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内容简介：

流体力学和流体机械概述流体力学可被应用于许多方面，这使得流体力学成为所有工程和应川科学中十分重要的基础学科之一。管道、水渠中的流体流动对于土木工程师来说是很重要的对像水泵、压缩机、换热器、喷管和火箭发动机等流体机械的研究，使得流体力学对于机械工程师来说也很重要。气流绕过一个物体的空气动力学现象是设计飞机、导弹和火箭的航空航天工程师们感兴趣的基本问题因为大气和海洋都是流体，所以对流体的研究是气象学、水文学和海洋学的基础。今天，在现代工程中许多新的理论把流体力学和经典理论结合起来。例如把流体力学和电磁学理论结合在一起研究称之为电磁流体动力学。在新)型的能量转换装置中，在研究星球和电离层的现象中电磁流体动力学是不可或缺的我们可以看到，对于现代的工程师和科学家来说熟悉流体力学是十分必要的。显而易见，流体力学及其应用是一门有着广泛专业领域的学科.在固态刚体力学中，我们经常问这样一个问题：微团关于时间的位置函数是什么？通过这一条件其他所有的问题，例如，速度和加速度是什么，都可以回答。如果位置矢量r代表微团的位置，那么r(t)是一个非常重要的参数。然而.在流体中我们而对的不是单个微团，我们所关注的是一个连续流实际上.我们无须跟踪每个微团或者甚至少数几滴液体的运动相反，要问的问题是：在空间某点（相对于任意一个固定坐标系）处，该点的速度、加速度和热力学性质关于时间的函数是什么？随着时间的推移，该点的流体不断地和流经它的新流体发生交换作用，所以我们不跟踪任何单个流体微团的运动但却研究空间某点随时问的变化情况，而不管在任一特定时间恰好是什么流体通过这种描述流体的方法叫欧拉法，与之相对的描述法叫拉格朗日法，拉格朗日方法被用于描述在刚体力学中一个微团的运动.前面提到了一个词：连续流从流体的角度看，该词有什么意义？我们假设流体微团（或分子）间的距离，或者更精确地说是平均自由行程很小.我们说很小是与我们将流体力学理论应用于实际问题的物理尺寸相比而言的。在空气动力学研究中，机翼厚度比绕过机翼的气流的平均自由行程要大许多个量级。因此我们假设所有的（积分的）极限过程都有意义，而民在保持连续性情况F任何体积的流体都能分成更小的体积很明显最终这种分割很难进行下去，但我们假设这分割能进行，这是因为微团的尺寸很小，从微观的角度看，这对我们的研究没有任何影响.在不可压流中，能量方程并不是必要的，因为密度是已知的。为了完整地描述流体流动，只需要求解压力和速度。此时温度是分离的，如果要求解温度则需要用能量方程流体机械是指那些把能量输送到流体中或自流体中抽取能量的机械设备。第一类流体机械统称为水泵，而第二类流体机械由涡轮机组成。虽然也涉及了其他的的机械，但重点是涡轮机械，即那些以转轴的转动来传递能量的水泵和涡轮机。常用的有三种类型的涡轮机，它们分别是：Pelton水轮机和两种反动式涡轮机Francis涡轮机和推进式涡轮机。Pelton涡轮机是一种脉动式的涡轮机，它包括一圈分开的环形叶片，Pelton对分开叶片的改进使水轮机能够很好地完成工作，而且因此水轮机也得到了广泛的应用。水的射流（或大系统的多个射流）方向与给定叶片的方向相反，而且打在分开的叶片上反弹回来再流向每一侧，因而将冲击力传给叶片。当涡轮转动时，每个后继的叶片与射流成一条直线。在典型的Francis涡轮机中心，水流带着由引导叶片传给的切向分量进入外部圆周，涡轮叶片这样设计使得水流沿径向流过涡轮叶片，流体失去了角动量，因此给叶片加上了一个转矩。尽管最初的Francis涡轮机是离心式涡轮机，但目前它们通常是离心式与轴流式的结合，其叶片通常将水流方向由径向转为轴向。第二类反动式涡轮机，称为推进式涡轮机，基本上是轴流式的。像Francis涡轮机一样，推进式涡轮机也减少了流体的角动量，因而也在推进桨叶上产生了一个转矩。大多数现代推进式涡轮机的桨叶斜度都可调，以便于在一定的排水量范围内维持较高的效率。这样的装置就称为Kaplan涡轮机。几乎所有的涡轮机都直接与发电机组相连接，因此涡轮机必须保持近乎不变的旋转速度，这就是同步速度。这个由调速机维持的速度，是由发电机中电极的数目和产生电流的频率来决定的。对于60赫兹（每秒钟的循环次数）的电流，速度N（每分钟的转速），由公式N7200/np给定，而np是发电机的电极数，而且必须是偶数。脉动式涡轮机和反动式涡轮机之间最基本的区别是反动式涡轮机完全被液体包围，而脉动式涡轮机则不是。可以看到，Pelton水轮机必须从压力不变的射流获得能量，因而能量仅可以从流体的动能中获得。前池或渠首的水由一个称为引水管道的导管传向涡轮机，而此时则需要一个精心设计的喷管来提高射流速度井使可获得的能量最大化。排水量由一个针型阀控制，而且一个旁通阀或射流变流装置常用来保护这个系统，防止系统内流量急剧减少。如果针型阀必须迅速关掉的话，一个溢流水箱也可以作为替代品来减少水波压力或水锤的影响。由于尾流不可能再恢复流体的剩余能量，水流入放水渠或尾流水面以下的路径对Pelton水轮机的性能不产生任何影响。Pelton水轮机通常是安装在一个水平轴线上，并且直接和发电机相连接，经常是两个水轮机平衡地安装在发电机的两边共同驱动同一个转轴。虽然涡轮机偶尔用于驱动一些小型机械，但他们大体上几乎全部用于大型贵重设备的商用发电上。应用于工业上的只有三种最基本的类型。实际上，这三种类型的涡轮机即可覆盖所有的工业操作条件。另一方面，泵的种类则很多，从每分钟提供只有几滴水的小型水泵到从几百英尺远的压头每分钟汲取300 cfs液体的巨型水泵不等、不管是用它给生活用水加压，还是汽车中的燃油泵、润滑油泵或冷却油泵，还是用于家用电器如洗衣机、洗碗机以及电冰箱，在我们的日常生活中，我们很少不用到泵，因此泵的类型和型号很多。我们只关注其中最重要的一种。像涡轮机一样，大多数的泵是涡轮机械，但与脉动式涡轮机毫无相似之处。根据主要的流功方向，我们将泵分为三种，它们分别是：径向式（离心式）、轴流式（推进式）和混流式水泵。泵与涡轮机不同，泵的多种应用尺寸以及类型并没有与之相应的布置或典型安装类型。泵的人口或低压侧称为汲水口，而出口或高压侧就称为出水口。如果将液体从低于泵所在的位置抽出，则多数类型的泵都要求事先将泵装满液体使得泵可以开始汲取液体，从而有效地连续抽取液体。这也要求汲取侧上的垂直高度差足够小，泵附近的压力不低于蒸气压，使得提升液体成为可能。更进一步需要注意的是，必须确保泵在流动时的低压小会导致气穴产生。虽然涡轮机几乎全部用于水，但泵却几乎用于各种类型的液体，甚至包括固液混合物。气体的抽运或者用鼓风机，或者用压缩机。离心式、轴流式和混流式泵的基本工作原理与反动式涡轮机的原理相反即泵由马达或其他机械来驱动，并在流体上加上一个扭矩，当流体流过时就增加了流体的角动量，然后泵的位置抵消了增加的角动量，使得能量增加。