外文翻譯--流體力學(xué)和流體機(jī)械概述【中英文文獻(xiàn)譯文】
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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(dòng)對(duì)于土木工程師來說是很重要的對(duì)像水泵、壓縮機(jī)、換熱器、噴管和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等流體機(jī)械的研究,使得流體力學(xué)對(duì)于機(jī)械工程師來說也很重要。氣流繞過一個(gè)物體的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象是設(shè)計(jì)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?yàn)榇髿夂秃Q蠖际橇黧w,所以對(duì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)是不可或缺的
我們可以看到,對(duì)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.在固態(tài)剛體力學(xué)中,我們經(jīng)常問這樣一個(gè)問題:微團(tuán)關(guān)于時(shí)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(gè)非常重要的參數(shù)。
然而.在流體中我們而對(duì)的不是單個(gè)微團(tuán),我們所關(guān)注的是一個(gè)連續(xù)流實(shí)際上.我們無須跟蹤每個(gè)微團(tuán)或者甚至少數(shù)幾滴液體的運(yùn)動(dòng)相反,要問的問題是:在空間某點(diǎn)(相對(duì)于任意一個(gè)固定坐標(biāo)系)處,該點(diǎn)的速度、加速度和熱力學(xué)性質(zhì)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)是什么?隨著時(shí)間的推移,該點(diǎn)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(gè)流體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)但卻研究空間某點(diǎn)隨時(shí)問的變化情況,而不管在任一特定時(shí)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(duì)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(gè)微團(tuán)的運(yùn)動(dòng).
前面提到了一個(gè)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.我們說很小是與我們將流體力學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)際問題的物理尺寸相比而言的。在空氣動(dòng)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(gè)量級(jí)。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?yàn)槲F(tuán)的尺寸很小,從微觀的角度看,這對(duì)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?yàn)槊芏仁且阎?。為了完整地描述流體流動(dòng),只需要求解壓力和速度。此時(shí)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(diǎn)是渦輪機(jī)械,即那些以轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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:Pelton水輪機(jī)和兩種反動(dòng)式渦輪機(jī)—Francis渦輪機(jī)和推進(jìn)式渦輪機(jī)。Pelton渦輪機(jī)是一種脈動(dòng)式的渦輪機(jī),它包括一圈分開的環(huán)形葉片,Pelton對(duì)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(gè)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(dòng)時(shí),每個(gè)后繼的葉片與射流成一條直線。
在典型的Francis渦輪機(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(jì)使得水流沿徑向流過渦輪葉片,流體失去了角動(dòng)量,因此給葉片加上了一個(gè)轉(zhuǎn)矩。盡管最初的Francis渦輪機(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(dòng)式渦輪機(jī),稱為推進(jìn)式渦輪機(jī),基本上是軸流式的。像Francis渦輪機(jī)一樣,推進(jìn)式渦輪機(jī)也減少了流體的角動(dòng)量,因而也在推進(jìn)槳葉上產(chǎn)生了一個(gè)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Kaplan渦輪機(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(gè)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(duì)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/np給定,而np是發(fā)電機(jī)的電極數(shù),而且必須是偶數(shù)。脈動(dòng)式渦輪機(jī)和反動(dòng)式渦輪機(jī)之間最基本的區(qū)別是反動(dòng)式渦輪機(jī)完全被液體包圍,而脈動(dòng)式渦輪機(jī)則不是??梢钥吹?,Pelton水輪機(jī)必須從壓力不變的射流獲得能量,因而能量?jī)H可以從流體的動(dòng)能中獲得。前池或渠首的水由一個(gè)稱為引水管道的導(dǎo)管傳向渦輪機(jī),而此時(shí)則需要一個(gè)精心設(shè)計(jì)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(gè)針型閥控制,而且一個(gè)旁通閥或射流變流裝置常用來保護(hù)這個(gè)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(gè)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(duì)Pelton水輪機(jī)的性能不產(chǎn)生任何影響。Pelton水輪機(jī)通常是安裝在一個(gè)水平軸線上,并且直接和發(fā)電機(jī)相連接,經(jīng)常是兩個(gè)水輪機(jī)平衡地安裝在發(fā)電機(jī)的兩邊共同驅(qū)動(dòng)同一個(gè)轉(zhuǎn)軸。
雖然渦輪機(jī)偶爾用于驅(qū)動(dòng)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(shí)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 cfs液體的巨型水泵不等、不管是用它給生活用水加壓,還是汽車中的燃油泵、潤(rùn)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(hào)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(dòng)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(dòng)時(shí)的低壓小會(huì)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(yùn)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(dòng)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(dòng),并在流體上加上一個(gè)扭矩,當(dāng)流體流過時(shí)就增加了流體的角動(dòng)量,然后泵的位置抵消了增加的角動(dòng)量,使得能量增加。
對(duì)于一個(gè)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(gè)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。
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上傳時(shí)間:2019-11-25
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