描述和计量流体流动与泄漏的新系统性量和单位

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物理量是现象、物体或物质的可量化属性，分为基本量和导出量。基本量是人为规定的因而均不可用其它量表达，导出量是可用其它量表达或定义的量。系统内的基本量和导出量通过定律及其方程相关联[1]。任何物理现象、物体或物质的变化都只有通过量的表达式才能致其被充分描述、理解、控制和利用。

1 流体的流动[2-3]

除流阻和流抗与电阻和电抗的产生机理不同外，流路中的流体分子流动犹如电路中的电子流动。流路中的流体流，与电路中的电流对应，是由与电压对应的流体压力和与电阻抗对应的流阻抗决定的。流体流与流路两端间的流体压力成正比，与流路两端间的流阻抗成反比。流阻抗是流路两端间的流阻与流抗的代数和。流阻为度量流体流的外周阻力的物理量，流抗为度量流体流的正面阻力的物理量，漏阻为度量密封紧密度的物理量，它们有相同的计量单位，为单位流体流(单时间内单位容积流体)流过流阻、流抗或漏阻所需的持续压力。因此，流体流×流阻 = 被流阻耗损的压力(能)，流体流×流抗 = 被流抗转换为动能的压力(能)，流体流×漏阻 = 被漏阻耗损的压力(能)，流体流× (流阻+流抗) = 流过流路所需的总压力。

2 流体流动系统物理量的名称、定义、符号和单位[2-5]

10余年来，笔者一直致力于流体泄漏和流体流动的研究，研究形成并发表了多篇论文，论文的内容涉及密封定律、密封定理、密封结构理论及流体的流动规律。

基于文献[2]和文献[3]的论文，结合文献[4]和文献[5]的标准，建立的流体流动系统物理量的名称、定义、符号和单位详见表1。

表1 流体流动系统物理量的名称、定义、符号和单位

注：1)参见ISO 80000-3的3.4条。2)参见ISO 80000-4的4.15.1条。3)流动流体受到正面正负障碍撞击时，其部分静压力(能)和动能将分别无损地转换成其动能和静压力(能)，因此，流动流体中的总压力(能)p= (ps∓Δps) + (pd±Δps)。4)由于流速的单位m/s =m3/m2/s，即流体的流速可为单位时间流过单位横截面积的流体容积，因此，定义为单位时间流过一个横截面的流体容积的流体流IF=C/t=vA，其中v为流速，A为横截面积，C为时间t内流过横截面的流体容积。5)IL=C/t，其中C为时间t内流过密封节的流体容积。6)由于Pa·s = N·s/m2，即Pa·s为单位面积上的恒力冲量(N·s)，因此，某个容积流体流过某段流路所需的恒静压力ps和时间t之积(pst)为恒压(力)冲量。

由表1中流体流速定义可知，流速dvx= dC/dA/dt，其中dC为时间dt内流过横截面dA的流体容积，即dvx为单位时间流过单位横截面积的流体容积，因此，进一步由ISO 80000-4：2006 (4.23项)对动力黏度η的定义式τxz=ηdvx/dz=ηdC/dA/dt/dz=ηdC/dAdzdt=η/dt可知，最终的黏度定义式η=τxzdt是约去原始定义式分子和分母中的最大公约数dC=dAdz后的结果，即黏度η与流体流过横截面积dA的容积dC和时间dt之比IF(IF= dC/dt)无关(因为IF随剪切应力τxz或压力ps大小而变)，只与单位容积流体流过单位横截面积所需的恒静压和时间之积(恒压冲量τxzdt=pst)有关。也就是说，此前用流体流IF的大小辨别黏度和与黏度有关的流阻、漏阻(紧密度)等都是错的[6]。由于恒压下单位容积流体流过单位横截面积的时间越长，表明流体的黏度(pst)越大，反之亦然，因此，与同单位的流阻对应，可定义单位容积流体流过单位横截面所需的恒压冲量(pst)为动力黏度η。

在某种条件下，其后面受到撞击的慢速物体将快起来，其前面受到质量更大的慢速物体阻击的快速物体将慢下来与慢速物体同步运动。同样道理，受到缩口静止端面撞击的管路流体将快起来流走，受到扩口内的大量慢速流体阻击的快速流体也将慢下来与慢速流体同步流动。快起来的物体和流体的动能将增加，慢下来的物体和流体的动能将减小。显然，快起来的流体动能增来自其压力(能)减，慢下来的流体动能减将致其压力增，否则将打破能量守恒。也就是说，在理论上，流体在流经缩口和扩口成对出现的正负障碍(如阀门)时，无任何压力(能)损失，在流经单个正负障碍时，虽有压力变化但却无任何能量损失。然而，现有流体力学却将管壁所致的管道流体压力(能)损失叫沿程损失，将管截面形状变化形成的局部障碍所致的管道流体压力(能)降叫局部损失[7-8]。不过，现有流体力学所说的“在整个管路系统中，沿程损失是主要的，局部损失是次要的”[8]，似乎又有点否定“管截面形状变化形成的局部障碍所致的管道流体压力(能)降”是一种能量损失的含意。所以说，现有流体力学有关湍流或紊流的说法是在未发现流抗物理量之前的非科学说法。

其实，雷诺在其1883年的实验中观察到的所谓层流为有色流体在不低于和不显著低于其压力的包围流体中的无横向扩散流动，所谓湍流为有色流体在显著低于其压力的包围流体中的有横向扩散流动，因为有色流体的压力是固定不变的，包围流体的压力是随流速不断增加而从稍高于有色流体的压力不断下降至显著低于有色流体压力的。也就是说，雷诺实验中的有色流体在高速包围流体中的有横向扩散流动，完全不能说明包围流体本身在高速时也有横向扩散流动。

3 结语

密封紧密度即漏阻是7个基本物理量以外的导出量，是由密封或泄漏定律确立的，为恒压状态下压力容器或系统穿过密封节漏出单位容积流体所耗的时间t与静压力ps之积[2]，绝对不是现有国际标准ISO 5208：2015 《Industrial valves — Pressure testing of metallic valves》按任意规定基本量那样，任意规定为某个压力下的泄漏率的倒数[6]。

流抗也是7个基本物理量以外的与流阻和漏阻有相同计量单位的导出量，是由能量守恒定律确立的，为单位容积流体流过某段流路克服正面阻力所需的恒压冲量，或为单位时间单位容积流体流过某段流路克服正面阻力所需的恒静压力[2]。因此，根据流抗的科学定义，管路的缩口(段)对流经流体的正面阻力所致的流抗，将致流经流体有一个压力降。也就是说，管路流体在缩口(段)的压力降应是由管路的流抗所致，而不是现有流体力学所说的是由缩口(段)的湍流或紊流所致[7-8]。