作者:贾志谦 编著
出版社:化学工业出版社
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化学工程漫谈试读:
前言
化学工程学主要研究化学工业和其他过程工业中化学过程和物理过程的共同规律,包括单元操作、化学反应工程、传递过程、化工热力学、化工系统工程等多个分支。在高等教育中,化学工程学是化学工程与技术、环境科学与工程、食品科学与工程、轻工技术与工程、化学等多个一级学科及其相关专业的重要基础课程。
本书分为化学工程学发展简史、流体流动与输送机械、传热过程、传质过程、化学反应工程、化学工艺学六章,每章主要由以下五方面内容组成:①化学工程的发展历史,介绍了流体力学、传热学、传质学、化学反应工程、石油化工等的发展历史,从中可以了解知识的形成过程和创新方法;②著名科学家简介,介绍了雷诺、伯努利、普朗特、傅里叶、努塞尔、刘易斯等数十位与化学工程有关的科学家的生平和主要贡献,读者可以从中获得人生启迪和激励;③化工知识的应用,介绍了风阻系数、风寒指数、潜水减压病等几十例化工知识的应用,可以提高读者运用化工理论知识分析和解决实际问题的能力,扩大知识面;④化工新技术,介绍了热管、热泵、膜吸收、膜蒸馏、分子精馏等化工新技术,可以使读者了解化工的最新进展,开拓思路;⑤化工知识的扩展,介绍了化工经济学、化学工程中的共性方法、化工中经济性原则的应用等内容。在附录中介绍了世界著名的化学品公司、化学工程学科和化学学科重要的国际学术期刊、世界大学化学工程专业和化学专业排名等内容。本书力求将科学性、知识性和趣味性融为一体,可以作为教师教学和学生学习的教学参考书,也可供化学工程技术人员参考。
在编写过程中,本书责任编辑对本书的选材和编写提出了很多宝贵意见,对本书的出版做了大量细致的编审工作,谨此表示诚挚谢意。本书在编写中参考了中国大百科全书等中外文献以及维基百科、百度百科、互动百科等网络资源,在此表示衷心感谢。由于化学工程内涵丰富,应用广泛,加之笔者水平有限,书中难免存在错误和不妥之处,敬请读者批评指正。贾志谦2015年5月于北京1 化学工程学发展简史
化学工程学主要研究化学工业和其他过程工业中化学过程和物理过程的共同规律,包括单元操作、化学反应工程、传递过程、化工热力学、化工系统工程等多个分支。本章简要介绍了化学工程学的发展历史。1.1 单元操作
过滤、蒸发、蒸馏、结晶、干燥等操作具有悠久的历史。五千年前,中国人已利用日光蒸发海水制盐,埃及人已开始酿造葡萄酒,并用布袋过滤葡萄汁,但这些操作都是规模很小的手工作业。19世纪下半叶,法国大革命时期出现了路布兰法制碱,标志着化学工业的诞生。19世纪70年代,制碱、硫酸、化肥、煤化工等都已有了相当规模。例如,索尔维法制碱中所用的碳化塔高达20余米,在其中同时进行化学吸收、结晶、沉降等过程。
英国曼彻斯特地区的制碱业污染检查员戴维斯(George E.Davis,1850—1906,图1-1)指出:化学工业发展中面临的许多问题往往是工程问题;各种化工生产工艺,都是由蒸馏、蒸发、干燥、过滤、吸收和萃取等基本操作组成的,可以对其进行综合研究和分析;化学工程将成为继土木工程、机械工程、电气工程之后的第四门工程学科。也许是因为人微言轻,戴维斯的观点在英国并没有受到重视,1880年他发起成立英国化学工程师协会也未获成功。1887—1888年,戴维斯在曼彻斯特工学院作了12次演讲,系统阐述了化学工程的任务、作用和研究对象。这些演讲的内容陆续发表在曼彻斯特出版的《化工贸易杂志》上,戴维斯在此基础上写成了《化学工程手册》,于1901年出版,这是世界上第一部阐述各种化工生产过程共性规律[2]的著作。[1]图1-1 George E.Davis
戴维斯的观点在美国却产生了较大影响。1888年,根据L.M.诺顿教授的提议,麻省理工学院开设了世界上第一门化学工程课程。随后,宾夕法尼亚大学、戴伦大学、密歇根大学也分别于1892年、1894年、1898年相继开设了类似的课程。但这些课程的主要内容是由机械工程和化学构成的,未能揭示化工生产的内在规律。
1908年,利特尔(Arthur D.Little,1863—1935,图1-2)参与发起成立美国化学工程师协会,并担任过该会的主席。1915年,利特尔提出了单元操作的概念:任何化工生产过程,无论其规模大小都可以用一系列单元操作实现。只有将纷繁复杂的化工生产过程分解为若干单元操作进行研究,才能使化学工程专业具有广泛的适应能力。[2]图1-2 Arthur D.Little
1920年,麻省理工学院成立了化学工程系,由W.K.刘易斯任系主任。同年,华克尔(William H.Walker,1869—1934,图1-3)、刘易斯(Warren K.Lewis,1882—1975)和麦克亚当斯(William H.McAdams)撰写了《化工原理》一书的初稿,用于化工系的教学,后于1923年正式出版。该书阐述了各种单元操作的物理化学原理,提出了定量计算方法,并从物理学等基础学科中汲取了对化学工程有用的研究成果(如雷诺关于湍流和层流的研究)和研究方法(如因次分析和相似论),奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础。此后,各种单元操作的专著,如C.S.鲁宾逊的《精馏原理》(1922)和《蒸发》(1926)、刘易斯的《化工计算》(1926)、麦克亚当斯的《热量传递》(1933)、舍伍德的《吸收和萃取》(1937)相继出版。[2]图1-3 William H.Walker
20世纪50年代初,美国化学工程师协会组织开展了蒸馏塔板效率的研究,浮阀塔板、舌形塔板、斜孔塔板等新型塔板相继问世,通过改进设计方法,筛板塔重新获得广泛应用。反渗透、电渗析、超滤等膜分离操作和区域熔炼等提纯技术进入了工业应用,液膜分离等新的分离技术开始进行实验室研究。1.2 化工热力学
在化学工程中,经常需要计算高温高压下气体混合物的p-V-T关系,而经典热力学并没有提供现成的方法。20世纪30年代初,麻省理工学院的H.C.韦伯教授等提出了利用气体临界性质的计算方法,这是化工热力学最早的研究成果。1939年韦伯出版了第一本化工热力学教科书《化学工程师热力学》,1944年耶鲁大学的B.F.道奇教授出版了《化工热力学》,标志着化学工程新的分支学科化工热力学的诞生。
高压过程的普遍采用和传质分离过程设计计算方法的改进,推动了化工热力学关于状态方程和多元汽液平衡、液液平衡及相平衡关联方法的研究,提出了一批获得广泛应用的状态方程(如RK方程、马丁-侯方程)和活度系数方程(如马格勒斯方程、威尔逊方程、NRTL方程)。20世纪70年代后,状态方程和相平衡关联仍然是研究热点,提出了PR方程(1976)、SRK方程(1972)等形式简单而又精确的新状态方程和基于基团贡献原则的UNIFAC方程(1977)等活度系数方程。1.3 化学反应工程
20世纪40年代前期,在重大化工过程(如碳四馏分的分离、丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流态化催化裂化)的开发中,化学工程发挥了重要作用。例如,麻省理工学院的刘易斯教授和吉利兰教授提出了流态化催化裂化的设想,并通过实验证实了在催化裂化反应器和再生器之间连续输送大量固体催化剂的可行性。在化工过程开发中,反应器工程放大的重要性日益显著。利用单元操作的概念处理只包含物理变化的化工操作时比较成功,有人将反应过程按化学特征分为硝化、磺化、加氢、脱氢等单元过程,试图解决工业反应过程的开发问题,但实践证明该方法并没有抓住反应过程开发中工程问题的本质。
1913年哈伯-博施法合成氨投入生产,促进了催化剂和催化反应的研究。1928年钒催化剂成功用于二氧化硫的催化氧化。1936年发明了利用硅铝催化剂进行粗柴油催化裂化。对这些气固相催化反应和燃烧过程的研究,使化学工程师开始认识到工业反应过程中质量传递和热量传递对反应的影响。20世纪30年代后期,德国的G.达姆科勒(1908—1944)和美国的E.席勒分别对反应相外传质和传热以及反应相内传质和传热作了系统研究。20世纪50年代初,提出了一系列重要的概念,如返混、停留时间分布、宏观混合、微观混合、反应器参数敏感性、反应器的稳定性等。1957年在阿姆斯特丹举行的第一届欧洲化学反应工程讨论会上,宣布了化学反应工程学的诞生。20世纪70年代初,出现了处理大量连续组分参与的复杂反应体系的集总动力学方法和聚合反应工程、电化学反应工程等新分支。1.4 传递过程
20世纪50年代,化学工程师认识到,所有单元操作都可视为动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程或它们的结合。在工业反应器中,传递过程对化学反应具有重要影响,对单元操作和反应过程的深入研究,需要掌握传递过程的规律。1957年在普渡大学召开的美国工程学科的系主任会议上,传递过程和力学、热力学、电磁学等被列为基础工程学科,并制定了该课程的详细计划。此后,威斯康星大学教授R.B.博德、W.E.斯图尔德和E.N.莱特富特编写了《传递现象》,并于1960年正式出版,成为化学工程进入“三传一反”时期的标志。20世纪70年代后,高分子化工和生物化工的发展推动了非牛顿型流体传递过程的研究,激光测量、流场显示等新技术开始应用于传递过程研究。1.5 化工系统工程
20世纪50年代中期,电子计算机开始进入化工领域,化工过程数学模拟迅速发展。由对一个过程或设备的模拟,很快发展到对整个工艺流程甚至企业的模拟,在20世纪50年代后期出现了第一代化工模拟系统,使化工系统的整体优化成为可能,形成了化学工程研究的一个新领域——化工系统工程。至此,化学工程形成了比较完整的学科体系。20世纪70年代后,化工系统工程开始对系统综合进行探索,在换热器网络和分离流程的合成方面取得了具有实用价值的成果,20世纪80年代初开发了以ASPEN为代表的第三代化工模拟系统。1.6 新兴交叉学科的形成
近年来,化学工程在与其他学科的交叉渗透中形成了一些新领域。第二次世界大战期间发展起来的青霉素生产,开创了生物化学工程。战后各种抗生素和激素的生产迅速增长,微生物技术用于生产和污水净化。20世纪70年代,分子生物学取得了重组DNA技术等重大成果,开拓了生物化学品和医药品制备的新领域。同时,生物医学工程正在形成,如传质原理用于潜水病的研究,传热原理用于体内热调节的研究,停留时间分布的概念用于分析药物疗效,非牛顿流体流动和渗析的原理用于人工心肺机、人工肾的研制。化学工程与固体物理、结晶化学、材料科学相结合,在化学气相沉积过程等研究中发挥了重要作用。目前,化学工程学的服务对象已由化学工业扩展到冶金、材[3]料、能源、环境、生物等进行物质转化的过程工业。1.7 化工经济学
1926年,美国的C.泰勒出版了《化学工程经济学》,这是世界上第一本化工经济的专著,但当时并未引起应有的重视。20年后,由于第二次世界大战期间和战后化学工业的迅速发展,人们逐渐认识到在开发新产品和新过程中,必须运用化工经济的原理评价和选择方案以及预测未来发展趋势。1948年出版了《化学工程经济学》第三版,内容有了很大充实和更新。化工经济学主要研究化工及其生产过程的经济规律,旨在提高化工过程的设备、能源和资源的利用率以及整体的经济效益,属于一门边缘学科。其研究内容包括:化工的发展规律,与国民经济各部门的关系及其发展战略;根据资源和市场供需情况,研究化工企业的合理布局,企业的厂址选择和经济规模;合理选择原料和工艺路线,进行化工过程的综合分析,寻求最适宜的生产过程方案;研究化工企业投资效果的衡量标准与计算方法,以及提高化工企业投资效果的途径;化工工程项目的投资估算,化工产品的成本组成和价格形成,联产品和副产品的成本计算,定价策略,以及工程投资和生产成本的控制;利用现代技术改造现有企业,提高技术水平和经济效益;化工过程和设备能量综合利用的热力学分析和经济效益分析;化工科研、开发、设计和生产操作控制中的技术问题、经济问题以及经济评价等。1.8 化学与化学工程的关系
化学、化学工程与技术均为一级学科,研究内容和研究方法各不相同,但两者关系极为紧密。化学是在分子、原子层次上研究物质的组成、性质、结构与变化的规律,创造新物质的科学。而化学工程学是在化学产品工业化过程中逐渐形成和发展起来的,其任务是研究化工过程中的共性规律,为工程开发提供理论指导,通过将实验室成果转化为生产力,满足人类物质和精神生活的需要。可以说,化学为化学工程提供工业放大的素材,化学工程为化学的发展提供重要推动力,两者相互依存,相互促进,共同发展。因此,在我国普通高等学[4]校本科化学专业规范中,化学工程学列入了化学教学的基本内容,而在化学工程专业规范中,化学也必然是基本教学内容。参考文献[1]www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/chemica-lengineering.[2]中国大百科全书编辑委员会.中国大百科全书:化工卷.北京:中国大百科全书出版社,2004.[3]李洪钟.聚焦结构、界面与多尺度问题,开辟化学工程的新里程碑.过程工程学报,2006,6:991-996.[4]化学类专业教学指导分委员会.普通高等学校本科化学专业规范(草案).大学化学,2005,20(12):30-42.2 流体流动与输送机械[1]2.1 流体力学发展简史
古希腊的阿基米德建立了浮力定律等理论,奠定了流体静力学的基础。17世纪,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念,牛顿研究了流体中运动的物体所受到的阻力,提出阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比,同时针对黏性流体运动时的内摩擦力提出了牛顿黏性定律。之后,法国皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了实验研究,证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的欧拉采用了连续介质的概念,把静力学中压力的概念推广到运动流体中,建立了欧拉方程,利用微分方程组描述了无黏流体的运动;伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,得到了流体定常运动下流速、压力、管道高程之间的关系,即伯努利方程。
欧拉方程和伯努利方程的建立,标志着流体动力学这一分支学科的建立,从此开始用微分方程和实验测量定量研究流体运动。18世纪,位势流理论有了很大发展,在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面阐明了很多规律。法国拉格朗日对无旋运动、德国赫尔姆霍兹对涡旋运动做了研究。在上述研究中,流体的黏性并不起重要作用,所考虑的是无黏流体。
1823年纳维(M.Navier)提出了流动方程用于不可压缩性流体,1845年斯托克斯(G.G.Stokes)改进了该方程,后称为纳维-斯托克斯(N-S)方程,是描述流体流动的基本方程。欧拉方程是N-S方程在黏度为零时的特例。然而,由于方程复杂,只有少数简单流动才能求解。这种局面直到1883年雷诺(O.Reynolds)提出对流动有决定性影响的无量纲数群(雷诺数)后才得以改观。1880—1883年间雷诺进行了大量实验研究,发现管内流动由层流向湍流的转变发生在雷诺数为1800—2000之间,澄清了实验结果之间的混乱,对指导实验研究做出了重大贡献。
普朗特等从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化,从推理、数学论证和实验测量等角度建立了边界层理论,能计算简单情形下边界层内流动状态和流体同固体间的黏性力。该理论明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时的摩擦阻力。同时,普朗克提出了许多新概念,广泛用于飞机和汽轮机的设计中。20世纪初,飞机的出现极大促进了空气动力学的发展,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家,开创了以无黏不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论,阐明了机翼受到举力,从而将比空气重的飞机托上天空的原理。边界层理论和机翼理论的建立和发展是流体力学的重大进展,使无黏流体理论同黏性流体的边界层理论有机结合起来。20世纪40年代以后,由于喷气推进和火箭技术的应用,飞行器速度超过声速,实现了航天飞行,使气体高速流动的研究进展迅速。[注]
20世纪40年代,关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波形成了新的理论,为研究原子弹、炸药等起爆后激波在空气或水中的传[注]播,发展了爆炸波理论。此后,流体力学出现了许多分支,如高超声速空气动力学、超声速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学等。20世纪60年代,由于结构力学和固体力学的需要,出现了计算弹性力学问题的有限元法,后开始在流体力学中应用,尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂的问题中,优越性更加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题,也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。
在高等学校中,流体力学是化学工程、航空、船舶、汽车、水利、环境工程、给水排水等多个学科和专业的必修内容。2.2 流体静力学2.2.1 托里拆利与大气压计
托里拆利(Evangelista Torricelli,1608—1647,图2-1),意大利物理学家、数学家。1608年10月15日出生于贵族家庭,幼年时表现出数学才能,20岁时在伽利略的得意门生数学家和水力学工程师B.卡斯特里指导下学习数学,毕业后成为他的秘书。1614年,托里拆利来到佛罗伦萨会见了伽利略,此时伽利略已双目失明,终日卧病在床,在他生命的最后三个月里,托里拆利和伽利略的学生维维安尼记录了伽利略的口述,成为伽利略最后一个学生。图2-1 托里拆利
1641年托里拆利发表了第一篇论文《论自由坠落物体的运动》,发展了伽利略关于运动的思想。1644年,托里拆利和维维安尼将一端封闭的玻璃管内装满汞后倒置于盛汞容器中,在玻璃管上端得到了“托里拆利真空”,汞柱高度为大气压。这个实验引起了帕斯卡、盖利克等对大气压研究的兴趣。托里拆利提出了液体从小孔射流的定理:在盛有水的容器中,水面下小孔流出水的速度与小孔到液面高度的平方根以及重力加速度的2倍的平方根成正比。他还提出风源于空气的密度差和温度差。此外,他在磨制精良透镜和将伽利略气体温度计改为液体温度计方面也获得了成功。
托里拆利在数学方面最大的贡献是发展了卡瓦列里的“不可分原理”,后来牛顿和莱布尼兹将其发展为微积分学。他在《几何学文集》中提出了许多新定理,如由直角坐标转换为圆柱坐标的方法、计算规则的板状物体重心的定理,还成功结合力学问题研究几何学。1647年10月25日去世,年仅39岁。为了纪念托里拆利,人们曾将压强单位命名为托(Torr),相当于1mm汞柱(1mm汞柱=133.322Pa)。2.2.2 帕斯卡与帕斯卡定律
帕斯卡(1623—1662,图2-2),法国数学家、物理学家、哲学家。1623年6月19日生于法国多姆山省克莱蒙费朗城。帕斯卡由于工作和学习过于劳累,从18岁起就病魔缠身,1662年8月19日在巴黎病逝,年仅39岁。为纪念帕斯卡,后人用他的名字命名压强的单位。图2-2 帕斯卡
帕斯卡提出大气压强随高度而变化,由于大气压力是由空气重量产生的,因此在海拔越高的地方大气压越低。1648年他让妹夫携带托里拆利气压计到山上测量气压,证实了其设想。帕斯卡建立了流体的帕斯卡定律,指出压强在密封流体内部大小不变地传向各个方向,为流体静力学的建立奠定了基础。他还提出了连通器原理和水压机的最初设想。帕斯卡在数学方面的贡献也很重要。1639年,他在一篇关于圆锥曲线的论文中提出了帕斯卡定理。他还提出了著名的帕斯卡三角形,阐明了代数中二项式展开的系数规律,19岁时发明了利用齿轮进行加减运算的加法器。
欧美国家习惯使用psi作压强单位,psi英文全称为pounds per 5square inch,换算为公制单位为:1bar≈14.5psi(1bar=10Pa)在压力表以及通用的压力装置上通常有MPa和psi两种标识。2.2.3 烟囱的原理和烟囱效应
烟囱大约出现于14世纪,主要作用是促燃拔烟,排走烟气。如图2-3所示,设烟囱内热空气的密度为ρ,烟囱外面冷空气密度为ρ,热冷烟囱顶部大气压为p,烟囱高度为H,则A点和B点压强分别为:2p=p+ρgH (2-1)A2热p=p+ρgH (2-2)B2冷图2-3 烟囱原理
由于ρ<ρ,故p
高层建筑内部设有楼梯间、排风道、送风道、排烟道、电梯井及管道井等竖向井道,当室内温度高于室外温度时,室内热空气因密度小,便沿着这些垂直通道自然上升,透过门窗缝隙及各种孔洞从高层部分排出,室外冷空气因密度大,由低层进入补充,形成烟囱效应。
在烟囱效应的作用下,建筑内的自然通风、排烟排气得以实现,但其负面影响也很多。例如,风沙通过低层部分各种孔洞、缝隙进入楼内,消耗热量并污染室内。当发生火灾时,随着室内空气温度的急剧升高,体积迅速增大,烟囱效应更加明显,此时,各种竖井就成为拔火拔烟的垂直通道,是火灾垂直蔓延的主要途径,助长火势,扩大了灾情。烟气在竖向管井内的垂直扩散速度可达3~4m/s,对于高度为100m的高层建筑,烟火由底层窜至顶层只需30s左右。如果燃烧条件具备,整个大楼顷刻将成为一片火海。2.2.4 液封的应用
液封适用于内外压差不大、不适合安装阀门时的密封,液封用的介质(如水或油)应不与密封气体发生反应。液封应用广泛,厨房或卫生间下水管一般使用带有S弯的管子(图2-4),以阻挡下水道中的异味。在塔器中,如果塔内正压,采用液封可防止塔内气体外漏,造成环境污染或浪费;如果塔内真空,采用液封可防止塔外气体进入塔内。在精馏塔中,塔顶冷凝液回流时,须经过S形回流管,以防止塔内蒸汽逸出。图2-4 下水管的液封2.2.5 压力表
1849年,法国科学家尤金·波登(Bourdon)发明了压力表(pressure gauge),其原理为:被测介质的压力作用于压力表的弹性元件,使其产生弹性变形,经拉杆带动传动机构放大,由指示装置指示被测压力。
普通压力表的弹簧管多采用铜合金(高压表采用合金钢)。氨用压力表弹簧管采用碳钢或不锈钢,不允许采用铜合金,这是因为氨与铜产生化学反应,会引起爆炸。氧气压力表与普通压力表在结构和材质方面可以相同,但是氧用压力表必须禁油,这是因为油进入氧气系统易引起爆炸。氧气压力表校验时,不能采用油作为工作介质,存放中要严格避免接触油污。按所测介质不同,压力表上应印有规定的色标,并注明特殊介质的名称,如氧气表必须标以红色“禁油”字样,氢气表用深绿色下横线色标,氨气表用黄色下横线色标。
隔膜压力表用于测量黏稠或酸碱等特殊介质,其敏感元件由两块连接在一起的圆形波浪状膜片组成,介质压力作用在膜盒腔内侧,产生的变形用来间接测量介质压力。膜盒压力表能测量微压,将几个膜盒敏感元件叠在一起可产生较大的传递力,用以测量极微小的压力。精密压力表的测压弹性元件经过特殊工艺处理,与高精度的传动机构配套调试后,能确保指示精度。精密压力表按精度分为0.25%和0.4%,主要用来校验工业用普通压力表。2.2.6 压力传感器
传感器是将非电量(物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(通常为电量)的装置,由敏感元器件(感知元件)和转换器件两部分组成。根据敏感元器件基本感知功能可分为气敏、热敏、光敏、力敏、磁敏、湿敏、声敏、放射线敏感、色敏等元件。
某些固体材料受到外力作用后,除了产生变形,其电阻率也会发生变化,这种由于应力的作用而使材料电阻率发生变化的现象称为压阻效应。利用压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。利用半导体压阻效应,可设计成多种类型传感器,其中压力传感器和加速度传感器是压阻式传感器的基本形式。
硅压阻式压力传感器,由外壳、硅膜片(硅杯)和引线等组成。硅膜片是核心部分,其外形呈杯状故名硅杯。在硅膜上,采用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻,经蒸镀金属电极及连线,接成惠斯登电桥再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔,另一侧是低压腔,通常和大气相连,也有做成真空的。当膜片两侧存在压力差时,膜片发生变形,产生应力应变,从而使扩散电阻的电阻值发生变化,电桥失去平衡,输出相应的电压,其大小反映了膜片所受压力差值。2.2.7 压强测量的要点
静压强的测量误差与取压孔处流体的流动状态、孔的尺寸、孔的[2]几何形状、孔轴的方向、孔的深度及开孔处壁面的粗糙度等有关。
测压点应尽量选在受流体流动干扰最小的地方。如果在管线上测压,测压点应选在离上游管件、阀门或其他障碍物40~50倍管内径的距离。取压孔尺寸越大,流线弯曲越严重,测量误差也越大。理论上孔的尺寸越小越好,但孔口太小,加工困难,而且也容易被堵塞,使测压的动态性能变差。取压孔孔径一般为0.5~1mm,精度要求较低时,孔径可到1.5~2.5mm,孔的轴线要垂直于壁面,孔的边缘不能有毛刺,孔周围的管道壁面要光滑。
通过取压孔所测压强为取压孔处的静压,为了消除管道断面上各点的静压差及不均匀流动引起的误差,可在取压断面上安装测压环(图2-5),使各个测压孔相互贯通。若管道尺寸不太大,且精度要求不高时,可用单个测压孔代替测压环。取压口至测量仪表间,一般应安装切断阀门,以备检修仪表时使用。图2-5 测压环
当被测介质为气体时,为了防止液体和粉尘进入导压管,取压口应开在管道上半平面,且与垂线的夹角为45°。压强计宜安装在取压口的上方,若测压仪表必须装在取压口下方,则应在导压管的最低点装设沉降器和排污阀,以便排出液体和粉尘。当被测介质为蒸气时,取压口一般开在管道的侧面。当被测介质为液体时,压强计应安装在取压口的下方,使取压口至压强计之间的导压管方向都向下,这样气体就较难进入导压管。如果测压仪表装在取压口上方,则从取压口引出的导压管应先向下铺设,然后再转弯向上接测压仪表,以形成液封,阻止气体进入导压管。
为了不引起二次环流,导压管的管径应细些,但细而长的导压管阻尼作用大,会使测量的灵敏度下降。因此,导压管的长度应尽可能短。当所测压强波动较大时,为了使读数稳定,可关小导压管上的测压阀或将导压管弯成盘形。为了避免反应迟缓,导压管的最大长度不得超过50m。若被测介质为液体,在导压管内不能有气体存在;若被测介质为气体,在导压管内不能有液体存在,否则会造成测量误差。2.3 物料衡算和能量衡算2.3.1 动量传递
在流动的流体中,动量由高速流体层向相邻的低速流体层传递。动量传递影响速度分布和流动阻力的大小,并因此影响热量和质量的传递。动量传递是化工设备研究和设计的基础。动量传递的理论基础是流体力学,主要研究对象是黏性流体流动。动量传递包括两种机理:①分子动量传递,由分子热运动和分子间的吸引力造成;②涡流动量传递,由流体微团的脉动(或涡旋)运动造成。
动量传递的前提是相邻流体层间存在速度差异(速度梯度)和物质交换。设与平面相邻的A、B两流体层具有不同的速度,A层较快,动量较大,B层较慢,动量较小。当两流体层间由于分子的热运动或流体微团的脉动运动而发生物质交换时,动量便由A层传递到B层,动量传递速率由动量通量表示。动量传递的结果是使层间出现剪切应力,大小等于动量通量。对于A层,剪切应力的方向与流动方向相反,阻滞流体的前进;对于B层,剪切应力的方向与流动方向相同,推动流体前进。
动量传递研究动量通量(即剪切应力)和速度梯度(即剪切应变率)的关系。对于分子尺度上的动量传递,剪切应力与剪切应变率的关系反映流体的力学属性,据此可将流体分为理想流体、黏性流体、牛顿型流体和非牛顿型流体。对于微团尺度上的涡流动量传递,剪切应力与剪切应变率的关系与流体性质、流动空间的几何形状和尺寸、边界表面状况和流动速度等有关。剪切应力与剪切应变率的关系,常用于以牛顿第二定律为基础的运动方程中,以求解速度分布和流动阻力。2.3.2 纳维、斯托克斯与纳维-斯托克斯方程
克劳德-路易纳维(Claude-Louis Navier,1785—1836,图2-6),法国工程师与物理学家。1802年就读于巴黎综合理工学院,1804年继续在国立桥路学校就读,并于1806年毕业。1819年,确认了机械应力中的零线,修正了伽利略伽利莱的错误结果。1821年,纳维将弹性理论以数学公式的形式表示。1824年当选法国科学院院士。1826年,确认弹性模量是材料的一个性质,和物体的截面二次轴矩无关。1830年时担任国立桥路学校的教授,次年在巴黎综合理工学院担任微积分及力学的教授。纳维的主要贡献在力学领域,是结构分析的创始者之一,提出了纳维-斯托克斯方程。纳维是埃菲尔铁塔上所刻的72人之一。图2-6 纳维雕像
斯托克斯(George Gabriel Stokes,1819—1903,图2-7),英国力学家、数学家。1841年毕业于剑桥大学,1849年起任剑桥大学卢卡斯数学讲座教授,1851年当选皇家学会会员,1852年被授予皇家学会朗福德奖,1854年起任学会秘书,1886年任皇家学会会长,1893年被授予皇家学会科普利奖。斯托克斯成为继牛顿之后任卢卡斯讲座教授、皇家学会秘书、皇家学会会长这三项职务的第二人。斯托克斯的主要贡献是对黏性流体运动规律的研究。1845年,在《论运动中流体的内摩擦理论和弹性体平衡和运动的理论》论文中给出黏性流体运动的基本方程组,其中含有两个常数,这组方程后称为纳维-斯托克斯方程,是流体力学中最基本的方程。1851年,斯托克斯在《流体内摩擦对摆运动的影响》的研究报告中,提出球体在黏性流体中作较慢运动时所受阻力的计算公式,指出阻力与流速和黏滞系数成比例,此即关于阻力的斯托克斯公式。斯托克斯发现了流体表面波[注]的非线性特征,其波速依赖于波幅,并首次用摄动方法处理了非线性波问题。斯托克斯对弹性力学也有研究,他指出各向同性弹性体中存在两种基本抗力,即对体积压缩的抗力和对剪切的抗力。在数学场论中,提出了线积分和面积分之间的转换公式(斯托克斯公式)。斯托克斯为人谦逊,诲人不倦。例如,他早在1854年就预见到了Kirchhoff理论,有人认为他在这方面领先,但他坚持说他没有看到其中的某些关键之处。图2-7 斯托克斯2.3.3 欧拉及其对流体力学的贡献
莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler,1707—1783,图2-8),瑞士数学家和物理学家,曾任彼得堡科学院教授,柏林科学院的创始人之一。欧拉是历史上最伟大的数学家之一,为数学界做出了重要贡献,更把数学推至几乎整个物理领域。他是数学史上最多产的数学家之一,平均每年写出八百多页的论文,还写了大量的力学、分析学、几何学、变分法等的课本,《无穷小分析引论》、《微分学原理》、《积分学原理》等都成为数学中的经典著作。欧拉对数学的研究非常广泛,在数学的许多分支中可经常见到以他的名字命名的重要常数、公式和定理,如欧拉常数(无穷级数)、欧拉方程(流体动力学)、欧拉公式(复合变量)、欧拉数(无穷级数)、欧拉多角曲线(微分方程)、欧拉齐性函数定理(微分方程)、欧拉变换(无穷级数)、欧拉-傅里叶公式(三角函数)、欧拉-拉格朗日方程(变分学、力学)、欧拉-马克劳林公式等。18世纪中叶,欧拉和其他数学家在解决物理问题过程中,创立了微分方程学。欧拉创立了许多符号,如用sin、cos等表示三角函数,用e表示自然对数的底,用f(x)表示函数,用∑表示求和,用i表示虚数等。欧拉第一个使用“函数”描述包含各种参数的表达式。图2-8 欧拉
欧拉是刚体力学和流体力学的奠基人,弹性系统稳定性理论的开创者。他提出质点动力学微分方程可用于液体(1750)。他曾用两种方法描述流体的运动,即分别根据空间固定点(1755)和确定的流体质点(1759)描述流体速度场,前者称为欧拉法,后者称为拉格朗日法。欧拉给出了反映质量守恒的连续方程(1752)和反映动量变化规律的流体动力学方程(1755),奠定了理想流体的理论基础。2欧拉数Eu等于ΔP/(ρu),反映了流场压力降与其动压头之间的相对关系,体现了流动过程中动量损失率的相对大小。另外,提出了欧拉角(刚体运动)、伯努利-欧拉定律(弹性力学)等。欧拉旺盛的精力和钻研精神一直持续到生命的最后一刻。1783年9月18日下午,欧拉一边逗小孙女玩,一边思考着计算天王星的轨迹,突然,他从椅子上滑下来,嘴里轻声说:“我死了”,一代科学巨匠就这样停止了生命。2.3.4 拉格朗日与拉格朗日法
约瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange,1736—1813,图2-9),法国著名数学家、物理学家。1736年1月25日生于意大利都灵,1756年当选柏林科学院外籍院士,1766年接替L.欧拉,担任柏林科学院物理数学部主任,1787年离开柏林到巴黎定居。1789年法国革命后,从事度量衡米制改革,担任法国经度局委员,并讲授课程。1795年,巴黎综合工科学校成立,他和该校创立者G.蒙日(1746—1818)一起担任主要的数学教员。他被拿破仑任命为参议员,封为伯爵。1813年4月10日卒于巴黎。图2-9 拉格朗日
拉格朗日在数学、力学和天文学三个领域中都有历史性贡献。在数学上最突出的贡献是使数学分析与几何和力学脱离开来,使数学更为独立,不再仅仅是其他学科的工具。拉格朗日是变分方法的奠基人之一,对代数方程的研究为伽罗瓦群论的建立起了先导作用。拉格朗日继欧拉之后研究了理想流体运动方程,最先提出速度势和流函数的概念,成为流体无旋运动理论的基础。他在《分析力学》(1788)中从动力学普遍方程导出的流体运动方程,着眼于流体质点,描述每个流体质点自始至终的运动过程,称为拉格朗日方法,以区别着眼于空间点的欧拉方法,但实际上这种方法欧拉也用过。1764—1778年,拉格朗日因研究月球平动等天体力学问题曾五次获得法国科学院奖。2.3.5 过堂风与连续性方程
过堂风指通过穿堂、过道或相对的门窗的风。连续性方程的应用条件是流体充满整个管道,无泄漏,无积累。空气流动虽然不符合这一条件,但根据连续性方程可以定性解释这一现象:风通过穿堂、过道等处时,由于流道变窄,风速必然增大。在山口、楼宇之间风速较大,也是同样原因。2.3.6 流体动力学之父——丹尼尔·伯努利
瑞士的伯努利(Bernoulli)家族是数学史和科学史上最杰出的家族之一,在17、18两世纪的三代人中出现了八位杰出的数学家和科学家。
杰可布·伯努利Ⅰ(JacobBernoulliⅠ,1654—1705)在数学上有很多贡献,最重要的包括解析几何、概率论和变分学三个领域。杰可布大大丰富了微积分学,他继续莱伯尼兹的工作,对各种链线(catenary curves)作了详尽研究,后来广泛应用于建造吊桥和高压线路。这些当时新颖而困难的问题,如今已成为微积分教科书或力学教科书中的练习题。另外还有统计和概率论中的伯努利分配和伯努利定理,微分方程中的伯努利方程,数论中的伯努利数和伯努利多项式,以及微积分中的伯努利双扭线。杰可布·伯努利在1690年解答等容曲线(isochrone curve)问题中首次使用了积分(integral)。
约翰·伯努利(Johann Bernoulli,1667—1748)对微积分有很多贡献。1696年洛必塔(Marquis de L'Hospital,1661—1704)出版了第一本微积分的教科书,实际上是由约翰·伯努利编写而在金钱协议下让于洛必塔的,计算不定式0/0的方法在后来的微积分教科书中被错误地命名为洛必塔法则。约翰·伯努利的研究相当广博,包括与反射和折射相关的光学现象、曲线族垂直投射、解析三角、幂数计算等问题。约翰精力充沛,头脑清晰,在他八十高龄临终的前几天仍在勤奋工作。约翰·伯努利的三个儿子尼古拉(Ⅲ)、丹尼尔(Ⅰ)和约翰(Ⅱ),均为18世纪著名的数学家和科学家。尼古拉(Ⅲ)(1695—1726)在数学上很早就崭露头角,后受聘于彼得堡科学院,八个月后不幸溺水而亡,他发表过曲线、微分方程和概率方面的论文。
丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli,1700—1782,图2-10),1700年生于荷兰格罗宁根,1716年获哲学硕士学位,1721年获巴塞尔大学医学博士学位,1724年解决了微分方程中的里卡蒂方程,1725—1732年任俄国彼得堡科学院数学教授,1728年与欧拉一起研究弹性力学,1732-1750年回巴塞尔,教授解剖学、植物学和自然哲学,1750年任物理学教授和哲学教授,同年被选为英国皇家学会会员,1782年逝世于巴塞尔,终年82岁。丹尼尔是伯努利家族中成就最大的科学家。他对数学和物理学都做出了卓越贡献。在数学方面,丹尼尔的研究涉及代数、概率论、微积分、级数理论、微分方程、弦振动理论等,提出了或然率期望值(moral expectation)的概念,是偏微分方程的拓荒者,曾被称为数学物理的奠基人。在物理学方面,涉及天文、重力、潮汐、磁学等多个方面,其中对流体力学和气体动力学的研究尤为突出。1738年出版的《流体动力学》是世界上第一本流体动力学的书,提出了著名的伯努利定理,这是流体力学的基本定理之一,因此被尊称为流体动力学之父。在气体动力学方面,利用气体分子运动论解释了气体对容器壁的压力,认为大量气体分子的运动造成了对器壁的压力,压缩气体的较大压力是由于气体分子数增多,相互碰撞更加频繁所致。丹尼尔将级数理论用于力学的研究,这对力学发展具有重要意义。图2-10 丹尼尔·伯努利2.3.7 伯努利方程的应用飞机飞行的原理
飞机是比空气重的飞行器,需要消耗自身动力获得升力,升力源于飞行中空气对机翼的作用(图2-11)。机翼的上表面弯曲而下表面平坦,空气流到机翼前缘,分成上、下两股气流,分别沿机翼上、下表面流过,在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,流速加快,压力降低;机翼下表面,流管较粗,流速较慢,压力较大,从而产生升力。气流方向与翼弦的夹角称为迎角。在飞行速度等条件相同的情况下,获得最大升力的迎角,称为临界迎角。在小于临界迎角范围内增大迎角,升力增大;超过临界迎角后,再增大迎角,升力反而减小。升力、阻力与飞行速度的平方成正比。在机翼上一般装有副翼和襟翼,操纵副翼可使飞机滚转,放下襟翼可使升力增大。尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼通常产生负升力,操纵飞机俯仰和偏转,保证飞机平稳飞行。图2-11 飞机飞行
飞机动力装置主要有航空活塞式发动机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机等。现代高速飞机多使用喷气式发动机,其原理是将空气吸入,与燃油混合点火,爆炸膨胀后的空气向后喷出,其反作用力推动飞机前进。
滑翔伞(图2-12)的原理与飞机相似。由于速度是决定升力大小的重要因素,因此为了提高与气流的相对运动速度,滑翔伞通常采用逆风起飞,以增大升力,缩短起飞助跑距离。另外,下雨撑伞时,若遇到风,常感到雨伞像要飞到天上似的,这是因为雨伞有圆弧面,造成上方空气流速大,下方流速小,形成升力。图2-12 滑翔伞水翼艇
水翼艇(图2-13)是一种在艇体装有水翼的高速舰艇,能在水上飞行。水翼的上、下表面水流速不同,故在水翼的上、下表面产生了压强差,产生了举力。当水翼艇开足马力达到一定速度时,水翼产生的举力把艇体托出水面,使艇体与水面保持一定距离,减小了舰艇在水中的航行阻力,使之可以高速航行。[3]图2-13 水翼艇汽车气流偏导器
汽车的外形是底盘平而车顶向上隆起,这一形状和飞机机翼有着相同的空气动力学效应,空气会对车身产生向上的作用力,在高速行驶时导致车身不稳,容易失控。跑车尾部装有气流偏导器,其底部呈弧形,相当于倒置的飞机机翼。跑车行驶时,流过气流偏导器上方的气流速度小于下方气流速度,故在其上、下表面产生压强差,形成向下的压力,增大驱动轮与地面的摩擦力,使跑车可以用更快的速度转弯。但是,更大的下压力通常也意味着更大的阻力。船吸现象[注]
1912年9月20日,当时世界上最大的远洋邮轮之一奥林匹克号(图2-14)离开南安普敦的码头,开往纽约。在怀特岛东北海域,奥林匹克号与高速航行的皇家海军霍克号巡洋舰相遇,两船近距离高速并行,忽然霍克号转向,好像受到巨大引力似的向奥林匹克号冲去,最终7350t的霍克号和45000t级的奥林匹克号相撞,霍克号的舰首戳进奥林匹克号的船尾,两船都严重受损,奥林匹克号上的1300名乘客被送回岸上。奥林匹克号在南安普敦修补之后,返回贝尔法斯特大修。英国的海事法庭宣布,发生碰撞的主要责任由奥林匹克号承担。图2-14 奥林匹克号邮轮
其实,这次海上事故可以用伯努利方程解释:当两船平行航行时,两船之间的水比外侧的水流得快,压强小,在外侧水的压力作用下,两船渐渐靠近,最后相撞。现在,航海上将这种现象称为“船吸现象”,世界海事组织对航海规则作了严格规定,包括两船行驶时必须保持多大间隔,在通过狭窄地段时,小船与大船彼此应如何规避,等等。我们划船时,有时想和另一艘船的朋友并行,但是会发现两船总是莫名其妙地靠在一起,也是同样道理。
同理,骑车时,如果有汽车从身旁急速驶过,我们会感到有一股力量将我们推向汽车。火车进站时,不能靠得太近,因为人和火车之间的空气流速较大,压力小,火车像有吸力将人吸过去。汽车在马路上快速驶过后,马路两边的树叶会随风飘动,这是因为汽车快速行驶时,马路中间的空气流速大,压强小,两侧的气压将树叶吹向中间。屋顶为何被风掀飞?
龙卷风能将屋顶掀飞,但人们发现了一个奇怪现象:龙卷风发生前将门窗关严后再撤离的人家,大部分屋顶都被掀飞了,而走得匆忙忘记关门窗的人家屋顶大都保存了下来。这是因为龙卷风从屋顶快速刮过时,屋顶上方的空气流动加快,气体压强变小,而屋顶下的空气几乎是不流动的。如果关严门窗,会使屋内的压强大于屋外的压强,一旦风速超过一定值,压强差就会掀起屋顶。如果门窗没关,屋内外气压平衡,因此屋顶就不会被掀开。趣味实验
取一只玻璃漏斗,开口朝下垂直放置,用嘴从漏斗的颈部向下吹气,再将一个乒乓球放进漏斗的喇叭口中,可观察到乒乓球被吸在漏斗的喇叭口内[图2-15(a)]。如图2-15(b)所示,取一只乒乓球放在水平桌面上,再取一支圆珠笔管,尖嘴端向下,用嘴沿竖直方向吹气,当吹乒乓球侧面时,球会向笔管的正下方滚。当笔管移动时,球也跟着移动。把球放在一块倾角为45°左右的镜面上,用笔管水平吹球的上侧,乒乓球会在镜面上旋转不停而不掉下来。当笔管沿镜面移动时,乒乓球也跟着在镜面上移动。将硬纸片折成∩形,放在桌上,对着∩的开口吹气,发现纸片像被粘在桌子上似的,无法吹翻。图2-15 乒乓球实验球类运动中的弧旋球
足球比赛的前场直接任意球,通常是防守方在球门前组成一道“人墙”挡住进球路线,进攻方的主罚队员起脚一记劲射,球绕过“人墙”,眼看就要偏离球门飞出时,却又沿弧线转过弯来直入球门,让守门员措手不及,这就是神奇的“香蕉球”或弧旋球(图2-16)。为什么足球在空中沿弧线飞行呢?因为运动员并不是踢足球的中心,而是稍稍偏向一侧,使球在空中前进时不断旋转,这时,一方面空气迎着球向后相对流动,另一方面,由于空气与球之间的摩擦,球周围的空气又会被带着一起旋转。这样,球一侧空气的流动速度加快,而另一侧空气的流动速度减慢,于是足球在压力作用下,被迫向空气流速大的一侧转弯。可以做一个简单的实验:用细线吊起一个空塑料瓶,用手旋转塑料瓶,使其绕对称轴旋转(图2-17),用电风扇向其吹风,塑料瓶向哪个方向移动呢?图2-16 香蕉球图2-17 塑料瓶实验汽化器与喷雾器
汽化器是向汽缸供给液体燃料与空气混合物的装置。当汽缸里的活塞做吸气冲程时,空气被吸入管内,在流经管的狭窄部分时流速增[注]大,压强减小,也称文丘里效应,汽油被吸入并被空气喷成雾状,形成油气混合物进入汽缸。正是由于汽化器的发明和液体燃料的使用,汽车销量开始增加,汽油也由过去主要用作清洗剂而一举成为上等燃料。喷雾器的原理与汽化器相似。本生与本生灯
煤气灯,也称本生灯,由罗伯特·威廉·本生(Robert Wilhelm Bunsen,1811—1899)发明。本生出生在德国的哥廷根,1830年以一篇物理学论文获得了博士学位,1853年当选法国科学院院士,1858年当选英国皇家学会会员,1899年8月16日卒于海德堡。在本生灯发明前,煤气灯中煤气燃烧不完全,火焰很明亮但温度不高。1853年,本生将其改进,先让煤气和空气在灯管内充分混合,然后从喷嘴喷出燃烧,旋转灯管或者下部的螺钉可以调节进气量使煤气燃烧完全,温度可达2300℃,且没有颜色(图2-18)。如今的很多煤气用具,如家用煤气灶可以不烧黑锅底,也都体现了本生灯的燃烧原理。[4]图2-18 本生和本生灯
本生在他发明的灯上灼烧各种化学物质,发现钾盐灼烧时为紫色,钠盐为黄色,锶盐呈洋红色,钡盐为黄绿色,铜盐为蓝绿色。起初,他认为他的发现会使化学分析极为简单,只要辨别一下灼烧时的焰色,就可以定性判断其化学成分。但后来发现事情绝非那样简单,因为在复杂物质中,各种颜色互相掩盖,使人无法辨别,特别是钠的黄色几乎把所有物质的焰色都掩盖了。本生试着用滤光镜将各种颜色分开,效果比单纯用肉眼观察好一些,但仍不理想。1859年,本生和物理学家基尔霍夫合作将一架直筒望远镜和三棱镜连在一起,设法让光线通过狭缝进入三棱镜分光,这就是第一台光谱分析仪。他们合作分析各种物质,本生在物镜一边灼烧各种化学物质,基尔霍夫在目镜一边观察、鉴别和记录。1860年5月10日,本生和基尔霍夫在狄克海姆矿泉水中,发现了新元素铯;1861年2月23日,他们在分析云母矿时,发现了新元素铷。此后,光谱分析法被广泛采用。1861年,英国化学家克鲁克斯用光谱法发现了铊;1863年,德国化学家赖希和李希特用光谱法发现了新元素铟,以后又发现了镓、钪、锗等。本生和基尔霍夫创造的方法,可以研究太阳及其他恒星的化学成分,为以后天体化学的研究打下了坚实的基础。1877年,本生和基尔霍夫共同获得了戴维奖。1890年,本生获得了英国工艺学会的何尔伯奖。本生在化学上建树极多,他研究过火山和气体,制作过本生电池和镁照明材料。1853年,他发明了利用硫酸对游离碘进行容量分析的方法。1875年,对稀土元素光谱作了统一研究。晚年,他还制造了一架蒸气量热器,用来测定某些物质的比热容。
本生对荣誉、勋章、奖章很淡漠,他对他的学生和朋友说:“这些荣誉和奖章的价值,全在于它们能使我的母亲感到高兴,可惜她已不在人世了。”本生不喜欢政治性的社交,尤其不喜欢和显贵们交往,他认为那是浪费时间。1886年,海德尔堡大学举行建校五百周年庆祝活动,邀请了许多显贵参加纪念大会,校长和显贵们纷纷致词,许多人对本生的成就给予了高度评价,但本生却睡着了。学生的活动惊醒了他,他说他梦见一支试管掉在了地上。本生为了事业终生未娶,有人曾给他介绍女友,他一次也没有主动约会,在结婚的日子竟忘记了举行婚礼的时间,并且就那样不了了之。人们问他为什么不结婚,他说:“我总是没有时间。”本生70岁时给他的好友写信说:“垂暮之年,来日不多,回忆过去,最使我快乐的是我们共同进行的研究工作。”马里奥特恒速装置
医院输液容器即为一马里奥特恒速装置。如图2-19所示,为了使高位槽底部的液体流量不随槽内液面的下降而减少,可将高位槽上端密封,并于高位槽底部设置一个与大气相通的侧管。液体从下管排出而使槽内上方空间形成真空,在大气压力作用下,侧管中的液面开始下降,降至截面1时,空气进入槽内补充,使截面1处的压力始终为大气压力p。设p、p分别为截面1和截面2处的压强,忽略截面1处012流体的流速,在截面1、2之间列伯努利方程: (2-3) 图2-19 马里奥特恒速装置
又 p=p=p120 所以 (2-4)
由此可见,只要液面下降不低于截面1,则h一定,流速一定;2液面低于截面1后,由于h下降,出口流速相应减小。22.4 流体内部结构2.4.1 雷诺与雷诺准数
雷诺(Osborne Reynolds,1842—1912,图2-20),英国力学家、物理学家和工程师。1842年8月23日生于北爱尔兰的贝尔法斯特,1867年毕业于剑桥大学王后学院,1868年任曼彻斯特欧文学院(后更名为维多利亚大学)首席工程学教授,1877年当选为皇家学会会员,1888年获皇家勋章,1912年2月21日卒于萨默塞特的沃切特。图2-20 雷诺
雷诺是一位杰出的实验科学家。欧文学院最初没有实验室,他早期的许多实验都是在家里进行的。雷诺在流体力学方面最主要的贡献是发现流动的相似律。雷诺于1883年发表了一篇经典论文《决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨》,
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