1.1　概述

1.1.1　流体流动中的作用力

连续性　流体由大量单个分子组成，彼此间有一定间隙。但是，工程上关心的是流体的宏观运动，可将流体看作是由无数质点组成的、彼此间没有间隙的连续介质，即流体是连续的。这样，可用连续函数描述流体的物理性质及运动参数。例如，对于速度，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为位置坐标；t为时间；u_x、u_y、u_z为坐标点的速度在三个坐标方向上的分量。

定态流动　若流体运动空间各点的状态不随时间变化，则该流动被称为定态流动。反之，为非定态流动。

流线　同一时刻不同流体质点在速度方向上的空间连线就是流线。流线上切线表示切点流体的速度方向，如图1-1所示。

控制体　制药生产中往往关心某些固定空间（如某一设备）中的流体运动。当划定一固定的空间体积来考察问题时， 该空间体积称为控制体。

流动中的流体受到的作用力可分为体积力和表面力两种。

体积力　体积力作用于流体的每一个质点上，并与流体的质量成正比，也称质量力，对于均质流体也与流体的体积成正比。重力与离心力都是典型的体积力。

表面力——压力与剪力　表面力与表面积成正比。表面力可分解为垂直于表面的力和平行于表面的力。前者称为压力，后者称为剪力（或切力）。单位面积上所受的压力称为压强；单位面积上所受的剪力称为剪应力。

压强的单位　压强用p表示，其单位是N/m²， 也称为帕斯卡（Pa），其10⁶倍称为兆帕（MPa），即

1MPa=10⁶Pa

工程上常用兆帕作压强的计量单位。

密度　体积力与密度密切相关。单位物质体积具有的质量称为密度，用ρ表示，其单位是kg/m³。液体的密度随压强变化很小，当压强不是很大时，它可视作与压强无关，称为不可压缩流体。

气体的密度随压强和温度变化，称为可压缩流体。压强不是很大时，可按理想气体状态方程计算气体密度

　　（1-2）

式中，m为质量，kg；V为体积，m³；M为摩尔质量；R为气体常数，R=8.314kJ/（kmol·K）；T为热力学温度，K。

剪应力　设有间距甚小的两平行平板，其间充满流体（见图1-2）。

下板固定，上板施加一切向力F 使平板以速度u作匀速运动。流体在固体表面不会滑脱，保持与固体表面相同的速度，板间各层流体的速度大小不同，如图中箭头所示。对大多数流体，单位面积的切向力F/A，即剪应力τ服从下列牛顿黏性定律

　　（1-3）

式中，为法向速度梯度，1/s；μ为流体的黏度，N·s/m²，即Pa·s；τ为剪应力，Pa。

黏度　黏度因流体而异，是流体的物性。式（1-3）表明，相邻流体层的速度只能连续变化。黏性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。常用流体的黏度可从附录查取。通常液体的黏度随温度增加而减小。气体的黏度通常比液体的黏度小两个数量级，其值随温度上升而增大。

黏度的单位是Pa·s， 较早也常用泊（达因·秒/厘米²）或厘泊（0.01泊）表示。其间的关系为

黏度μ和密度ρ常以比值的形式出现，为简便起见，定义

　　（1-4）

ν称为运动黏度，在SI单位中以m²/s表示，CGS单位为沲（厘米² /秒），其百分之一为厘沲。为示区别，黏度μ又称为动力黏度。

理想流体　当流体无黏性，即μ=0时，称为理想流体。实际流体都有黏性。

1.1.2　流体流动中的机械能

流体所含的能量包括内能和机械能。流动流体中除位能、动能外还存在另一种机械能——压强能。流体在重力场中运动时，如自低位向高位对抗重力运动，流体将获得位能。与之相仿，流体自低压向高压对抗压力流动时，流体也将由此而获得能量，这种能量称为压强能。流体的压强能也称为流动功。流体流动时将存在着三种机械能的相互转换。

气体在流动过程中因压强变化而发生密度变化，从而在内能与机械能之间也存在相互转换。

1.1.3　流体输送机械的分类

制药生产涉及的流体可能是强腐蚀性的、易燃易爆的、温度很高或很低的、或含有固体悬浮物的，其性质千差万别。在不同场合下，对输送量和补加能量的要求也相差悬殊。依作用原理不同，可将流体输送机械作如下分类。

动力式（叶轮式）：包括离心式、轴流式等。

容积式（正位移式）：包括往复式、旋转式等。

其他类型：指不属于上述两类的其他型式，如喷射式等。

气体的密度及压缩性与液体有显著区别，从而导致气体与液体输送机械在结构和特性上有不同之处。