研究得最早可能也最多的是管道流動中的損失。

導讀

流動損失的全稱應該叫流動中的機械能損失，是流動中機械能不可逆地轉化為(wei) 熱能的現象。與(yu) 固體(ti) 運動中的機械能損失類似，流動損失也來源於(yu) 摩擦作用，隻不過這種摩擦作用不止發生在邊界上，而是幾乎發生在流體(ti) 內(nei) 部的所有地方。減小流動損失，就是要減小流體(ti) 內(nei) 部的摩擦作用，也就是減小流體(ti) 內(nei) 部各處不必要的加減速和摻混。

01. 所謂流動損失

可能很多人在中學時才第一次接觸到能量損失這個(ge) 概念，兩(liang) 個(ge) 小球的彈性碰撞沒有動能損失，塑性碰撞就有動能損失。這裏所說的損失，並不是說能量消失了，而是能量從(cong) 好用的能量變成了不好用的能量。

能量可以分為(wei) 機械能、熱能、電能、化學能、核能等，這其中最不好用的就是熱能。本書(shu) 講的是流體(ti) 力學，所以隻討論機械能和熱能（即流體(ti) 的內(nei) 能）的相關(guan) 問題。

讓機械能轉化成熱能很簡單，而讓熱能轉化成機械能卻很困難，因此我們(men) 說，機械能是高品位的能量，熱能是低品位的能量。有些情況下，機械能轉化成了熱能就沒辦法再轉化回來了，這時就說機械能損失了。

例如，小球在地麵上彈跳並最終靜止，小球變熱，但靜止的小球是不可能通過降溫重新彈跳起來的。流體(ti) 在流動中會(hui) 與(yu) 壁麵產(chan) 生摩擦，流體(ti) 之間也有摩擦，相應地就會(hui) 產(chan) 生機械能損失，稱為(wei) 流動損失。

02. 流動損失的原理

流體(ti) 微團在移動過程中隻要發生了變形，就會(hui) 產(chan) 生機械能與(yu) 內(nei) 能之間的轉化。變形分為(wei) 兩(liang) 種：一種是體(ti) 積變形；另一種是角變形。純粹的壓縮和膨脹這類體(ti) 積變形是可逆的，即機械能轉化成的內(nei) 能還可以轉化回機械能。而角變形則不同，流體(ti) 發生角變形的過程是機械能單向地轉化為(wei) 內(nei) 能，這個(ge) 過程是不可逆的，或者說產(chan) 生了流動損失。

因此，流動損失產(chan) 生於(yu) 含有角變形的流動中。

03. 摩擦損失

摩擦損失特指流體(ti) 和固體(ti) 之間摩擦引起的損失，這個(ge) 概念是從(cong) 固體(ti) 之間的摩擦來的。然而，流體(ti) 在和固體(ti) 接觸的邊界上存在著無滑移條件，即流體(ti) 和固體(ti) 之間並沒有相對運動，因此流體(ti) 中的摩擦損失都是流體(ti) 之間的摩擦產(chan) 生的。

04. 摻混損失

摻混損失特指發生在遠離壁麵的流體(ti) 之間的摩擦引起的損失。例如，分離區、尾跡、射流等流動都會(hui) 產(chan) 生摻混損失。

在絕大多數流動中，流體(ti) 在壁麵附近的角變形是最嚴(yan) 重的。因此，對某一團流體(ti) 來說，摩擦引起的損失通常大於(yu) 摻混引起的損失。然而，多數流體(ti) 並不流經壁麵附近，隻有少量流體(ti) 有摩擦損失。當流動有分離時，就會(hui) 有大量流體(ti) 被卷入其中產(chan) 生摻混損失。所以，從(cong) 總效果上看，很多流體(ti) 機械的摻混損失都比摩擦損失大。

05. 激波損失

氣體(ti) 經過激波時，在很短的距離內(nei) （與(yu) 分子自由程相當）被突然壓縮，過程不符合流體(ti) 力學定律，而應該用基礎物理學解釋，這超出了一般流體(ti) 力學知識的範圍。如果仍然把氣體(ti) 當作連續的流體(ti) 來考慮，可以這樣理解激波損失：如果說沒有損失的壓縮對應完全彈性變形，則激波壓縮含有塑性變形，一部分機械能不可逆地變成了內(nei) 能，這就是激波損失。

06. 管路損失

管道的流動損失是工程上最常遇到的流動問題之一。通常把管道的流動損失分為(wei) 沿程損失（Friction Losses）和局部損失（Minor losses）兩(liang) 類。從(cong) 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，因為(wei) 這部分損失可能一點都不Minor。

07. 總結

和流動阻力對應，流動損失也是流體(ti) 工程師們(men) 日常需要處理的問題。對於(yu) 各種管路、泵與(yu) 風機、各類熱機、空調、給排水、暖氣、通風等設備，都需要優(you) 化設計以減小流動損失。而對於(yu) 閥門等部件，則需要的是損失恰好滿足需求的設計。

流動損失一般不容易用簡單的理論分析得出定量結果，多數情況都需要用數值模擬或者實驗。目前的數值模擬對於(yu) 流動損失的計算還不是很有把握，實驗測量仍然是重要的一環，工程上存在著很多用於(yu) 損失估算的經驗公式，基本都是根據實驗數據總結出來的。