描述和計量流體流動與泄漏的新系統性量和單位

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物理量是現象、物體或物質的可量化屬性，分為基本量和導出量。基本量是人為規定的因而均不可用其它量表達，導出量是可用其它量表達或定義的量。系統內的基本量和導出量通過定律及其方程相關聯[1]。任何物理現象、物體或物質的變化都只有通過量的表達式才能致其被充分描述、理解、控制和利用。

1 流體的流動[2-3]

除流阻和流抗與電阻和電抗的產生機理不同外，流路中的流體分子流動猶如電路中的電子流動。流路中的流體流，與電路中的電流對應，是由與電壓對應的流體壓力和與電阻抗對應的流阻抗決定的。流體流與流路兩端間的流體壓力成正比，與流路兩端間的流阻抗成反比。流阻抗是流路兩端間的流阻與流抗的代數和。流阻為度量流體流的外周阻力的物理量，流抗為度量流體流的正面阻力的物理量，漏阻為度量密封緊密度的物理量，它們有相同的計量單位，為單位流體流(單時間內單位容積流體)流過流阻、流抗或漏阻所需的持續壓力。因此，流體流×流阻 = 被流阻耗損的壓力(能)，流體流×流抗 = 被流抗轉換為動能的壓力(能)，流體流×漏阻 = 被漏阻耗損的壓力(能)，流體流× (流阻+流抗) = 流過流路所需的總壓力。

2 流體流動系統物理量的名稱、定義、符號和單位[2-5]

10余年來，筆者一直致力于流體泄漏和流體流動的研究，研究形成并發表了多篇論文，論文的內容涉及密封定律、密封定理、密封結構理論及流體的流動規律。

基于文獻[2]和文獻[3]的論文，結合文獻[4]和文獻[5]的標準，建立的流體流動系統物理量的名稱、定義、符號和單位詳見表1。

表1 流體流動系統物理量的名稱、定義、符號和單位

注：1)參見ISO 80000-3的3.4條。2)參見ISO 80000-4的4.15.1條。3)流動流體受到正面正負障礙撞擊時，其部分靜壓力(能)和動能將分別無損地轉換成其動能和靜壓力(能)，因此，流動流體中的總壓力(能)p= (ps?Δps) + (pd±Δps)。4)由于流速的單位m/s =m3/m2/s，即流體的流速可為單位時間流過單位橫截面積的流體容積，因此，定義為單位時間流過一個橫截面的流體容積的流體流IF=C/t=vA，其中v為流速，A為橫截面積，C為時間t內流過橫截面的流體容積。5)IL=C/t，其中C為時間t內流過密封節的流體容積。6)由于Pa·s = N·s/m2，即Pa·s為單位面積上的恒力沖量(N·s)，因此，某個容積流體流過某段流路所需的恒靜壓力ps和時間t之積(pst)為恒壓(力)沖量。

由表1中流體流速定義可知，流速dvx= dC/dA/dt，其中dC為時間dt內流過橫截面dA的流體容積，即dvx為單位時間流過單位橫截面積的流體容積，因此，進一步由ISO 80000-4：2006 (4.23項)對動力黏度η的定義式τxz=ηdvx/dz=ηdC/dA/dt/dz=ηdC/dAdzdt=η/dt可知，最終的黏度定義式η=τxzdt是約去原始定義式分子和分母中的最大公約數dC=dAdz后的結果，即黏度η與流體流過橫截面積dA的容積dC和時間dt之比IF(IF= dC/dt)無關(因為IF隨剪切應力τxz或壓力ps大小而變)，只與單位容積流體流過單位橫截面積所需的恒靜壓和時間之積(恒壓沖量τxzdt=pst)有關。也就是說，此前用流體流IF的大小辨別黏度和與黏度有關的流阻、漏阻(緊密度)等都是錯的[6]。由于恒壓下單位容積流體流過單位橫截面積的時間越長，表明流體的黏度(pst)越大，反之亦然，因此，與同單位的流阻對應，可定義單位容積流體流過單位橫截面所需的恒壓沖量(pst)為動力黏度η。

在某種條件下，其后面受到撞擊的慢速物體將快起來，其前面受到質量更大的慢速物體阻擊的快速物體將慢下來與慢速物體同步運動。同樣道理，受到縮口靜止端面撞擊的管路流體將快起來流走，受到擴口內的大量慢速流體阻擊的快速流體也將慢下來與慢速流體同步流動。快起來的物體和流體的動能將增加，慢下來的物體和流體的動能將減小。顯然，快起來的流體動能增來自其壓力(能)減，慢下來的流體動能減將致其壓力增，否則將打破能量守恒。也就是說，在理論上，流體在流經縮口和擴口成對出現的正負障礙(如閥門)時，無任何壓力(能)損失，在流經單個正負障礙時，雖有壓力變化但卻無任何能量損失。然而，現有流體力學卻將管壁所致的管道流體壓力(能)損失叫沿程損失，將管截面形狀變化形成的局部障礙所致的管道流體壓力(能)降叫局部損失[7-8]。不過，現有流體力學所說的“在整個管路系統中，沿程損失是主要的，局部損失是次要的”[8]，似乎又有點否定“管截面形狀變化形成的局部障礙所致的管道流體壓力(能)降”是一種能量損失的含意。所以說，現有流體力學有關湍流或紊流的說法是在未發現流抗物理量之前的非科學說法。

其實，雷諾在其1883年的實驗中觀察到的所謂層流為有色流體在不低于和不顯著低于其壓力的包圍流體中的無橫向擴散流動，所謂湍流為有色流體在顯著低于其壓力的包圍流體中的有橫向擴散流動，因為有色流體的壓力是固定不變的，包圍流體的壓力是隨流速不斷增加而從稍高于有色流體的壓力不斷下降至顯著低于有色流體壓力的。也就是說，雷諾實驗中的有色流體在高速包圍流體中的有橫向擴散流動，完全不能說明包圍流體本身在高速時也有橫向擴散流動。

3 結語

密封緊密度即漏阻是7個基本物理量以外的導出量，是由密封或泄漏定律確立的，為恒壓狀態下壓力容器或系統穿過密封節漏出單位容積流體所耗的時間t與靜壓力ps之積[2]，絕對不是現有國際標準ISO 5208：2015 《Industrial valves — Pressure testing of metallic valves》按任意規定基本量那樣，任意規定為某個壓力下的泄漏率的倒數[6]。

流抗也是7個基本物理量以外的與流阻和漏阻有相同計量單位的導出量，是由能量守恒定律確立的，為單位容積流體流過某段流路克服正面阻力所需的恒壓沖量，或為單位時間單位容積流體流過某段流路克服正面阻力所需的恒靜壓力[2]。因此，根據流抗的科學定義，管路的縮口(段)對流經流體的正面阻力所致的流抗，將致流經流體有一個壓力降。也就是說，管路流體在縮口(段)的壓力降應是由管路的流抗所致，而不是現有流體力學所說的是由縮口(段)的湍流或紊流所致[7-8]。