研究得最早可能也最多的是管道流動(dòng)中的損失。

導(dǎo)讀

流動(dòng)損失的全稱應(yīng)該叫流動(dòng)中的機(jī)械能損失，是流動(dòng)中機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象。與固體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能損失類似，流動(dòng)損失也來(lái)源于摩擦作用，只不過(guò)這種摩擦作用不止發(fā)生在邊界上，而是幾乎發(fā)生在流體內(nèi)部的所有地方。減小流動(dòng)損失，就是要減小流體內(nèi)部的摩擦作用，也就是減小流體內(nèi)部各處不必要的加減速和摻混。

01. 所謂流動(dòng)損失

可能很多人在中學(xué)時(shí)才第一次接觸到能量損失這個(gè)概念，兩個(gè)小球的彈性碰撞沒(méi)有動(dòng)能損失，塑性碰撞就有動(dòng)能損失。這里所說(shuō)的損失，并不是說(shuō)能量消失了，而是能量從好用的能量變成了不好用的能量。

能量可以分為機(jī)械能、熱能、電能、化學(xué)能、核能等，這其中最不好用的就是熱能。本書(shū)講的是流體力學(xué)，所以只討論機(jī)械能和熱能（即流體的內(nèi)能）的相關(guān)問(wèn)題。

讓機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能很簡(jiǎn)單，而讓熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能卻很困難，因此我們說(shuō)，機(jī)械能是高品位的能量，熱能是低品位的能量。有些情況下，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了熱能就沒(méi)辦法再轉(zhuǎn)化回來(lái)了，這時(shí)就說(shuō)機(jī)械能損失了。

例如，小球在地面上彈跳并最終靜止，小球變熱，但靜止的小球是不可能通過(guò)降溫重新彈跳起來(lái)的。流體在流動(dòng)中會(huì)與壁面產(chǎn)生摩擦，流體之間也有摩擦，相應(yīng)地就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能損失，稱為流動(dòng)損失。

02. 流動(dòng)損失的原理

流體微團(tuán)在移動(dòng)過(guò)程中只要發(fā)生了變形，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能與內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化。變形分為兩種：一種是體積變形；另一種是角變形。純粹的壓縮和膨脹這類體積變形是可逆的，即機(jī)械能轉(zhuǎn)化成的內(nèi)能還可以轉(zhuǎn)化回機(jī)械能。而角變形則不同，流體發(fā)生角變形的過(guò)程是機(jī)械能單向地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這個(gè)過(guò)程是不可逆的，或者說(shuō)產(chǎn)生了流動(dòng)損失。

因此，流動(dòng)損失產(chǎn)生于含有角變形的流動(dòng)中。

03. 摩擦損失

摩擦損失特指流體和固體之間摩擦引起的損失，這個(gè)概念是從固體之間的摩擦來(lái)的。然而，流體在和固體接觸的邊界上存在著無(wú)滑移條件，即流體和固體之間并沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此流體中的摩擦損失都是流體之間的摩擦產(chǎn)生的。

04. 摻混損失

摻混損失特指發(fā)生在遠(yuǎn)離壁面的流體之間的摩擦引起的損失。例如，分離區(qū)、尾跡、射流等流動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生摻混損失。

在絕大多數(shù)流動(dòng)中，流體在壁面附近的角變形是最嚴(yán)重的。因此，對(duì)某一團(tuán)流體來(lái)說(shuō)，摩擦引起的損失通常大于摻混引起的損失。然而，多數(shù)流體并不流經(jīng)壁面附近，只有少量流體有摩擦損失。當(dāng)流動(dòng)有分離時(shí)，就會(huì)有大量流體被卷入其中產(chǎn)生摻混損失。所以，從總效果上看，很多流體機(jī)械的摻混損失都比摩擦損失大。

05. 激波損失

氣體經(jīng)過(guò)激波時(shí)，在很短的距離內(nèi)（與分子自由程相當(dāng)）被突然壓縮，過(guò)程不符合流體力學(xué)定律，而應(yīng)該用基礎(chǔ)物理學(xué)解釋，這超出了一般流體力學(xué)知識(shí)的范圍。如果仍然把氣體當(dāng)作連續(xù)的流體來(lái)考慮，可以這樣理解激波損失：如果說(shuō)沒(méi)有損失的壓縮對(duì)應(yīng)完全彈性變形，則激波壓縮含有塑性變形，一部分機(jī)械能不可逆地變成了內(nèi)能，這就是激波損失。

06. 管路損失

管道的流動(dòng)損失是工程上最常遇到的流動(dòng)問(wèn)題之一。通常把管道的流動(dòng)損失分為沿程損失（Friction Losses）和局部損失（Minor losses）兩類。從沿程損失英文名字上可以看出它就是摩擦損失，而局部損失則主要是局部的摻混損失。但英文的Minor losses名字取得不太好，因?yàn)檫@部分損失可能一點(diǎn)都不Minor。

07. 總結(jié)

和流動(dòng)阻力對(duì)應(yīng)，流動(dòng)損失也是流體工程師們?nèi)粘Ｐ枰�處理的�?wèn)題。對(duì)于各種管路、泵與風(fēng)機(jī)、各類熱機(jī)、空調(diào)、給排水、暖氣、通風(fēng)等設(shè)備，都需要優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小流動(dòng)損失。而對(duì)于閥門(mén)等部件，則需要的是損失恰好滿足需求的設(shè)計(jì)。

流動(dòng)損失一般不容易用簡(jiǎn)單的理論分析得出定量結(jié)果，多數(shù)情況都需要用數(shù)值模擬或者實(shí)驗(yàn)。目前的數(shù)值模擬對(duì)于流動(dòng)損失的計(jì)算還不是很有把握，實(shí)驗(yàn)測(cè)量仍然是重要的一環(huán)，工程上存在著很多用于損失估算的經(jīng)驗(yàn)公式，基本都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的。