度輪廓具有顯著差異，紊

26、流的速度輪廓是扁平的而層流的速度輪廓比較尖（圖標(biāo)4）如前所述，紊流運(yùn)動(dòng)在壁面處速度變化為零的速率比層流的速度變化率更快，所以剪切應(yīng)力和摩擦力在層流中會(huì)更大。充分發(fā)展的管流可以表征為管道因子，是指平均速度和最大速度（中心線處）的比值。粘度速度輪廓來(lái)自于管道因子數(shù)在0.667和0.5之間的寬矩形或?qū)ΨQ圓形管道。圖表5顯示了管道因子對(duì)于寬矩形或圓形管道的重要價(jià)值。因?yàn)槭瞧骄彽乃俣容喞诘仁?2和等式13中運(yùn)動(dòng)能量常數(shù)在充分發(fā)展的紊流管道中介

27、于1.01和1.10之間。</p><p><b>　　邊界層</b></p><p>　　邊界層是靠近墻表面，有摩擦力對(duì)流體影響的區(qū)域。邊界層的厚度（通常寫(xiě)作δ）比下游流動(dòng)的距離小。對(duì)于實(shí)體外的流體，速度在壁面處為零逐漸變化為距離為δ的最大速度。在初始狀況下，邊界層都是層流，在下游可能會(huì)成為紊流。</p><p>　　邊界層顯著存在于圓形管道

28、的入口處（圖表6）流層從壁面處逐漸發(fā)展到管道的中心。在直管流的初始階段，流層非常薄并且大部分是層流，所以外界統(tǒng)一的核心速度只是比平均速度高一些，當(dāng)流層的厚度逐漸變厚時(shí)，為保持連續(xù)性，位于壁面處較慢速度的流體需要提升速度從而和核心速度保持一致。當(dāng)流動(dòng)進(jìn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)距入口處的距離Le，壁面處的層流逐漸加入（中心速度也在增加）在中心流處應(yīng)用伯努力方程式（10）表明沿流層的的壓力增加。Ross（1956）指出雖然長(zhǎng)度Le是直徑的好幾倍，在10水力

29、半徑的光滑管路的紊流，壓力降的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)充分發(fā)展流體的長(zhǎng)度。</p><p>　　在更為普遍的邊界層中，正如在擴(kuò)散器內(nèi)或支柱，彎管葉片的表面的壁面發(fā)展，壓力梯度對(duì)流體影響很大，并可能導(dǎo)致邊界層分離，當(dāng)外流動(dòng)流體速度在流動(dòng)方向減小時(shí)（圖表7）會(huì)產(chǎn)生逆向的壓力梯度從而引起流層分離。下游分離點(diǎn)之后的流體會(huì)在壁面處產(chǎn)生回流。速度是由壁面處摩擦速度（局部動(dòng)能）的減小產(chǎn)生的。壁面處的流體不再有能量足以進(jìn)入由邊界層速度降低產(chǎn)

30、生的高壓區(qū)。局部的分離難以預(yù)測(cè)。特別是紊流的邊界層。實(shí)驗(yàn)觀察證實(shí)紊流邊界層因具有更大的動(dòng)能從而比層流更難以分離。</p><p><b>　　流動(dòng)模型和分離</b></p><p>　　在技術(shù)應(yīng)用中，如果避免流體分離的代價(jià)過(guò)于高昂，分離通常是可以被接受并認(rèn)為是普遍的。流體分離可能是幾何態(tài)的或動(dòng)態(tài)的。動(dòng)態(tài)分離表示在圖表7中，幾何分離在圖表8和9中，出現(xiàn)在流動(dòng)流體經(jīng)過(guò)尖銳

31、角落或孔口時(shí)，流體在流出多少與速度在摩擦力作用下減小的多少無(wú)關(guān)。</p><p>　　孔口流的幾何分離（圖表8），外流線在尖角處分離，因?yàn)榱黧w的慣性，比孔口截面要小。流到斷面最小處稱為流頸，其面積約為孔口開(kāi)口處的十分之六。在緊縮流之后，在通過(guò)層流或紊流對(duì)流體一邊的相互作用后，流體膨脹。在射流區(qū)外，流體的相對(duì)速度很小。紊流幫助射流擴(kuò)散，擴(kuò)大損失，并使速度分布回到較均勻的分布。最后，在下游，速度分布回到充分發(fā)展的特征

32、圖4。出入口的速度分布可以深遠(yuǎn)影響緊縮流和壓降（coleman 2004）</p><p>　　其它幾何分離（圖表9）發(fā)生在管道的急速變化入口處，斜板，阻尼器或突然擴(kuò)張?zhí)?。?duì)于這些幾何形狀，緊縮流可以被識(shí)別。對(duì)于突發(fā)的膨脹和上游的收縮，流體上游的區(qū)域會(huì)收縮。理想流體理論，通過(guò)采用自由流線，提供觀察和預(yù)測(cè)閥門(mén)，噴嘴和葉片的收縮系數(shù)（Robertson 1965），這些幾何分離會(huì)產(chǎn)生大量的能量損失。為了擴(kuò)大流體效率或

33、者使進(jìn)口處有最小的能量損失，設(shè)計(jì)裝置具有漸進(jìn)輪廓，擴(kuò)散狀，和圓形入口。</p><p>　　具有漸進(jìn)輪廓線的流體裝置對(duì)流體分離的影響難以預(yù)測(cè)，因?yàn)樗婕暗皆谀嫦驂毫μ荻认逻吔鐚拥膭?dòng)態(tài)增長(zhǎng)而不是立體流過(guò)急速變化的角。使用擴(kuò)散板來(lái)減少擴(kuò)散損失，這很可能在平緩角的一定距離內(nèi)擴(kuò)大流體，特別是在邊界層是紊流的情況。最后，分離可能會(huì)產(chǎn)生（圖表10），通常是不對(duì)稱的，因?yàn)榱黧w具有不規(guī)則性。下游流體設(shè)計(jì)流動(dòng)逆轉(zhuǎn)（回流）和超額損失

34、，這種分離通常被稱為失速（kline 1959）大的擴(kuò)張可以通過(guò)使用分離器使流體變?yōu)楦〉慕孛?，從而更難以被分離（Moore and Kline 1958）另一個(gè)控制分離的技術(shù)是避免釋放低流速流體（Furuya et al. 1976）另外，Hekested(1970) 表示在拐角處突然膨脹造成的流體吸入對(duì)于幾何分力有較強(qiáng)且積極的影響。</p><p>　　對(duì)實(shí)體本身或標(biāo)記物阻力</p><

35、p>　　實(shí)體在流體流動(dòng)過(guò)程中受到顯著的流體力或阻力的影響。通常來(lái)說(shuō)，阻力FD在實(shí)體上的力可以表達(dá)為阻力系數(shù)CD:</p><p>　　其中A是指實(shí)體（標(biāo)準(zhǔn)流）的投影區(qū)域。阻力系數(shù)與實(shí)體的外形，角度，特征尺寸和雷諾數(shù)有關(guān)。</p><p>　　對(duì)于在1000和100000之間的雷諾數(shù)，大多數(shù)實(shí)體的CD是常數(shù)，因?yàn)榱鲃?dòng)分離，但是對(duì)于雷諾數(shù)大于100000的情況，圓形實(shí)體的CD會(huì)迅速降低就