1.1　概述

1.1.1　流體流動中的作用力

連續(xù)性　流體由大量單個分子組成，彼此間有一定間隙。但是，工程上關心的是流體的宏觀運動，可將流體看作是由無數(shù)質(zhì)點組成的、彼此間沒有間隙的連續(xù)介質(zhì)，即流體是連續(xù)的。這樣，可用連續(xù)函數(shù)描述流體的物理性質(zhì)及運動參數(shù)。例如，對于速度，可作如下描述

u_x=f_x（x，y，z，t），　u_y=f_y（x，y，z，t），　u_z=f_z（x，y，z，t）　　（1-1）

式中，x、y、z為位置坐標；t為時間；u_x、u_y、u_z為坐標點的速度在三個坐標方向上的分量。

定態(tài)流動　若流體運動空間各點的狀態(tài)不隨時間變化，則該流動被稱為定態(tài)流動。反之，為非定態(tài)流動。

流線　同一時刻不同流體質(zhì)點在速度方向上的空間連線就是流線。流線上切線表示切點流體的速度方向，如圖1-1所示。

控制體　制藥生產(chǎn)中往往關心某些固定空間（如某一設備）中的流體運動。當劃定一固定的空間體積來考察問題時， 該空間體積稱為控制體。

流動中的流體受到的作用力可分為體積力和表面力兩種。

體積力　體積力作用于流體的每一個質(zhì)點上，并與流體的質(zhì)量成正比，也稱質(zhì)量力，對于均質(zhì)流體也與流體的體積成正比。重力與離心力都是典型的體積力。

表面力——壓力與剪力　表面力與表面積成正比。表面力可分解為垂直于表面的力和平行于表面的力。前者稱為壓力，后者稱為剪力（或切力）。單位面積上所受的壓力稱為壓強；單位面積上所受的剪力稱為剪應力。

壓強的單位　壓強用p表示，其單位是N/m²， 也稱為帕斯卡（Pa），其10⁶倍稱為兆帕（MPa），即

1MPa=10⁶Pa

工程上常用兆帕作壓強的計量單位。

密度　體積力與密度密切相關。單位物質(zhì)體積具有的質(zhì)量稱為密度，用ρ表示，其單位是kg/m³。液體的密度隨壓強變化很小，當壓強不是很大時，它可視作與壓強無關，稱為不可壓縮流體。

氣體的密度隨壓強和溫度變化，稱為可壓縮流體。壓強不是很大時，可按理想氣體狀態(tài)方程計算氣體密度

　　（1-2）

式中，m為質(zhì)量，kg；V為體積，m³；M為摩爾質(zhì)量；R為氣體常數(shù)，R=8.314kJ/（kmol·K）；T為熱力學溫度，K。

剪應力　設有間距甚小的兩平行平板，其間充滿流體（見圖1-2）。

下板固定，上板施加一切向力F 使平板以速度u作勻速運動。流體在固體表面不會滑脫，保持與固體表面相同的速度，板間各層流體的速度大小不同，如圖中箭頭所示。對大多數(shù)流體，單位面積的切向力F/A，即剪應力τ服從下列牛頓黏性定律

　　（1-3）

式中，為法向速度梯度，1/s；μ為流體的黏度，N·s/m²，即Pa·s；τ為剪應力，Pa。

黏度　黏度因流體而異，是流體的物性。式（1-3）表明，相鄰流體層的速度只能連續(xù)變化。黏性的物理本質(zhì)是分子間的引力和分子的運動與碰撞。常用流體的黏度可從附錄查取。通常液體的黏度隨溫度增加而減小。氣體的黏度通常比液體的黏度小兩個數(shù)量級，其值隨溫度上升而增大。

黏度的單位是Pa·s， 較早也常用泊（達因·秒/厘米²）或厘泊（0.01泊）表示。其間的關系為

黏度μ和密度ρ常以比值的形式出現(xiàn)，為簡便起見，定義

　　（1-4）

ν稱為運動黏度，在SI單位中以m²/s表示，CGS單位為沲（厘米² /秒），其百分之一為厘沲。為示區(qū)別，黏度μ又稱為動力黏度。

理想流體　當流體無黏性，即μ=0時，稱為理想流體。實際流體都有黏性。

1.1.2　流體流動中的機械能

流體所含的能量包括內(nèi)能和機械能。流動流體中除位能、動能外還存在另一種機械能——壓強能。流體在重力場中運動時，如自低位向高位對抗重力運動，流體將獲得位能。與之相仿，流體自低壓向高壓對抗壓力流動時，流體也將由此而獲得能量，這種能量稱為壓強能。流體的壓強能也稱為流動功。流體流動時將存在著三種機械能的相互轉(zhuǎn)換。

氣體在流動過程中因壓強變化而發(fā)生密度變化，從而在內(nèi)能與機械能之間也存在相互轉(zhuǎn)換。

1.1.3　流體輸送機械的分類

制藥生產(chǎn)涉及的流體可能是強腐蝕性的、易燃易爆的、溫度很高或很低的、或含有固體懸浮物的，其性質(zhì)千差萬別。在不同場合下，對輸送量和補加能量的要求也相差懸殊。依作用原理不同，可將流體輸送機械作如下分類。

動力式（葉輪式）：包括離心式、軸流式等。

容積式（正位移式）：包括往復式、旋轉(zhuǎn)式等。

其他類型：指不屬于上述兩類的其他型式，如噴射式等。

氣體的密度及壓縮性與液體有顯著區(qū)別，從而導致氣體與液體輸送機械在結(jié)構(gòu)和特性上有不同之處。