[科普中国]-流动损失

在内流中，通常更关心的不是流动阻力，而是流动损失。虽然很多时候阻力大就代表损失大，但由于它们分别对应的是动量和能量的变化，因此其本质是不同的。流体在边界层内既产生动量亏损同时也产生能量亏损，这时阻力与损失的变化趋势一致。但对尾迹区来说，在物体尾缘处和其后一定距离处的动量亏损基本上相同，但能量亏损有较大的差别。或者说，流体只在与物体接触的表面上产生阻力，一旦离开了物体，就不再产生阻力了。但尾迹区的速度亏损会在下游持续发生剪切作用，还在不断产生流动损失。

产生过程以最简单的小球碰撞来理解动量和能量的关系。在光滑平面上，一个速度为V的小球正碰一个静止的同样小球，如果第一个小球完全停下，第二个小球以速度矿弹出去，则动量和能量都是守恒的，这种情况发生在完全弹性碰撞中。如果两个小球粘在一起以速度V/2运动．则动量仍然是守恒的，但动能就变为了原来的1/2，这种情况属于塑性碰撞。损失的动能转化成了内能。可见，能量变化并不一定对应着动量变化，动量守恒的前提是无外力，而机械能守恒的前提则要苛刻得多。

小球的塑性碰撞导致机械能不可逆地转化成了内能，这种塑性在流体中对应着粘性。根据能量方程可知，粘性产生的耗散主要是通过流体微团之间的剪切运动造成的，因此凡是存在速度梯度的地方就会有流动损失。对于一个没有分离的绕翼型流动，损失主要由两部分构成，一个是物体表面的摩擦损失，另一个是流体离开物体后在尾迹内的掺混损失。实际流动中最大的速度梯度几乎总是发生在壁面附近的边界层内，因此壁面附近会产生比较大的损失。然而，在有大面积分离存在的流场中，分离区才是损失的主要来源。这是因为虽然边界层内的局部流动损失最大，但受影响的流体却不多，分离区则常伴随着大尺度非定常的涡旋运动，将大量主流的流体牵连进有较强剪切作用的分离区中。在风机和泵等流体机械中，除了边界层的摩擦损失、尾迹的掺混损失以及分离引起的掺混损失之外，还会存在大量的“二次流动”掺混损失。所谓的二次流动，就是那些与设计的流动方向垂直的速度分量构成的流动。这些二次流动的存在造成整个主流区也存在大量的剪切作用，产生可观的损失。1

主要内容流动损失包括两部分：

(1) 流动阻力损失。它相当于流体流动过程中的沿程阻力损失hi和局部阻力损失hj其值与流道的粗糙程度，各部件的形状、尺寸和它们之间的组合情况有关。

(2)冲击损失。流体在叶片中的流动，在设计工况下，相对速度方向与叶片-致,无冲击损失，但当泵与风机在大于设计流量下运行时，进口速度三角形的流动角大于进口安装角，在叶片的工作面区流体会严重脱壁而形成较强的涡旋区，导致较大的撞击损失。反之，当流量小于设计流量时，进入流体发生正冲角，在叶片的非工作面区形成较小的涡旋区，产生较小的撞击损失。由于止冲角时损失小，且又可以增大人口流道过流断面面积，降低进口流速，有利于提高泵的抗汽蚀性能，故允许泵(风机)在低于设计流量下工作。2

叶型损失流动损失主要包括叶型损失和二次流动损失，其中叶型损失主要包括以下五个方面：

①叶型附面层中的摩擦损失：气流流过叶栅时，由于空气的黏性作用，在叶栅表面会形成附面层。附面层内空气流动就有摩擦损失。

②尾迹中的涡流损失：当气流分别由叶背和叶盆流到叶型后缘处时，两边的附面层汇合而成为叶片的尾迹，另外上、下表面附面层在后缘汇合时，还会生成涡流区，由于黏性作用，旋涡运动所消耗动能转变为热能，这就是尾迹损失。

③尾迹和主流区的掺混损失：由于尾迹中的气流速度小，而主流区的气流速度大，这样在尾迹和主流区之问存在着较大的速度梯度。在尾迹和主流区混合时，速度要调匀，这个混合过程就有损失。

④附面层分离损失：气流从叶型前缘向后缘流动的过程中，压力是不断提高的，在正压力梯度的作用下，可能会产牛附面层分离，特别是激波附面层干扰导致的附面层分离产生的损失，

⑤激波的波阻损失：当叶栅通道中出现超声速区时，就会产生激波，气流流过激波时，总压下降，这称为激波损失。2

等截面管道的流动损失对于等截面管道的完全发展段的流动，其各截面上的流动速度完全相同，且都是平行流动的。取任何一条流线，沿流动方向的流速并不改变，压差力与黏性剪切力平衡，因此流体的静压是沿流向下降的。显然这时候伯努利方程是不适用的，或者说流体的总压是不守恒的。假设壁面是绝热的，则总压下降直接代表了流动损失。由于流速不变，总压降低完全由于静压降低体现，因此静压的降低量也就直接代表了流动损失。

也就是说，对于不可压缩管道的层流流动，损失只与速度沿径向的梯度有关。因此，可以说管流的损失产生于所有区域，因为管道里到处都存在着剪切流动。任何增加这种剪切作用的因素都会导致流动损失的增加，例如增加平均流速、减小管径等都会增大径向速度梯度，从而使损失增加。按理说，流动损失意味着宏观的动能不可逆地转化为内能的过程。但管流的流速却保持不变，体现为静压的下降。这是由于黏性力一直在通过剪切作用将流体的宏观动能转化为内能，但同时，流体的压力势能还在不断地转化为动能。压力势能转化成多少动能，粘性就损失多少，它们之间是一个动态平衡关系。可以认为管流是一个压力势能不断地转化为内能的过程，但这种转化必须通过流动来实现。1

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学