本書全面地介紹了管路氣體力學及其在氣動技術(shù)中的應(yīng)用。力學部分的主要內(nèi)容包括空氣的熱力學性質(zhì)、濕空氣、不可壓縮管流的基礎(chǔ)、相似理論與量綱分析和可壓縮管流；氣動技術(shù)部分的主要內(nèi)容包括充排（或放）氣特性、氣動回路的流量特性、氣動元件流量特性的測試方法，重點介紹了氣動減壓閥特性的測試和氣動元輔件的流動特性。
本書的特色是運用氣體力學的基本知識分析和解決氣動技術(shù)方面的技術(shù)問題，是一本把氣體力學知識應(yīng)用于民用工業(yè)的圖書。本書既涉及氣動元件，也涉及氣動回路，還涉及各項氣動元件性能的正確估算方法及性能測試研究方法。本書提出的測量誤差預(yù)估和最佳測點的確定方法對涉及壓縮空氣流動的相關(guān)工作具有一定的指導(dǎo)作用。
本書可供從事氣動工程研發(fā)、設(shè)計和試驗的技術(shù)人員使用，也可供高校相關(guān)專業(yè)師生參考。
現(xiàn)代氣動技術(shù)，氣體在氣動元件內(nèi)及氣動回路內(nèi)，已處于聲速流動和超聲速流動狀態(tài)。聲速和超聲速流動的規(guī)律與不可壓縮流體流動的規(guī)律是截然不同的，有時甚至是相反的。故從事氣動技術(shù)行業(yè)的技術(shù)人員，廣義來講，就是從事以壓縮空氣為介質(zhì)的行業(yè)的技術(shù)人員，必須掌握管路氣體力學的基本知識。這些基本知識介紹管路內(nèi)氣體高速和超聲速流動時的基本現(xiàn)象與規(guī)律。
利用氣體力學基本知識，對各種氣動元件及氣動回路進行流動特性的正確理論估算和正確的性能測試，正確地對氣動元件進行性能估算，才能對氣動元件的性能進行優(yōu)化設(shè)計，制造出性能優(yōu)良的產(chǎn)品。
掌握了氣體力學的基本知識，充分研究兩個氣動元件串聯(lián)回路的特性，就可以提出測試原理正確且可信度高的流量特性參數(shù)測試方法，如串接聲速排氣法和直接測量法。
掌握了氣體力學的基本知識，就能判斷測試氣動元件流量特性參數(shù)的各種標準中的測試原理是否正確。借助均方根誤差分析法，對流量特性參數(shù)進行分析，就能判斷各個測試標準的可信度，以確定該測試標準是否可用。
本書由五部分組成。
第一部分是第1章至第5章，介紹基礎(chǔ)理論。這部分是以壓縮空氣為介質(zhì)做高速流動的應(yīng)用行業(yè)的科技工作者必須了解的有關(guān)熱力學、濕空氣、不可壓縮流體流動和可壓縮流體流動的理論和實驗所需要的基本知識。
第二部分是第6章至第8章。第6章介紹國內(nèi)外表達氣動元件流量特性的各種方法及其適用條件，以及它們之間的相互關(guān)系。第7章介紹在給定各種氣動元件的流量特性參數(shù)的條件下，如何利用氣體力學知識估算各種氣動回路的流量特性參數(shù)，并判斷出臨界截面處在回路中的哪個氣動元件內(nèi)。本章還是判斷測試流量特性參數(shù)的各種標準的測試原理是否正確的理論依據(jù)，其中還討論了國際標準ISO 6358-3：2014系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流量特性的計算方法。該標準也是估算氣動回路流量特性參數(shù)的方法，只不過ISO 6358-3：2014是用不可壓縮流動的思維制定的標準，自然是達不到測試目的的。第8章是計算各種容器的充放氣特性，它是計算氣缸、氣閥、氣動回路等氣動元件的動態(tài)特性的理論基礎(chǔ)。
第三部分是第9章至第13章，這部分運用氣體力學知識，分析了測試氣動元件流量特性的多個國際標準（五點測量法的ISO 6358：1989，上下游壓力測量管通徑加大兩檔的ISO 6358-1：2013，等溫容器放氣法的ISO 6358-2：2013）、國家標準（串接聲速排氣法的GB/T 145131993）和待研發(fā)的直接測量法的優(yōu)缺點和錯誤。并運用均方根誤差分析法，對各個標準的流量特性參數(shù)進行了可信度分析。由可信度的高低，便知道各個標準是否適合使用。對可以使用的標準，也給出了最佳測點位置說明。
第四部分是第14章，介紹測量誤差的預(yù)估與最佳測點的確定。把均方根誤差分析法應(yīng)用于氣動元件流量特性參數(shù)的研究中，便能預(yù)估有效面積S值和臨界壓力比b值的測量誤差，并能找出最佳測點在哪。這不僅對氣動元件、對各行各業(yè)的實驗工作者來說十分有用，還可用于判斷測試原理和測試方法是否可行，測試儀表精度是否合理。知道最佳測點的條件，則可以用極少的精力和資金測出正確的被測值，故具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。為此，專門編寫了本章。介紹了在哪些條件下可以使用均方根誤差分析法，怎樣使用均方根誤差分析法。
第五部分是第15章至第21章。利用氣體力學知識，如何對氣缸、氣動減壓閥、氣管道、管接頭、單向閥、梭閥、氣動方向閥、氣動消聲器、噴嘴及真空發(fā)生器等多種氣動元件進行流量特性的分析計算和性能測試必須注意的事項。
自步入氣動技術(shù)行業(yè)后，總夢想著氣動元件的性能也能像飛機的氣動力那樣，可以用理論分析法大致估算出來，再通過實驗加以修正。若能如此，就能對氣動元件的性能進行優(yōu)化設(shè)計了。這種想法，并非天方夜譚。比如，氣動回路流量特性參數(shù)的估算方法便是理論推導(dǎo)出來的，被實驗證實是正確的。受氣動回路流量特性參數(shù)估算方法的啟發(fā)，提出了串接聲速排氣法，實驗證實該方法是正確的。按兩個元件串接的理論，就能判斷出ISO 6358：1989和ISO 6358-1和ISO 6358-2為什么測不出正確的臨界壓力比b值的原因，這已被實驗所證實。只要測出氣管道的沿程損失系數(shù)λ，就可利用摩擦管流理論計算出任何氣管道的有效面積S值和臨界壓力比b值。借助實驗是可以計算出氣動減壓閥的流量特性曲線的，也能計算出真空發(fā)生器的空氣消耗量，最大真空度和最大吸入流量。氣缸的靜特性和動特性也是可以計算出來的，只是比較復(fù)雜罷了。
理論估算出氣動元件和氣動回路的性能是開創(chuàng)性的研究工作，需要不斷豐富氣體力學知識，也需要探索氣動元件內(nèi)的流動特性，希望有更多的有志者加入這個行列，為中國氣動技術(shù)的騰飛做出貢獻。
本書在這方面的研究工作只算是一個起點，免不了存在一定的缺點和錯誤，歡迎讀者批評指正。
完成本書，不由懷念起北京航空航天大學的恩師陸士嘉教授、徐華舫教授、伍榮林教授等傳授給我們的真知，培養(yǎng)了我們嚴格的科學作風，使我們一生受益匪淺。
在此，感謝SMC（中國）有限公司的張士宏博士、國家氣動產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心原副主任惠偉安高工等對本書內(nèi)容做出的貢獻。
我年事已高，兩年多時間內(nèi)全身心投入寫作中，夫人董玉琴女士對我的工作大力支持和生活上精心照顧，在此表示衷心的感謝。
徐文燦教授
2022年10月于清華園
前言
第1章空氣的熱力學性質(zhì)1
11空氣的物理性質(zhì)1
12熱力學基本概念3
13熱力學第一定律7
14熱力學過程10
15準平衡過程的能量13
第2章濕空氣16
21絕對濕度、相對濕度、露點16
22壓縮空氣的相對濕度、壓力露點17
23高潔凈氣動系統(tǒng)19
第3章不可壓縮管流的基礎(chǔ)29
31流體的概念29
32流體靜力學基礎(chǔ)33
33流動的分類37
34質(zhì)量方程40
35能量方程42
351位能、動能和壓力能42
352伯努利方程42
353伯努利方程的應(yīng)用44
354總流的伯努利方程51
36動量方程54
37層流和紊流57
371圓管中的層流57
372圓管中的紊流62
38沿程損失和局部損失64
39管路計算75
310自由淹沒射流及其應(yīng)用79
第4章相似理論與量綱分析87
41概述87
42力學相似條件87
43相似準則88
44量綱分析91
45利用相似理論完成大通徑氣動元件的
流量特性參數(shù)測試93
第5章可壓縮管流96
51聲速a和馬赫數(shù)M96
52基本方程組97
53一元定常完全氣體等熵流動的
特性分析99
54一元定常等熵流動的參考狀態(tài)100
541滯止狀態(tài)100
542臨界狀態(tài)101
55質(zhì)量流量、壅塞現(xiàn)象102
56氣動力函數(shù)表106
57微弱擾動波及沖波的形成108
58正沖波110
59斜沖波113
510膨脹波117
511超聲速自由射流118
512超聲速風洞的建立120
513超聲速噴管的等熵出流122
514一元有摩擦的絕熱定常流125
5141特性分析125
5142等截面直管有摩擦的絕熱定
常流的特性計算127
515氣體引射器132
5151收縮噴管引射器132
5152收縮噴管引射器的特性計算134
第6章氣動元件流量特性的表述143
第7章氣動回路的流量特性149
71并聯(lián)回路149
72串聯(lián)回路151
73兩個元件的串聯(lián)154
74三個元件的串聯(lián)156
75氣動元件結(jié)構(gòu)形狀對流量特性的
影響159
76有關(guān)串聯(lián)回路研究的分析162
77ISO 6358-3：2014
(即GB/T 1451332020）分析164
771ISO 6358-1：2013(即GB/T
1451312017）中氣動元件的
流量特性參數(shù)表達式164
772按摩擦因數(shù)λ計算氣管道的
流量特性參數(shù)165
773按實驗結(jié)果計算氣管道的
流量特性參數(shù)168
774用其他流量參數(shù)或者直管等效長度
來估算流量特性參數(shù)168
775ISO 6358-3：2014提供的氣動元件
流量特性參數(shù)表達方式的分析169
776ISO 6358-3：2014估算氣動系統(tǒng)的
流量特性參數(shù)方法的分析173
Ⅵ第8章充放氣特性177
81充放氣特性的基本方程177
82固定容器的充放氣特性180
83充放氣特性線186
第9章定壓法和變壓法
(ISO 6358:1989）188
91國際標準ISO 6358:1989的基本內(nèi)容188
92定壓法兩個流量特性參數(shù)
(C、b值）測量誤差預(yù)估191
921聲速流導(dǎo)C值的測量誤差預(yù)估191
922臨界壓力比b值的測量
誤差預(yù)估191
923b值測量誤差的分析及最佳
測點的發(fā)現(xiàn)194
93臨界壓力比b值的由來及其作用198
94定壓法的分析202
941對流量特性曲線近似為橢圓曲線的
假設(shè)的可信性論證202
942有關(guān)定義的分析205
943測試原理的分析206
944測試方法的分析209
945儀表測量精度的分析210
946氣動元件結(jié)構(gòu)形狀對b值的
影響210
947測試元件范圍的分析210
948流量特性擴展式的分析211
949定壓法的修訂建議211
95變壓法兩個流量特性參數(shù)C、b值的
測量誤差預(yù)估211
951聲速流導(dǎo)C值的測量誤差預(yù)估211
952臨界壓力比b值的測量誤差
預(yù)估212
96變壓法的分析220
961壅塞流定義的分析220
962聲速流導(dǎo)C值公式的分析220
963臨界壓力比b值公式的分析220
964測試方法的分析220
965測試原理的分析221
966變壓法的綜合分析221
第10章串接聲速排氣法
（GB/T 145131993）222
101串接聲速排氣法的基本原理223
102兩個流量特性參數(shù)S值和b值的
測量誤差預(yù)估225
1021S值的測量誤差預(yù)估225
1022b值的測量誤差預(yù)估227
103輔助元件的最佳選擇232
1031輔助元件應(yīng)具備的條件232
1032選擇輔助元件的適用圖表234
104氣罐容積V的選擇236
105串接聲速排氣法的測試步驟239
106GB/T 145131993的修訂241
1061修訂內(nèi)容241
1062S值和b值的測量精度241
107有關(guān)串接聲速排氣法的問答242
108串接聲速排氣法的綜合分析246
第11章定壓法和變壓法
（ISO 6358-1：2013）247
111ISO 6358：1989的修訂內(nèi)容247
112ISO 6358-1：2013基本概念和
基本公式的分析248
113測試原理的分析252
1131定壓法的分析252
1132變壓法的分析255
114測試方法的分析255
115其他方面的分析256
116奉化氣動檢驗中心驗證報告的結(jié)論257
第12章等溫容器放氣法258
121等溫容器放氣法的基本原理258
122ISO 6358-2:2013的基本原理259
123對ISO 6358-2：2013的質(zhì)疑261
1231流導(dǎo)Ce公式的由來及疑問261
1232臨界背壓比b值公式的疑問261
124正規(guī)的等溫容器放氣法的S值和b值的
測量誤差預(yù)估262
1241S值測
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