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</b></p><p>　　流體特性……………………………………………………………………….2.1</p><p>　　流體動力學(xué)的基本關(guān)系………………

3、…………………………………..2.2</p><p>　　流動基本過程………………………………………………………………..2.3</p><p>　　流動分析……………………………………………………………………...2.6</p><p>　　流體流動噪聲………………………………………………………………..2.14</p><p>　　流體流

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

5、流動時他們的分子作用力在壓縮性和組成方面有很大不同?？偟膩碚f，液體被認為是不可壓縮流體。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，它的特性就像是拉伸的薄膜。因此，一個液體表面是有張力作用的。</p><p>　　流體流動可以用幾個簡單的模型的描述。最簡單的一個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。在標準室內(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>　　粘度是流體用來抵抗相鄰流體的剪切應(yīng)力。一個經(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，對流體產(chǎn)生剪切力。對于牛

8、頓流體來說，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)力會隨流暢的不同而不同。用式表達為：</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>　　絕對粘度μ主

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

10、lt;p>　　在動態(tài)流體中運動粘度有的時候可以替代絕對粘度或動力粘度。動力粘度是運動粘度和密度的比值：</p><p>　　在室內(nèi)標況下水和干空氣的運動粘度分別是：</p><p>　　流體動力學(xué)的基本關(guān)系</p><p>　　這一節(jié)會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，在沒有質(zhì)量增加和損失的前提下，進入管道質(zhì)量速率和離開管道的質(zhì)量(比如泄漏)速率應(yīng)該相等?？梢员磉_為：</p><p>　　這里的m是指在正常流動下質(zhì)量流動的速率，V是指在微分dA的區(qū)域內(nèi)的標準流速，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，平均流速可以表達為V = (1/A)∫ v dA,質(zhì)量流動速率可以寫為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的基本準則。它涉及到在流線方向上動量和能量的守恒

13、。但在流線方向上不是普遍適用。理論發(fā)展是逐漸進步的，第一個熱力學(xué)定律可以在機械流動能量和熱力學(xué)能量中得到應(yīng)用。</p><p>　　流體流動中每單位質(zhì)量能量的變化量ΔE是由每單位機械工w和每單位得失熱量q決定的：</p><p>　　流體能量是由動能，勢能和位能決定的。 對于每一單位質(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械能（可由水泵或鼓風(fēng)機提供）（2）流動功為p/ρ（p代表壓力）g是重力加速度常量</p><p>　　再次整理，能量等式也可以寫為通用伯努力方程</p><p>　　在等式8中，括號之內(nèi)的內(nèi)容是每質(zhì)量流量內(nèi)流體的動能，勢能，內(nèi)能和流體做功。在沒有相互作用功，沒有熱傳遞，沒有粘性摩擦力使機械工轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的情況下，這個表達式是恒定的，可以把恒定常量看為伯努力常量B:<

15、;/p><p>　　伯努力的其他表達式可以通過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）中沒有摩擦損耗。</p><p>　　表達式（9）中的第一部分是指每質(zhì)量流量流體的能量，表達式（10）中是指每容積流量的能量，表達式(11)，每單位質(zhì)量所具有的能量稱為頭。在氣體流動分析中，等式(10)經(jīng)常會用到，ρ

16、gz可以忽略。當(dāng)密度變化時，等式(10)可以被用到。對于液態(tài)流體，等式(11)會經(jīng)常用到。如果單位是連續(xù)的，流動性質(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，揚風(fēng)機可以看為在流線內(nèi)的一元流動（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，動能的伯努力常數(shù)可以表達為αV 2/2， 這里的動能系數(shù)（α > 1）反映

17、了實際動能和平均動能的比值。對于層流寬矩形的通道，α=1.54，在管內(nèi)流體α=2.0.對于風(fēng)道內(nèi)的混流，α ≈ 1</p><p>　　熱量傳遞q通常被忽略。機械能轉(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單位頭。術(shù)語Em和El被定義為正，GHm=Em表示通過水泵或鼓風(fēng)機加到管路中的能量。一個汽輪機或液壓馬達具有負的Hm或Em。術(shù)語Em和Hm（=Em/g）被定義為正的，代表通過水泵或鼓風(fēng)機加入流體中的能量。等式（13）的簡化應(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)考慮到實際流體的粘度和紊流運動時，等式（5）的連續(xù)性關(guān)系沒有改變，但是V必須從速度分布的積分中計算出來，用到局部速度。在流體流過固定的邊界時，速度在邊界處為0，存在速度梯度，產(chǎn)生剪切應(yīng)力，運動方程會變得復(fù)雜，精確的解決方案會很難發(fā)現(xiàn)，除非是平板間層流，旋轉(zhuǎn)滾筒，或管道內(nèi)的運動。</p><p&g

20、t;　　對于兩平行平板間穩(wěn)定，充分發(fā)展的層流運動，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; Y = 0的通道的中心），對于一個寬矩形寬為2b的通道，τ可以被寫為</p><p>　　這里τw為壁面的剪切應(yīng)力[b(dp/ds)]，s是流動方向。</p><p>　　因為在壁面出速度為0（y=b），等式（14）可以被綜合寫為</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，壓力降可以寫為</p><p><b>　　紊流</b></p><p>　　液體

22、的流動大多數(shù)情況下是紊流，涉及隨機擾動和流動的波動（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）流動擾動不是混亂的，它具有一定周期性（比如實體后面的震蕩渦旋軌跡）紊流流動流動只涉及隨機擾動，不涉及任何規(guī)律或周期；流體流動的速度隨時間和位置的不同而不同(圖表3)</p><p>　　紊流運動可以通過統(tǒng)計數(shù)量化。通常用到的速度是一定時間內(nèi)的平均速度。紊流強度的大小通常通過瞬時速度

23、變化的平方根（RMS）來表示。紊流導(dǎo)致流體在流動過程中非常迅速的傳遞動量，熱量和質(zhì)量。</p><p>　　層流和紊流可以使用雷諾數(shù)來區(qū)分（Re），是慣性力和黏性力比值的一個無量綱的常量：</p><p>　　其中L是指特征長度，ν是指特征長度。在流體流過水管或風(fēng)管時，特征長度是指水力半徑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)管中的層流運動雷諾數(shù)（基于水力半徑）小于2300，完全紊流的雷諾數(shù)大于10000，對于雷諾數(shù)大于2300，小于10000的情況，過渡流存在，對它的預(yù)測會不準確。</p><p><b>　　流動的基本過程</b></p><p><b>　　壁面摩擦</b></p>&l

25、t;p>　　在實際流體流動的邊界，在流體表面相對切向速度為0，有時在紊流運動中，壁面處的速度可能會出現(xiàn)有限不為零的情況。這意味著流體在墻面處分離。然而實際情況并非如此，壁面處速度的難以測定是問題的焦點（goldstein 1938）壁面處速度為零會導(dǎo)致較大的剪切應(yīng)力，同時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4）如前所述，紊流運動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顯示了管道因子對于寬矩形或圓形管道的重要價值。因為是平緩的速度輪廓，在等式12和等式13中運動能量常數(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，有摩擦力對流體影響的區(qū)域。邊界層的厚度（通常寫作δ）比下游流動的距離小。對于實體外的流體，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，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)流動進行時，經(jīng)過距入口處的距離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，壓力降的長度遠遠超過充分發(fā)展流體的長度。</p><p>　　在更為普遍的邊界層中，正如在擴散器內(nèi)或支柱，彎管葉片的表面的壁面發(fā)展，壓力梯度對流體影響很大，并可能導(dǎo)致邊界層分離，當(dāng)外流動流體速度在流動方向減小時（圖表7）會產(chǎn)生逆向的壓力梯度從而引起流層分離。下游分離點之后的流體會在壁面處產(chǎn)生回流。速度是由壁面處摩擦速度（局部動能）的減小產(chǎn)生的。壁面處的流體不再有能量足以進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。特別是紊流的邊界層。實驗觀察證實紊流邊界層因具有更大的動能從而比層流更難以分離。</p><p><b>　　流動模型和分離</b></p><p>　　在技術(shù)應(yīng)用中，如果避免流體分離的代價過于高昂，分離通常是可以被接受并認為是普遍的。流體分離可能是幾何態(tài)的或動態(tài)的。動態(tài)分離表示在圖表7中，幾何分離在圖表8和9中，出現(xiàn)在流動流體經(jīng)過尖銳

31、角落或孔口時，流體在流出多少與速度在摩擦力作用下減小的多少無關(guān)。</p><p>　　孔口流的幾何分離（圖表8），外流線在尖角處分離，因為流體的慣性，比孔口截面要小。流到斷面最小處稱為流頸，其面積約為孔口開口處的十分之六。在緊縮流之后，在通過層流或紊流對流體一邊的相互作用后，流體膨脹。在射流區(qū)外，流體的相對速度很小。紊流幫助射流擴散，擴大損失，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，阻尼器或突然擴張?zhí)?。對于這些幾何形狀，緊縮流可以被識別。對于突發(fā)的膨脹和上游的收縮，流體上游的區(qū)域會收縮。理想流體理論，通過采用自由流線，提供觀察和預(yù)測閥門，噴嘴和葉片的收縮系數(shù)（Robertson 1965），這些幾何分離會產(chǎn)生大量的能量損失。為了擴大流體效率或

33、者使進口處有最小的能量損失，設(shè)計裝置具有漸進輪廓，擴散狀，和圓形入口。</p><p>　　具有漸進輪廓線的流體裝置對流體分離的影響難以預(yù)測，因為它涉及到在逆向壓力梯度下邊界層的動態(tài)增長而不是立體流過急速變化的角。使用擴散板來減少擴散損失，這很可能在平緩角的一定距離內(nèi)擴大流體，特別是在邊界層是紊流的情況。最后，分離可能會產(chǎn)生（圖表10），通常是不對稱的，因為流體具有不規(guī)則性。下游流體設(shè)計流動逆轉(zhuǎn)（回流）和超額損失

34、，這種分離通常被稱為失速（kline 1959）大的擴張可以通過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于幾何分力有較強且積極的影響。</p><p>　　對實體本身或標記物阻力</p><

35、p>　　實體在流體流動過程中受到顯著的流體力或阻力的影響。通常來說，阻力FD在實體上的力可以表達為阻力系數(shù)CD:</p><p>　　其中A是指實體（標準流）的投影區(qū)域。阻力系數(shù)與實體的外形，角度，特征尺寸和雷諾數(shù)有關(guān)。</p><p>　　對于在1000和100000之間的雷諾數(shù)，大多數(shù)實體的CD是常數(shù)，因為流動分離，但是對于雷諾數(shù)大于100000的情況，圓形實體的CD會迅速降低就