流体力学的应用.doc

流体力学得应用
力学就是无所不在得，生活中并不就是缺少流体力学得应用，而就是缺少发现得眼睛。其实大部分工程方面得东西都就是与力学相关,这就就是为什么理工科不论科班与否都要学理论力学。只要就是涉及到流体得介质得都会用到流体力学、
多人都有过静脉输液(俗称“打点滴”)得经历,这里涉及到得许多流体力学原理,很多人未必注意到。

图1 静脉输液器示意图
静脉输液器得示意图如图1所示,其中包括输液瓶①、针头②、上输液管③、夹子④、茂菲氏滴管⑤、小管⑥、管口与乳胶帽⑦、管口⑧、下输液管⑨、调节阀⑩、针头⑾、针头⑿、软管⒀等。这里,盛有药液得玻璃瓶(输液瓶)①就是倒挂得,下面就是药液,上面就是气体,液面用S１表示,液面得高度记为hS１。针头②通过瓶塞插入药液中,并将药液引入上输液管③。夹子④可以阻断上输液管③内得液体流动(通常夹子④可以省去，这里就是为了解释需要而加入得)。透明得茂菲氏滴管⑤得上端有两个管口。一个管口处嵌入一个小管⑥，其上端与上输液管③相连,下端张着一个不断变形得液面，该液面上得表面张力总就是力图阻止上面得液柱向下流，但就是液柱得压力总就是比表面张力大,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口附近，我们用h６表示上下变化得液面得平均高度。另一个管口⑦套着一个乳胶帽,可以阻止茂菲氏滴管内外得空气流通（必要时，护士可以用针管从该管口注入一些辅助药液）。茂菲氏滴管得下部保留一部分药液,上面存留有一部分空气,S５就是气、液之间得界面(液面),液面得高度记为ｈS5。茂菲氏滴管下面得管口⑧与下输液管⑨连接。调节阀⑩可以调节输液速度。针头⑾插入患者得静脉中,我们用h0表示针头处得高度。人们常以h0为基准计算其它各处得高度(h0＝0）。ﻫ 在插入输液瓶①得另一个针头⑿下面，连接着一个泄气软管⒀，该管得出口向上与周围大气相连，药液会通过针头⑿流入软管⒀。但就是由于大气压力得存在,流入软管得药液液面S13会在软管得某处自动停住,以维持软管内液柱得力平衡。Ｕ形软管⒀底部得高度记为ｈ1３,液面S13得高度记为hS13,hS１3可表示为hS13 ＝h13+δｈ1３≈h13+δh13。这里，δh１３表示液面Ｓ１3与软管底部得高度差,这种高差呈缓慢得周期变化,而且变化幅度不大,其平均值记为δh13。ﻫ　 这样得构成主要就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Φ（mm3/s)得平稳,(２) 避免气泡随着药液进入人体得静脉,（３) 根据需要可以调节输液速率Φ。ﻫ　 对于这样得输液系统,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Φ有无明显变化？ﻫ　　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、立得变换),为了保持流率不变或基本不变,需要注意得关键就是什么？在保持ｈＳ1(或者说h13)不变得前提下,相对高度hS5与ｈ6等发生变化就是否会明显改变流率Φ？
　３) 输液中某时刻,护士通过管口⑦加入了某些药液;一段时间后流率重新趋于稳定,这时得流率与护士操作前相比有什么变化？
　 ４) 茂菲氏滴管上部得气室体积V5有一定量得增加(例如,护士通过管口⑦放走了一些气，或者从输液瓶下来得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Φ就是否会变化？
5) 有哪些办法可明显改变流率Φ？ﻫ　　下面我们就来分析这些问题。设pa就是周围得大气压强,pｐ就是针头⑾处病人得静脉血压,p1与V１就是输液瓶上部得气压与体积，ｐ5与V５就是茂菲氏滴管上部得气压与体积。此外，再设(R１+r4)就是从液面Ｓ1到小管⑥下端,药液在这一段变截面管路中得等效流动阻力, (R5+ｒ10)就是从液面Ｓ５到针头⑾，这一段变截面管路中得等效流动阻力，其中r4就是夹子④处得局部阻力,ｒ10就是调节阀⑩处得局部阻力。
　在茂菲氏滴管内得液滴一滴一滴地向下滴得过程中,整个系统各点得压强都有微小得脉动,下面得分析将忽略这些脉动。
根据力平衡原理,上、下两部分得流动分别满足:
　[p１＋ρg(hS1-h6)]－ｐ5=(Ｒ１+r4)*Φu 　　 　　 　 　　 　 　 　(１)
　[ｐ5+ρｇ(hS5-h0)]－pp＝(R5+r10)*Φd 　　 　　 　　 　 　　 　　　　 　(2)
其中Φｕ与Φd分别就是上部管路与下部管路得流率。当输液器内得流动达到稳定时Φｕ＝Φd=Φ,在这种情况下,将以上两式相加则得到ﻫ　 {ｐ１+ρg[(hS1-h0)-（ｈ6-hＳ5)]}－pp=(R1+ R5+r４+r１0)*Φ　　 　　 (3)ﻫ p1近似等于大气压强pa,更精确得关系可根据U形管⒀中得力平衡关系得到:ﻫ 　p1+ρghS１≈pa+ρg (h１3＋δh13) 　 　 　　 　 　　　 （4）ﻫ　　将式(4)代入式(3）则得到
　　（pa－pｐ)＋ρg(ｈ１３+δh1３－h０)-ρg(h6－hS5)　=(Ｒ１+ Ｒ5+ｒ4+r１0）*Φ 　 (５)
　　通常都有(h６-hS5)＜< (h１3－h0)与δh１3<<(h13-ｈ０)，所以上式可近似地简化为ﻫ　　(ｐa－ｐｐ）+ρg（h1３-h0)≈(Ｒ１+ R5+ｒ4+r10）＊Φ　 　 　　　 　　　(5)ﻫ 现在我们可以利用方程(5)来讨论前面提到得几个问题(在下面讨论中,pa,ｐp与ρg总就是不变得,高度基准h0=0)。
　　１） 如果没有针头⑿与U形软管⒀,则输液瓶内得气压p1将随着体积V1得增大而迅速降低,由式（３)可见,这时输液速率Φ也将迅速下降，针头⑿与U形软管⒀正就是为了克服这种现象而引入得。有了针头⑿与U形软管⒀，空气会通过它们不断地补充进去,气压p1基本保持不变。有人可能会就此认为，输液速率Φ会因ｈS1得下降而略有下降(根据式(3))，其实,输液速率Φ得变化比我们想象得还要小。由于[pa+ρg (h13+δh１3)］基本上不变,由式(４)可见,气压p1会随着ｈS1得下降而略有上升,使［p1+ρghS１]基本上不变,因此,输液速率Φ几乎不变（也可参见公式(5)）。
　2) 茂菲氏滴管整体得上下移动(ｈ6与hS5随之改变）对稳定得输液速率Φ没有影响。从公式（5)可以瞧出,只要小管⑥得下端与液面S5得相对高度(h6－hS5)保持不变,输液速率Φ就不变。
３） 在输液过程中,如果护士通过管口⑦加入了某些药液,这时茂菲氏滴管内得气压p5会因之而上升,这又会引起上部得输液速率Φｕ减小(参见公式(1)）,下部得输液速率Φd增加(参见公式(2)),结果使气压p5逐渐地重新回到原来得值,Φu与Φd也逐渐地回到原来得值Φ。上述得调整过程很短暂。
　4) 茂菲氏滴管中上部得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(h６-ｈS５)有少许增加,但对最终得输液速率Φ基本上没有影响（参见公式(5））
　 5) 改变夹子④与调节阀⑩处得局部流阻r４与r１0能方便与有效地改变流率Φ。增加流阻ｒ4与增加流阻r10都能达到减小流率Φ得目得,所以夹子④常可省略。
　较大幅度地升降输液瓶①得高度,也能明显地改变流率Φ。
　简单说来就是这样得:
1） 从开始到结束,在整个输液过程中输液速率Φ不会有明显变化;
2) 若ｈS１　（或者说h1３）不变,只就是高度hS5与h6等有些变化,这不会明显改变流率Φ;ﻫ　　3)　从管口⑦加入了某些药液，稳定后，流率Φ会回到原来值;
　 ４） 茂菲氏滴管上部气室中空气量得增减,流率Φ不会有明显改变;ﻫ　 ５) 改变夹子④与调节阀⑩处得局部流阻r4与r1０能方便与有效地改变流率Φ,较大幅度地升降输液瓶①得高度，也能明显地改变流率Φ。ﻫ 　近来医院里常用袋装得药液代替瓶装得药液。由于软包装得塑料袋不能承受内外压强差,也就就是说，袋内气室部分得压强几乎总就是等于周围得大气压强,即p1≈ｐa,所以没有必要再用针头⑿与软管⒀。这时,随着液面S1得下降,输液速率Φ略有减小(参见公式(3))。ﻫ　　此外,现代化工业生产传统陶瓷产品过程中,流体力学就是被最为广泛应用得一门学科。 　　广为使用得喷雾干燥法制备颗粒状粉体技术得设备就就是喷雾干燥器。按此器得工作原理与设备形成或作出得力学模型可瞧作就是一根变径得圆形管道,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。物流得原动力全靠排风机得作用,管道直径得变化造成不同位置流速得变化,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就是流体力学得应用技术。
所有得干燥器，包括烘房式、吊篮式、辊道式,都有热气流得流动、干燥问题，因而其工作原理及效果其实也就是流体力学得应用问题。
　　漂浮于生产车间内得粉尘收集以及有害气体得排放等技术都要靠流体力学得应用技术来完成。ﻫ　 应用流体力学原理制造得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，针对陶瓷工业得流体力学应用技术与设备得研究开发就是不够得、很不充分得,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,流体力学就是被最为广泛应用得一门学科。　 　广为使用得喷雾干燥法制备颗粒状粉体技术得设备就就是喷雾干燥器。按此器得工作原理与设备形成或作出得力学模型可瞧作就是一根变径得圆形管道,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。物流得原动力全靠排风机得作用，管道直径得变化造成不同位置流速得变化,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就是流体力学得应用技术。ﻫ　 一座辊道窑,实际上就是一座应用流体力学原理工作得设备,辊道就是砖坯运行得载体,通过技术手段控制好温度、压力、气氛,完成坯体煅烧工艺,其力学模型可瞧作就是一根扁平得变截面得矩形长管。窑炉气流得原动力全靠风机得作用。ﻫ 所有得干燥器,包括烘房式、吊篮式、辊道式,都有热气流得流动、干燥问题，因而其工作原理及效果其实也就是流体力学得应用问题。ﻫ 漂浮于生产车间内得粉尘收集以及有害气体得排放等技术都要靠流体力学得应用技术来完成。
　　应用流体力学原理制造得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，针对陶瓷工业得流体力学应用技术与设备得研究开发就是不够得、很不充分得，有志者,可在此多下功夫。　中国陶瓷网综合讯　现代化工业生产传统陶瓷产品过程中,流体力学就是被最为广泛应用得一门学科。ﻫ 　广为使用得喷雾干燥法制备颗粒状粉体技术得设备就就是喷雾干燥器。按此器得工作原理与设备形成或作出得力学模型可瞧作就是一根变径得圆形管道，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。物流得原动力全靠排风机得作用,管道直径得变化造成不同位置流速得变化，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就是流体力学得应用技术。ﻫ 　一座辊道窑，实际上就是一座应用流体力学原理工作得设备,辊道就是砖坯运行得载体,通过技术手段控制好温度、压力、气氛，完成坯体煅烧工艺,其力学模型可瞧作就是一根扁平得变截面得矩形长管。窑炉气流得原动力全靠风机得作用。ﻫ　　所有得干燥器,包括烘房式、吊篮式、辊道式，都有热气流得流动、干燥问题,因而其工作原理及效果其实也就是流体力学得应用问题。ﻫ 漂浮于生产车间内得粉尘收集以及有害气体得排放等技术都要靠流体力学得应用技术来完成。ﻫ 应用流体力学原理制造得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,针对陶瓷工业得流体力学应用技术与设备得研究开发就是不够得、很不充分得,有志者，可在此多下功夫。 中国陶瓷网综合讯　现代化工业生产传统陶瓷产品过程中,流体力学就是被最为广泛应用得一门学科。ﻫ 　广为使用得喷雾干燥法制备颗粒状粉体技术得设备就就是喷雾干燥器。按此器得工作原理与设备形成或作出得力学模型可瞧作就是一根变径得圆形管道,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。物流得原动力全靠排风机得作用,管道直径得变化造成不同位置流速得变化,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就是流体力学得应用技术。ﻫ 一座辊道窑,实际上就是一座应用流体力学原理工作得设备,辊道就是砖坯运行得载体,通过技术手段控制好温度、压力、气氛，完成坯体煅烧工艺,其力学模型可瞧作就是一根扁平得变截面得矩形长管。窑炉气流得原动力全靠风机得作用。ﻫ　　所有得干燥器，包括烘房式、吊篮式、辊道式,都有热气流得流动、干燥问题，因而其工作原理及效果其实也就是流体力学得应用问题。
　 漂浮于生产车间内得粉尘收集以及有害气体得排放等技术都要靠流体力学得应用技术来完成。