流体力学在气压式喷壶中的应用与解析
于梅花，陈铭显
（广西大学，广西 南宁 530004）
【摘 要】文章应用气体动态理论和流体力学的相关物理知识，对日常生活中常用的喷壶的工作原理及其对所用的气压式喷壶结构运用大学物理所学的内容进行思考、总结，深入浅出的阐述了气压式喷壶的工作原理和应用技巧。
【关键词】气压式喷壶；伯努利方程；连续性方程；等压平衡 【中图分类号】TS914.259 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)02-0103-02
（一）前言 对不可压缩的流体(如油或水等溶液)，u是定值，可得到
气压式喷壶，它是由塑料、金属合金等制成的多用途的在设计生产中通常采用改变阀芯与阀f 与ω成反比的关系，喷水仪器。它由壶身、汲水管、打气筒、手柄、开关压块、体的相对位置移动来改变截流面积的大小。在研究液体和气喷嘴等组成。常用于浇花、喷洒药剂等，是个常用于农、林、体力学特征过程中，必须要运用人们熟悉的伯努利方程。该种植业的仪器。其价格便宜，多功能，应用广，便于携带，方程的恒定流表达式为：根据伯努利方程
22使用方便。中文数据库中找不到有关喷壶的工作原理的论文，
Ζ+P 1+ν1=Z +P 2+ν2 （4）
只能借鉴部分与流体力学、伯努力方程、连续性方程有关的12
2g γ2g γ
参考文件，对常见的手提式喷壶进行分析与研究。
（二）喷壶的工作原理 式中：Z +P 是单位重量液体所具有的势能，称为比势能。而
γ喷壶的工作主要是通过打气筒手动地给装有液体的壶身
打气，使其内部压力增大，迫使液体进入汲水管流向喷嘴，是单位重量液体所具有的动能，称为比动能．所以，实际液从而向外界喷洒液体。在迫使液体进入汲水管的过程中利用
体恒定总流能量方程，又称为总流伯努利方程。
了给密封的壶身（密封体系）注入气体增大其压强，使壶内、
2
P 1αν1P 2αν22外产生压强差。从而得到喷壶工作的驱动动力。液体（流体）(Ζ1+) +=(Z 2+) ++h ω （5）
2g 2g γγ在壶内通过汲水管压向喷嘴的流动过程可以看作流体的定常流动可用我们所学的内容进行解释。
流体在喷嘴中的流动可以认为是一元的稳定流动。所谓一元的稳定流动就是与流动方向垂直的同一截面上各点的状态参数和速度都是相同的，而且不随时间变化而变化，喷水装置中的水流动都可近似地看作是一元的稳定流动。
1.稳定流动液体的连续性方程
理想液体(液体无粘性，无压缩性)作稳定流动(流体某一处的压强、流速、密度不随时间变化)时，流过各断面的流量(单位时间流过各断面的液体体积（体积守恒）)不变。
S 1V 1=S 2V 2 （1）
m 1=(f 1×ω1)/υ1, m 2=(f 2×ω2)/υ2,…… （2）
式中：αν2
2
一通过总流平面过水断面A1到A2之间液流的比动
2g
能。h ω- 总流由断面A1到A2之间液流的比能损失。
由连续性方程、等压方程和总流伯努利方程得到：当流道截面积随着阀芯的向右移动而逐渐减小时，流速必然增大。反之，当阀芯向左移动时，流道截面积相对变大，流速随之降低，从而实现了射程远近和流量大小无级可调。
2.促使流体流速变化的力学条件
由于在打气筒的打气下，内部系统产生高压，因此在开口系统与外界的轴功交换时得
式中：ω1、ω2-分别为流道截面1和2处的平均流速；f 1、f 2-分别为流道在1和2处的截流面积；υ为比容。
按能量守恒定律，在稳定流动时，图1中截面A1A 1和A2A 2
的质量流量应该相等，而且应等于任意截面上的质量流量，即质量守恒。
m 1=m 2=m 3=(f ×ω)/υ=常数 （3）
−νdp =
1
∫
2
1
ω22−ω12+ω0 （6） 2
()
对于喷嘴，ω0=0，故可得
21
ω22−ω12=−νdp （7）
12
(
)∫
说明流体在可逆的一元稳定流中所作的技术功全部用于
增加流体的功能；反之，流体得到的技术功全部来自流体流动动能的减少。上式的微分形式为
图1 管道中的一元稳定流动
最后化简得
1
d ω2=−νdp （8） 2
【收稿日期】2008-12-08
【作者简介】于梅花（1977－），女，山东青岛人，广西大学物理学院讲师，在读博士。
- 103 -
dp （9） d ω2
KM =−
p ω
2
上式（13）反映了流体流速变化率与流道截面变化率之
间的关系，这是讨论喷嘴截面变化规律的依据。
式中：M =ω/a ，其中 M为马赫数；a为当地音速。
公式（9）反映了流体流速变化率与压力变化率之间的关系。从上式可见，dw和dp的符号是相反的，这说明流体在流动中流速增加，则压力降低；流速降低，则压力增加。对于
κ
喷嘴，dw >0，dp
3.体流速变化的几何条件
系统的对外开口处管道体积变化很大（体积急剧减小）使得流速产生很大变化。将连续性方程式
m =(f ×ω)/υ=常数 （10） 取对数并微分，可得
df d ωd ν （11） +−=0f ωv
（三）喷壶的动力及喷水问题
在日常生活中，我们遇到的都是动力和喷不出水的问题。
一般喷不出水的情况只有在没有水或内部气压很小的情况下才会发生，但是，如果质量不够好，在使用的过程中也会发现它打不了气或有气不喷不出水。主要为拉动阀芯的连动轴断开、阀芯堵死和汲水管受堵几种情况。
打气筒打不了气很可能是其产品的打气筒的内垫片不够严实、缺乏润滑剂等，连动轴的问题主要是材料不够结实。汲水管受堵可在入水口加上一层滤网防止杂物进入。
（四）结束语
通过对气压式喷壶的分析与思考，得出了上述的成果。并且再一次较为系统的复习了大学物理中的流体力学、伯努利方程、及等压平衡的应用与实际结合的重要性。既是对我们课题研究中出现的问题的探讨，又是对生活中常用工具的了解。特别是林学专业必备工具的学习。这也可以作为我们课题研究的副产以及对大学物理这门课程的收获之一。
【参考文献】
[1] 汪永斌,施已平,胡家芬.特殊的多功能喷头的设计研究[J].
浙江大学学报(农业与生命科学版),2002,28(3):335-339. [2] 汪永斌,施已平.多功能喷头的研制[J].浙江万里学院学
报,2001,14(1):15-19.
[3] 何存兴.液压传动与气压传动[M].武汉:华中理工大学出版
社,1998.8,1-42.
[4] 黄文鳇. 水力学[M].北京:人民教育出版社,1981,
5:64-99,215-229．
[5] 王彤,韩大鹏,杨利伟,等.塑料管材供水管网水利计算方法的
探讨[J].长安大学学报(建筑与环境科学版),2004,21(1):51-54.
即 df
f
=(
d ν/νd ω （12）
−1) d ω/ωω
对喷嘴（d ω/ω>0），截面变化率df /f 的正负取决
于流体在流动中比容变化率du /v 和流速变化率d ω/ω 绝对值的谁大谁小，如果d ν/ν
df /f =(M 2−1)d ω/ω
（13）
图2 阀芯的外形
（上接第127页）合闸，造成DCS 操作员站电源消失。
（三）防范措施与建议
1. 防范措施：（1）对机组UPS 电源开关、保险容量进行检查，容量没有按能级阶梯配置要求进行配置的开关、保险要及时更换。（2）#5机组DCS 操作员站正常运行时工作电源改为UPS 电源，APS 电源为备用。这样一来，机组在启停时，厂用电切换过程中，UPS 系统通过直流动力毫无间断地供电。（3）UPS 系统的电源与厂用电和直流系统密切相关。电气人员比较熟悉电源，而热控人员则比较熟悉负荷分配和UPS 装置。因此，UPS 装置的监视、停送电和倒换操作，一般由熟悉电气系统的运行人员执行；但负荷端的UPS 、DPU 、APS 柜内的开关，应由热控人员操作。同时制定定期检查、定期切换的试验制度。
2. 建议
茂名热电厂#5机组UPS 系统工作电源和旁路电源分别取至厂用380V5b 段和保安段，而保安段的工作电源也取自于380V 厂用5b 段；这样一来，UPS 系统的工作电源和备用电源正常时均由#2低厂变供电。APS 系统工作电源和旁路电源也分别为厂用380V5b 段和保安段，它们之间没有自投联锁。
APS 系统将会失当380V 厂用5b 段故障或#2低厂变跳闸时， - 104 -
电，对UPS 系统会产生一定影响，一旦备用自投装置拒动后
果严重。当UPS 系统的逆变器故障，在UPS 装置静态开关已切换至旁路运行情况下，一旦保安段失压，UPS 母线失电。因此，应将UPS 和APS 的电源不重复地更合理地接至不同的低压母线，我建议将UPS 系统工作电源改接于380V 厂用5a 段。
（四）结束语
UPS 系统在各个领域中应用非常广泛，尤其是单元制机组大多均采用UPS 系统为其重要负荷提供高质量电源，UPS 系统对电厂机组的安全稳定运行至关重要。本文简单介绍了
就#5机组出现茂名热电厂UPS 系统的基本结构和运行方式，
的操作员站失电的故障进行分析、处理，提出了提高UPS 系统可靠性的建议，值得其他电厂借鉴。
【参考文献】
[1] 望亭发电厂编著.300MW火力发电机组运行与检修技术培
训教材电气[M].中国电力出版社,2002-10(1):300-304. [2] 原立涛,李凤玲.UPS电源简介[J].煤炭技术,2001,20(7):
17-19.
[3] 于长顺,等.发电厂电气设备[M].中国电力出版社,2000-04:
280-281.
流体力学在气压式喷壶中的应用与解析
于梅花，陈铭显
（广西大学，广西 南宁 530004）
【摘 要】文章应用气体动态理论和流体力学的相关物理知识，对日常生活中常用的喷壶的工作原理及其对所用的气压式喷壶结构运用大学物理所学的内容进行思考、总结，深入浅出的阐述了气压式喷壶的工作原理和应用技巧。
【关键词】气压式喷壶；伯努利方程；连续性方程；等压平衡 【中图分类号】TS914.259 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)02-0103-02
（一）前言 对不可压缩的流体(如油或水等溶液)，u是定值，可得到
气压式喷壶，它是由塑料、金属合金等制成的多用途的在设计生产中通常采用改变阀芯与阀f 与ω成反比的关系，喷水仪器。它由壶身、汲水管、打气筒、手柄、开关压块、体的相对位置移动来改变截流面积的大小。在研究液体和气喷嘴等组成。常用于浇花、喷洒药剂等，是个常用于农、林、体力学特征过程中，必须要运用人们熟悉的伯努利方程。该种植业的仪器。其价格便宜，多功能，应用广，便于携带，方程的恒定流表达式为：根据伯努利方程
22使用方便。中文数据库中找不到有关喷壶的工作原理的论文，
Ζ+P 1+ν1=Z +P 2+ν2 （4）
只能借鉴部分与流体力学、伯努力方程、连续性方程有关的12
2g γ2g γ
参考文件，对常见的手提式喷壶进行分析与研究。
（二）喷壶的工作原理 式中：Z +P 是单位重量液体所具有的势能，称为比势能。而
γ喷壶的工作主要是通过打气筒手动地给装有液体的壶身
打气，使其内部压力增大，迫使液体进入汲水管流向喷嘴，是单位重量液体所具有的动能，称为比动能．所以，实际液从而向外界喷洒液体。在迫使液体进入汲水管的过程中利用
体恒定总流能量方程，又称为总流伯努利方程。
了给密封的壶身（密封体系）注入气体增大其压强，使壶内、
2
P 1αν1P 2αν22外产生压强差。从而得到喷壶工作的驱动动力。液体（流体）(Ζ1+) +=(Z 2+) ++h ω （5）
2g 2g γγ在壶内通过汲水管压向喷嘴的流动过程可以看作流体的定常流动可用我们所学的内容进行解释。
流体在喷嘴中的流动可以认为是一元的稳定流动。所谓一元的稳定流动就是与流动方向垂直的同一截面上各点的状态参数和速度都是相同的，而且不随时间变化而变化，喷水装置中的水流动都可近似地看作是一元的稳定流动。
1.稳定流动液体的连续性方程
理想液体(液体无粘性，无压缩性)作稳定流动(流体某一处的压强、流速、密度不随时间变化)时，流过各断面的流量(单位时间流过各断面的液体体积（体积守恒）)不变。
S 1V 1=S 2V 2 （1）
m 1=(f 1×ω1)/υ1, m 2=(f 2×ω2)/υ2,…… （2）
式中：αν2
2
一通过总流平面过水断面A1到A2之间液流的比动
2g
能。h ω- 总流由断面A1到A2之间液流的比能损失。
由连续性方程、等压方程和总流伯努利方程得到：当流道截面积随着阀芯的向右移动而逐渐减小时，流速必然增大。反之，当阀芯向左移动时，流道截面积相对变大，流速随之降低，从而实现了射程远近和流量大小无级可调。
2.促使流体流速变化的力学条件
由于在打气筒的打气下，内部系统产生高压，因此在开口系统与外界的轴功交换时得
式中：ω1、ω2-分别为流道截面1和2处的平均流速；f 1、f 2-分别为流道在1和2处的截流面积；υ为比容。
按能量守恒定律，在稳定流动时，图1中截面A1A 1和A2A 2
的质量流量应该相等，而且应等于任意截面上的质量流量，即质量守恒。
m 1=m 2=m 3=(f ×ω)/υ=常数 （3）
−νdp =
1
∫
2
1
ω22−ω12+ω0 （6） 2
()
对于喷嘴，ω0=0，故可得
21
ω22−ω12=−νdp （7）
12
(
)∫
说明流体在可逆的一元稳定流中所作的技术功全部用于
增加流体的功能；反之，流体得到的技术功全部来自流体流动动能的减少。上式的微分形式为
图1 管道中的一元稳定流动
最后化简得
1
d ω2=−νdp （8） 2
【收稿日期】2008-12-08
【作者简介】于梅花（1977－），女，山东青岛人，广西大学物理学院讲师，在读博士。
- 103 -
dp （9） d ω2
KM =−
p ω
2
上式（13）反映了流体流速变化率与流道截面变化率之
间的关系，这是讨论喷嘴截面变化规律的依据。
式中：M =ω/a ，其中 M为马赫数；a为当地音速。
公式（9）反映了流体流速变化率与压力变化率之间的关系。从上式可见，dw和dp的符号是相反的，这说明流体在流动中流速增加，则压力降低；流速降低，则压力增加。对于
κ
喷嘴，dw >0，dp
3.体流速变化的几何条件
系统的对外开口处管道体积变化很大（体积急剧减小）使得流速产生很大变化。将连续性方程式
m =(f ×ω)/υ=常数 （10） 取对数并微分，可得
df d ωd ν （11） +−=0f ωv
（三）喷壶的动力及喷水问题
在日常生活中，我们遇到的都是动力和喷不出水的问题。
一般喷不出水的情况只有在没有水或内部气压很小的情况下才会发生，但是，如果质量不够好，在使用的过程中也会发现它打不了气或有气不喷不出水。主要为拉动阀芯的连动轴断开、阀芯堵死和汲水管受堵几种情况。
打气筒打不了气很可能是其产品的打气筒的内垫片不够严实、缺乏润滑剂等，连动轴的问题主要是材料不够结实。汲水管受堵可在入水口加上一层滤网防止杂物进入。
（四）结束语
通过对气压式喷壶的分析与思考，得出了上述的成果。并且再一次较为系统的复习了大学物理中的流体力学、伯努利方程、及等压平衡的应用与实际结合的重要性。既是对我们课题研究中出现的问题的探讨，又是对生活中常用工具的了解。特别是林学专业必备工具的学习。这也可以作为我们课题研究的副产以及对大学物理这门课程的收获之一。
【参考文献】
[1] 汪永斌,施已平,胡家芬.特殊的多功能喷头的设计研究[J].
浙江大学学报(农业与生命科学版),2002,28(3):335-339. [2] 汪永斌,施已平.多功能喷头的研制[J].浙江万里学院学
报,2001,14(1):15-19.
[3] 何存兴.液压传动与气压传动[M].武汉:华中理工大学出版
社,1998.8,1-42.
[4] 黄文鳇. 水力学[M].北京:人民教育出版社,1981,
5:64-99,215-229．
[5] 王彤,韩大鹏,杨利伟,等.塑料管材供水管网水利计算方法的
探讨[J].长安大学学报(建筑与环境科学版),2004,21(1):51-54.
即 df
f
=(
d ν/νd ω （12）
−1) d ω/ωω
对喷嘴（d ω/ω>0），截面变化率df /f 的正负取决
于流体在流动中比容变化率du /v 和流速变化率d ω/ω 绝对值的谁大谁小，如果d ν/ν
df /f =(M 2−1)d ω/ω
（13）
图2 阀芯的外形
（上接第127页）合闸，造成DCS 操作员站电源消失。
（三）防范措施与建议
1. 防范措施：（1）对机组UPS 电源开关、保险容量进行检查，容量没有按能级阶梯配置要求进行配置的开关、保险要及时更换。（2）#5机组DCS 操作员站正常运行时工作电源改为UPS 电源，APS 电源为备用。这样一来，机组在启停时，厂用电切换过程中，UPS 系统通过直流动力毫无间断地供电。（3）UPS 系统的电源与厂用电和直流系统密切相关。电气人员比较熟悉电源，而热控人员则比较熟悉负荷分配和UPS 装置。因此，UPS 装置的监视、停送电和倒换操作，一般由熟悉电气系统的运行人员执行；但负荷端的UPS 、DPU 、APS 柜内的开关，应由热控人员操作。同时制定定期检查、定期切换的试验制度。
2. 建议
茂名热电厂#5机组UPS 系统工作电源和旁路电源分别取至厂用380V5b 段和保安段，而保安段的工作电源也取自于380V 厂用5b 段；这样一来，UPS 系统的工作电源和备用电源正常时均由#2低厂变供电。APS 系统工作电源和旁路电源也分别为厂用380V5b 段和保安段，它们之间没有自投联锁。
APS 系统将会失当380V 厂用5b 段故障或#2低厂变跳闸时， - 104 -
电，对UPS 系统会产生一定影响，一旦备用自投装置拒动后
果严重。当UPS 系统的逆变器故障，在UPS 装置静态开关已切换至旁路运行情况下，一旦保安段失压，UPS 母线失电。因此，应将UPS 和APS 的电源不重复地更合理地接至不同的低压母线，我建议将UPS 系统工作电源改接于380V 厂用5a 段。
（四）结束语
UPS 系统在各个领域中应用非常广泛，尤其是单元制机组大多均采用UPS 系统为其重要负荷提供高质量电源，UPS 系统对电厂机组的安全稳定运行至关重要。本文简单介绍了
就#5机组出现茂名热电厂UPS 系统的基本结构和运行方式，
的操作员站失电的故障进行分析、处理，提出了提高UPS 系统可靠性的建议，值得其他电厂借鉴。
【参考文献】
[1] 望亭发电厂编著.300MW火力发电机组运行与检修技术培
训教材电气[M].中国电力出版社,2002-10(1):300-304. [2] 原立涛,李凤玲.UPS电源简介[J].煤炭技术,2001,20(7):
17-19.
[3] 于长顺,等.发电厂电气设备[M].中国电力出版社,2000-04:
280-281.