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1、流体力学的应用力学是无所不在的，生活中并不是缺少流体力学的应用，而是缺少发现的眼睛。其实大 部分工程 方面的东西都是与力学相关，这就是为什么理工科不论科班与否都要学理论力学。 只要是涉及到流体 的介质的都会用到流体力学 多人都有过静脉输液 (俗称“打点滴”) 的经历，这里涉及到的许多流体力学原理， 很多人 未必注意到。A3r3!图1静脉输液器示意图静脉输液器的示意图如图1所示，其中包括输液瓶、针头、上输液管、夹子、茂菲氏滴管、小管、管和乳胶帽、管、下输液管、调节阀、针头(11)、针头(12)、软 管(13)等。这里，盛有药液的玻璃瓶(输液瓶)是倒挂的，下面是药液，上面是气体，液面用S1表示，
2、液面的高度记为hS1。针头通过瓶塞插入药液中，并将药液引入上输液管。夹子可以阻断上输液管内的液体流动(通常夹子可以省去，这里是为了解释需要而加入的)。透 明的茂菲氏滴管的上端有两个管。一个管处嵌入一个小管，其上端与上输液管相连，下端张着一个不断变形的液面，该液面上的表面张力总是力图阻止上面的液柱向下流，但 是液柱的压力总是比表面张力大，使得该液面越来越向下突出。 当液面完全支撑不住时，就有一滴药液落下，然后该液面又重新回到管附近，我们用h6表示上下变化的液面的平均高度。另一个管套着一个乳胶帽，可以阻止茂菲氏滴管内外的空气流通(必要时，护士可以用针管从该管口注入一些辅助药液 )。茂菲氏滴管的下部
3、保留一部分药液，上 面存留有 部分空气，S5是气、液之间的界面(液面)，液面的高度记为hS5。茂菲氏滴管下面的管与下输液管连接。调节阀可以调节输液速度。针头(11)插入患者的静脉中，我们用h0表示针头处的高度。人们常以h0为基准计算其它各处的高度(hO=O)。在插入输液瓶的另一个针头(12)下面，连接着一个泄气软管(13)，该管的出向上与周围大气 相连，药液会通过针头(12)流入软管3。但是由于大气压力的存在，流入软管的药液液面S13会在软 管的某处自动停住，以维持软管内液柱的力平衡。U形软管3底部的高度记为h13，液面S13的高度记为hS13 ,hS13可表示为hS13 =h13+ 3h13
4、h13+3h13。这里，3h13表示 液面S13与软管底部的高度差，这种高差呈缓慢的周期变化，而且变化幅度不大，其平均值记为 Sh13。这样的构成主要是为了保证输液器具有以下功能：(1)保证输液过程中输液速率(mm/s)的平稳，(2)避免气泡随着药液进入人体的静脉，(3)根据需要可以调节输液速率。对于这样的输液系统，出于好奇，我在输液时给自己提出了这样几个问题：1) 从开始到结束，在整个输液过程中输液速率 有无明显变化？2) 在输液过程中，由于某种原因，病人需要移动位置，或改变姿态 (卧、坐、立的变换 )，为了保持流率不变或基本不变，需要注意的关键是什么？在保持hS1(或者说h13)不变的刖提
5、下，相对高度 hS5 和 h6 等发生变化是否会明显改变流率 ？3) 输液中某时刻，护士通过管加入了某些药液；一段时间后流率重新趋于稳定，这时的流 率与护士操作前相比有什么变化？4) 茂菲氏滴管上部的气室体积V5有一定量的增加(例如，护士通过管放走了一些气，或者从输液瓶下来的药液中含有一些气泡，这些气泡会先穿过液面S5进入液体层，但很快会在表面S5处破碎进入气室)，重新稳定后流率是否会变化？5) 有哪些办法可明显改变流率 ？下面我们就来分析这些问题。设pa是周围的大气压强，pp是针头1处病人的静脉血压，pl 和V1是输液瓶上部的气压和体积，p5和V5是茂菲氏滴管上部的气压和体积。此外，再设 (
6、R1+r4)是从液面S1到小管下端，药液在这一段变截面管路中的等效流动阻力，(R5+r10)是从液 面S5到针头1，这一段变截面管路中的等效流动阻力，其中r4是夹子处的局部阻力，r10是调 节阀处的局部阻力。在茂菲氏滴管内的液滴滴滴地向下滴的过程中， 整个系统各点的压强都有微小的脉 动，下 面的分析将忽略这些脉动。根据力平衡原理，上、下两部分的流动分别满足：p1 +p g(hS1 h6) p5=(R1+r4 )* j(1)p5 + p g(hS5 hO) pp=(R5+r10 )* I(2)其中u和Qd分别是上部管路和下部管路的流率。当输液器内的流动达到稳定时Qu=Qd=Q, 在这种情况下，将
7、以上两式相加则得到P1 + P g(hS1 h0) (h6 hS5) pp=(R1+ R5+r4+r10)* pl近似等于大气压强pa,更精确的关系可根据U形管3中的力平衡关系得到：pl + p ghS1 p+p g (h13 + 3h3)(4)将式(4)代入式 (3)则得到(pa pp)+ p g(H3+3h13 h0) p g(l6 hS5) =(R1+ R5+r4+r10 )* (5)通常都有(h6 hS5)vv (h13 hO)和3h3(h13 hO)，所以上式可近似地简化为(pa pp)+ p g(H3 hO)(R+ R5+r4+r10 )* (5)现在我们可以利用方程(5)来讨论前
8、面提到的几个问题(在下面讨论中，pa , pp和pg总是不变 的，高度基准 hO=O) 。1) 如果没有针头(12)和U形软管(13),则输液瓶内的气压pl将随着体积Vi的增大而迅速降低，由式(3)可见，这时输液速率 也将迅速下降，针头2和U形软管3正是为了克服这种现象而 引入的。有了针头2和U形软管3，空气会通过它们不断地补充进去，气压pl基本保持不变。有人 可能会就此认为,输液速率 会因 hS1 的下降而略有下降 (根据式 (3), 其实，输液速率 的变化比 我们想象的还要小。由于pa + P g (h13 + 3h13)基本上不变，由式可见，气压pl会随着hS1的下降而略有上升，使pl
9、+ P ghS1基本上不变，因此，输 液速率 几乎不变(也可参见公式(5)。2) 茂菲氏滴管整体的上下移动(h6和hS5随之改变)对稳定的输液速率没有影响。从公 式可以看出，只要小管的下端与液面S5的相对高度(h6 hS5)保持不变，输液速率 就不变。3) 在输液过程中，如果护士通过管加入了某些药液，这时茂菲氏滴管内的气压p5会因之而上升，这又会引起上部的输液速率u减小(参见公式(1),下部的输液速率d增加(参见公式(2),结果使气压p5逐渐地重新回到原来的值，u和Qd也逐渐地回到原来的值。上述的调整过程很短暂。4) 茂菲氏滴管中上部的气室体积因某种原因略有增加，当重新达到稳定时，会使相对高度
10、(h6 hS5)有少许增加，但对最终的输液速率基本上没有影响(参见公式(5)5) 改变夹子和调节阀处的局部流阻r4和r10能方便和有效地改变流率。增加流阻r4和增加流阻r10都能达到减小流率 的目的，所以夹子常可省略。较大幅度地升降输液瓶 的高度，也能明显地改变流率 。简单说来是这样的：1) 从开始到结束，在整个输液过程中输液速率 不会有明显变化；2) 若hS1 (或者说h13)不变，只是高度hS5和h6等有些变化，这不会明显改变流率；3) 从管加入了某些药液,稳定后，流率会回到原来值；4) 茂菲氏滴管上部气室中空气量的增减，流率不会有明显改变；5) 改变夹子和调节阀处的局部流阻r4和r10能
11、方便和有效地改变流率，较大幅度地升降输液瓶 的高度，也能明显地改变流率 。近来医院里常用袋装的药液代替瓶装的药液。由于软包装的塑料袋不能承受内外压强 差,也就是 说，袋内气室部分的压强几乎总是等于周围的大气压强，即pl-pa,所以没有必要再用针头2和软管3。这时，随着液面S1的下降，输液速率略有减小(参见公式(3)。此外,现代化工业生产传统陶瓷产品过程中,流体力学是被最为广泛应用的一门学科。 广为使用的喷 雾干燥法制备颗粒状粉体技术的设备就是喷雾干燥器。按此器的工作原理和设备形成或作出的力学模型可看作是一根变径的圆形管道,热空气从顶部经分风器注入塔体,雾化泥浆从 塔身注入,泥粉从塔底卸出,水蒸
12、汽、粉尘经旋风除尘器排出,可谓二进二出。 此过程一直保持着物料 平衡、 热平衡。 物流的原动力全靠排风机的作用,管道直径的变化造 成不同位置流速的变化,为完 成工艺过程提供条件。 排风机一停,则设备运行全部停止。 喷 雾干燥技术实际上就是流体力学的应 用技术。所有的干燥器,包括烘房式、吊篮式、辊道式,都有热气流的流动、干燥问题,因而其工作原理及 效果其实也是流体力学的应用问题。漂浮于生产车间内的粉尘收集以及有害气体的排放等技术都要靠流体力学的应用技术 来完成。 应用流体力学原理制造的装备可称为流体设备或流体机械,包括风机、泵、管路等等。 当前，针对陶瓷工业的流体力学应用技术与设备的研究开发是不
13、够的、 很不充分的，有志者， 可在此多下功夫。现代化工业生产传统陶瓷产品过程中，流体力学是被最为广泛应用的一门学科。 广 为使用的喷雾干燥法制备颗粒状粉体技术的设备就是喷雾干燥器。 按此器的工作原理和设备 形成或作出的力学模型可看作是一根变径的圆形管道， 热空气从顶部经分风器注入塔体， 雾 化泥浆从塔身注入，泥粉从塔底卸出，水蒸汽、粉尘经旋风除尘器排出，可谓二进二出。此 过程一直 保持着物料平衡、热平衡。物流的原动力全靠排风机的作用， 管道直径的变化造成 不同位置流速的变化， 为完成工艺过程提供条件。 排风机一停，则设备运行全部停止。 喷雾 干燥技术实际上就是流体力学的应用技术。一座辊道窑，实
14、际上是一座应用流体力学原理工作的设备， 辊道是砖坯运行的载体，通 过技术手段控制好温度、 压力、气氛，完成坯体煅烧工艺， 其力学模型可看作是一根扁平的 变截面 的矩形长管。窑炉气流的原动力全靠风机的作用。所有的干燥器，包括烘房式、吊篮式、辊道式，都有热气流的流动、干燥问题，因而其 工作原理 及效果其实也是流体力学的应用问题。漂浮于生产车间内的粉尘收集以及有害气体的排放等技术都要靠流体力学的应用技术来完成。应用流体力学原理制造的装备可称为流体设备或流体机械，包括风机、泵、管路等等。 当前，针对陶瓷工业的流体力学应用技术与设备的研究开发是不够的、 很不充分的，有志者， 可在此多下功夫。 中国陶瓷网
15、综合讯 现代化工业生产传统陶瓷产品过程中，流体力学是 被最为广泛应用的一门学科。广为使用的喷雾干燥法制备颗粒状粉体技术的设备就是喷雾干燥器。 按此器的工作原理 和设备形成或作出的力学模型可看作是一根变径的圆形管道， 热空气从顶部经分风器注入塔 体，雾化泥浆从塔身注入，泥粉从塔底卸出，水蒸汽、粉尘经旋风除尘器排出，可谓二进二 出。此过 程一直保持着物料平衡、 热平衡。物流的原动力全靠排风机的作用， 管道直径的变 化造成不同位置流速的变化，为完成工艺过程提供条件。排风机一停，则设备运行全部停止。 喷雾干 燥技术实际上就是流体力学的应用技术。一座辊道窑，实际上是一座应用流体力学原理工作的设备， 辊道是砖坯运行的载体，通 过技术手段控制好温度、 压力、气氛，完成坯体煅烧工艺， 其力学模型可看作是一根扁平的 变截面 的矩形长管。窑炉气流的原动力全靠风机的作用。所有的干燥器，包括烘房式、吊篮式、辊道式，都有热气流的流动、干燥问题，因而其 工作原理 及效果其实也是流体力学的应用问题。漂浮于生产车间内的粉尘收集以及有害气体的
