流体压强与流速的关系篇1

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关键词：永磁同步电机；DC/DC；控制策略

1驱动电机控制原理

永磁同步电机转子为永磁体，采用旋转变压器作为电机位置传感器，以电机相电流作为反馈量，控制方式为转矩闭环控制，控制系统原理如图1所示。

高压直流电源经电机控制器DC/AC变换为电压幅值和频率可调的三相交流电，驱动永磁同步电机运转：同时，通过检测当前的转子位置信号和对电机的相电流进行实时采样，并送入电机控制单元。电机控制单元通过CAN总线与整车控制器进行通信，从整车控制器获得当前转矩指令、运行模式和旋转方向，并根据反馈得到电流和电机位置信号，控制电机控制器产生所需要的三相交流电，从而实现电机正常运行。

2控制器硬件功能描述及组成

2.1电机控制器具有如下功能

（1）过流、过压、过温、欠压、超速、电源极性连接错误等保护功能；

（2）转矩监控功能；

（3）具有CAN电路接口用于通讯，232通讯接口用于程序烧写、监控和标定：

（4）控制永磁同步电机运行。

2.2控制器硬件组成

控制器硬件主要由低压DC-DC控制电源单元、DSP控制单元、功率变换单元、接口电路、检测单元（温度传感器，电流传感器）构成。控制器硬件结构框图，如图2所示。

2.3DC-DC控制电源单元

DC-DC控制电源在宽范围输入电压下，为DSP及驱动电路和控制电路提供多路相互隔离的电源。根据控制器实际需求，DC-DC控制电源采用多个反激式开关电源来满足需求。

2.4DSP控制单元

DSP控制单元以驱动S320LF2407为主控芯片，采用永磁同步电机变压变频矢量控制方法，实现对永磁同步电动机的转矩闭环控制。

DSP控制单元主要功能包括：控制算法的实现：SVPWM信号的产生：电流、电压及温度信号的采样与计算：电机转子位置与转速的检测与计算：通过CAN总线通讯接收整车控制命令；各种保护功能（欠压，过压，过流，过温等）的实现。

DSP控制单元的电路主要包括：时钟电路；复位电路；JTAG接口电路：外部中断电路、PWM驱动控制电路：AD采样电路、旋变信号检测电路；CAN/232接口电路；D/A转换电路；外扩EEPROM电路；I/O控制电路等。

2.5功率变换单元

控制器的功率变换单元由直流滤波电容、大功率器件IGBT及其驱动电路构成。

功率模块驱动电路主要接受DSP开关信息并反馈相关信息（保护信号）；放大开关信号并驱动IGBT；提供电压隔离和保护功能。控制器驱动电路以隔离型驱动芯片为核心，对控制单元提供的PWM信号进行隔离放大，驱动大功率器件IGBT，实现DC-AC转换。控制器采用英飞凌的FS400R07AIE3（400A/650V，PinFin结构）作为大功率开关器件。直流滤波电容采用国内领先的AAEV42872膜电容，配套与IGBT模块组成模块式结构。

2.6检测电路

检测电路主要包括电机相电流（A/C相）、母线电流、母线电压、电机温度、控制器温度及电机位置和速度进行实时检测，并将采集到的信息送给DSP控制单元，是电机驱动系统可靠运行的保证。

3控制器关键器件选型

3.1DSP控制单元

电子控制技术已从模拟控制发展到以集成度高的微处理器为核心的数字控制，与传统的模拟控制技术相比，数字控制拥有以下优点：

（1）体积小、重量轻、能耗低，硬件成本低：

（2）硬件线路连接少、无故障工作时间长、可靠性更高：

（3）受温度及其它参数变化影响小；

（4）提高了整个系统信息存储、监控、诊断及实时性的能力：

（5）可以通过软件编程实现复杂的算法功能，使系统具有较高的适应能力，容易应用现代控制理论，提高了系统的综合性能。

以电力电子控制技术的数字化发展作为条件，电机控制系统在硬件结构上也发生了很大的变化。尤其是DSP的出现和快速发展，既简化了电机控制的硬件结构，同时还实现了电机控制的高性能、低成本和高可靠性。本系统选用了TITMS320LF2407DSP作为主控制器芯片。

3.2功率变换单元

功率变换单元的驱动电路选用汽车级隔离型IGBT驱动芯片，能够实现对SVPWM信号的放大，强弱电的电气隔离以及IGBT短路保护等功能。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的车用电机及其控制系统应用领域。

本系统功率模块选用英飞凌汽车专用IGBTFS400R07AIE3（400A/650V，PinFin结构）作为大功率开关器件，如图3所示。

3.3滤波电容

电机控制器直流滤波电容主要是用于滤除lOkHz的高频纹波，瞬时功能及谐波补偿等作用。要求直流滤波电容具有高的有效值电流和抗浪涌能力，以及紧凑的体积。

膜电容具有介电常数较高、体积小、容量大、稳定性较好的特性，能够承受高的有效值电流，能承受两倍于额定电压的过压，能承受反向电压，能承受高峰值电流，拥有较长的使用寿命。与电解电容相比，实现相同的功能，其所需的容值要远远低于电解电容，可以大大减小系统的体积。

4驱动电机的选型

由于新能源轿车频繁启动及加减速，低速大扭矩，高速高功率运行工况特点，对驱动电机技术要求总体归纳如下：

（1）满足电池能量利用最大化：要求高效率及宽效率区间特点，布置空间体积最优，重量轻量化的高密度要求；

（2）满足动力性能要求：需要高速宽调速性能，大启动转矩及强过载能力，快速转矩相应及高速高功率特定；

（3）满足整车舒适性、可靠性要求：电机转矩波动小、控制成熟、电机结构简单、可靠；

（4）满足成本要求：需要电机制造工艺简单，价格合理。

国内永磁同步电机技术不断发展，中国稀土资源也相对丰富，永磁同步电机满足新能源轿车技术需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高转矩密度、控制成熟、具有较宽效率区间和调速性能等技术特点，相对于直流电机结构简单、可靠、制造工艺成熟、工艺简单、成本适中。

本文描述驱动电机基于以上特点，采用永磁同步电机方案，基于成熟车型电机V型磁钢冲片平台进行扩容设计，具有技术平台成熟，成本控制能力强等特点。

5控制器接口电路

永磁同步电动机控制器有两个接口电路（完全相同），使用23PIN的AMP接插件与整车及电机相连，提供控制电源、CAN通信、RS232下载等功能。

RS232接口电路，如图4所示。

6电磁兼容性设计

控制器EMC设计主要从强电、弱点、结构三部分开展工作。

6.1强电部分

（1）电机三相动力电缆采用屏蔽电缆，电机和控制器两端接地屏蔽；

（2）正负母线与机壳见加Y电容，消除共模干扰，正负母线加X电容消除差模干扰：

（3）正负采用叠层母排，降低线路寄生电感。

6.2弱电部分

（1）电源输入/输出增加滤波电路：

（2）开关电源变压器设计尽量减小分部电容；

（3）所有输入/输出信号增加滤波电路：

（4）CAN通讯采用隔离电路，采用典型CAN接口电路，并使用双绞线。

6.3结构部分

（1）箱体采用封闭式，对控制器进行整体屏蔽；

（2）控制器内部强弱电路分开布置，避免相互干扰；

（3）优化线束布置，避免交叉造成相互干扰。

7永磁同步电机控制技术

对于转子磁钢内嵌式永磁同步电机控制，基速以下采用最大转矩/电流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制，如图5所示。

图5中交流永磁电机最佳电流矢量控制策略的基本思想如下：

（1）区间ω≤ω1，时，定子电流矢量规定在A1点，电机采用最大转矩/电流比控制，电机以最大恒转矩运行。此时，定子电流满足：|is|=ilimilim，为电流极限圆半径；定子电压满足：|μ|≤μlim，μlim为定子相电压极限值：

（2）区间ω1

（3）区间ω>ω2：时，电流矢量沿着最大功率轨迹从A2移动至A3点，此时转速为理想的极限转速。此时，|is|=ilim，|μ|≤μlim。

由上述分析可以看出，定子电流最佳控制过程中，电机处于驱动工况下的的定子电流运行轨迹为OA1A2A2。

基于电压前馈的永磁同步电机矢量控制基本框图如图6所示。

图6中，给定电机的输入电流，由最大转矩一电流控制策略给出d、q轴电流，同时与弱磁电流进行运算产生给定的d、q轴给定电流。给定的电流与反馈的电流比较，经过PI调节器的作用产生给出的d，q轴电压经过变换产生电机的三相电压对电机进行控制。由于采用了转子磁场定向的矢量控制，可直接实现电机的转矩，实现四象限的运行。电流控制策略依照不同输入转矩需求和当前转速状态，按照图6所示的交流永磁电机电流最优控制方法，计算得到各个转速和转矩需求下的id和iq电流值，并作为指令值控制实际输出电流。

当车载动力电池电压随着负载、SoC状态发生变化时，Udc发生变化，电压控制量Uslw随着变化，通过电压闭环调解，使得电机输出能力随着电压变化而改变。基于直流母线电压可变得永磁电机控制以交流电压输出恒定为控制目标，使得电机在弱磁运行情况下输出电压恒定，充分发挥电机输出能力。Uslw经与实际电机电压的比较，通过PI调节输出电流补偿量，补偿电流控制策略中的id电流。

流体压强与流速的关系篇2

关键词：新教材新理念新学情

初中物理新教材是依据新课程标准的要求，充分体现了新课程标准的基本理念，改变了旧教材中过于注重知识传授、不重视学生的学习过程，过于强调学科体系、偏重书本知识的现状，加强了课程内容与学生实际生活以及现代社会科技之间的联系，关注学生的学习兴趣和经验，着眼于全体学生的发展和终身学习的需要，注重培养学生的创新精神和实践能力。

作为教师如何把握好、运用好新教材，关键是教育观念的彻底转变，要用新课程标准的基本理念指导教学实践。在实际教学中要真正落实到实处，应注重以下几个方面：

一、明确教学的目的是什么

传统的教育观念把知识的传授作为主要的教学目的，而忽视了学生的学习过程和能力的培养。而新课程标准提出基础物理教学的目的，不仅仅是要求学生知道一些必备的物理知识，与此同时更应该关注学生的发展需求，注重对学生科学素养和能力的培养，为学生的终身学习奠定基础。为此，教师在教学过程中对每一章、每一节的内容，都要根据新课标的要求确定三维目标，即知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观，明确在教学过程中培养学生哪些方面的能力、怎样把目标落实到教学的各个环节中去。

二、用新课程的理念去理解新教材，弄清编者的意图，把握教材的实质

教师在备课时必须统揽新教材，深入钻研和挖掘新教材，正确理解编者的意图；明确每一章、每一节的内容对新课程理念有哪些明显的体现，是以什么方式呈现的，其实质是什么，教材中所设置的每一个实验、每一个插图的目的是什么，怎样运用好这些教学资源。

三、准确把握重点，找准难点

教学中的重点是教学的核心问题，在备课时教师要根据核心问题来设置教学活动，因此教师在备课时必须准确把握每一章、每一节的重点，这是课堂教学的关键。如何准确把握教学的重点？要根据新课程标准的要求，从教学目标中确定重点内容。教学难点是学生在学习过程中的思维障碍点，与学生的学习能力、思维习惯、知识储备、生活经验和心理特点等因素有关。因此要找准教学难点，就必须进行学情分析，根据学生的实际情况来确定。

四、摆正教师的位置

按照新课程标准的要求，教师的角色必须转变，即从知识的传授者转变为组织者、引导者、解惑者和参与者。只有摆正了教师的位置，在进行教学设计时，才会从这些角色出发进行思考：设置什么样的问题才能符合学生的认知特点？怎样引导学生主动思维？如何激发学生的兴趣和求知欲？学生会有哪些疑惑点？怎样予以恰当的点拨？在什么时候点拨？

下面结合本学期新教材内容“压强和浮力”一章中的“流体压强和流速的关系”谈谈对新教材的处理和设计思路。以下是本节课的教学设计全过程：

1、教材分析

本节内容是属于流体动力学的知识，从学科体系来看应该到高中才开始系统学习，在旧教材中属于选学内容。但这部分知识与实际联系密切，在日常生活和科技生产中有着广泛的应用。新教材中把这部分知识作为必学知识，充分体现了“关注全体学生的发展，改变学科本位；从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念。

2、学情分析

学生是在学习了力和运动的关系、二力平衡的条件、压强的概念、液体压强和大气压强的知识之后来学习这部分内容的，已经具备了一定的知识积累。学生在日常生活中已见过很多气体的压强与流速有关的现象和应用实例，但对其原因并不清楚。多数学生的问题意识淡薄，从身边熟知的现象中发现问题、提出问题的能力普遍较差，因此要让学生能从实验现象中发现气体压强与流速的关系比较困难，需要教师的引导和点拨。转贴于

3、教学设计

（1）教学目标

①知识与技能

了解气体的压强和流速有关；了解飞机的升力是怎样产生的；了解生活中跟气体的压强与流速有关的现象。

②过程与方法

通过实验探究，认识流体的压强跟流速的关系；体验由气体的压强差异产生的力。

③情感态度与价值观

初步领略气体压强差异所产生现象的奥妙，获得对科学的热爱、亲近感。

（2）重点

流体压强与流速的关系。

（3）难点

使学生能从实验现象中发现气体压强与流速的关系并提出探究问题；对流体压强与流速关系的实际应用和有关现象的解释（根据学情分析，确定难点）。

（4）教学设计思路

整个课堂教学过程可分为三个大环节：

①通过实验创设情境，引导学生发现问题，提出探究的核心问题并做出合理的猜想。

其目的是激发学生的兴趣和求知欲，满足学生的好奇心，注重培养学生的问题意识和提出问题的能力。

此环节是本节课的关键环节，因为发现问题、提出问题是进行科学探究的前提，科学探究过程就是围绕所探究的问题展开的；同时此环节也是教学的难点，而突破难点的关键就是如何引导学生在已有认知的基础上通过分析实验现象，发现气体的压强与流速有关。

②根据提出的探究问题和猜想，引导学生设计实验并进行实验，验证猜想是否正确并得出结论。

其目的是让学生经历探究过程，注重培养学生的科学探究能力、动手实验能力和实事求是的科学态度。

此环节是科学探究的重要环节，因为科学探究需要把提出的猜想和假设落实到具体的操作方案上来，并通过具体的操作来验证猜想。要使学生参与实验探究过程，首先要使学生明确探究的目的是什么、已知条件是什么，在此基础上，引导学生设计实验，根据设计的实验来选择所需要的器材。

③联系社会科技与生活实际，引导学生运用流体压强与流速的关系解释有关现象，分析解决实际问题。

流体压强与流速的关系篇3

本章中考的热点是关于压强的概念、液体压强的特点以及大气压强的应用，近年新课标中考试卷出现流体压强与流速关系的题目也不少。本章在中考命题中注重生活实际的应用，探究性试题仍然是热点题型，本章与质量、密度、浮力的综合考查也常出现，对于流体压强的考查也是从生活实际出发，试题难度较小，今后在复习中应加强所学知识与生活应用的联系，利用压强知识多解释一些实际问题，还要学习探究实验的一般思路和方法。

2考点点拨与典例剖析

考点1固体的压强

增大或减小压强的方法是中考常考的一个知识点，题型以选择题、简答题为主；

压强的计算也是中考常考的一个知识点，题型以填空题、计算题为主；

控制变量法是研究压强的方法，是中考热点之一，题型为实验题。

典例剖析

例1（2006桂林市）如图，采用减小受力面积的方法增大压强的事例是

解析此题是理论联系实际的题目，考查了增大或减小压强的方法。菜刀刃锋利，是通过减小受力面积，增大压强，以致使刀很容易将菜切断。起重机上装有履带，铁轨铺在路枕上，滑雪时穿的宽大的滑雪板，都是通过增大受力面积的方法来减小压强。

例2（2006江苏连云港市）在探究“压力作用的效果与哪些因素有关”的活动中，同学们首先进行了热烈讨论和大胆猜想，接着设计了多种验证方案。然后，李亚同学按图甲所示进行操作，她觉得左拇指受压的感觉比右拇指要强得多；并且越用力，受压感觉越明显。徐真同学的实验如图乙，他观察到与手掌接触部分气球的形变较小，而用手指顶着的那部分气球形变明显；且手指用力越大，形变越明显。

实验完毕，同学们互相进行了交流，并得出结论：

⑴当压力相同时，，压力作用的效果越明显；

⑵当受力面积相同时，，压力作用的效果越明显。

解析观察甲图，由于铅笔处于静止状态，因此受到平衡力的作用，物体间力的作用是相互的，故两手指所受的压力相同，又通过题意可知，在压力相同的情况下，左拇指受压的感觉比右拇指要强得多，因此得出结论：当压力相同时，受力面积越小，压力的效果越明显，压强越大。而且越用力，受压感觉越明显，说明当受力面积相同时，压力越大，压力作用的效果越明显，压强越大。同时图乙也说明了这一点。本题重点考查了控制变量法在研究物理规律过程中的应用。答案：受力面积越小；压力越大。

考点2液体的压强

液体压强的规律、计算是中考常考的知识点，题型有填空题、选择题、实验题、计算题；

连通器的原理及生活中的应用，在中考中也常考查，题型以填空题、选择题为主；

典例剖析

例1（2006哈尔滨）同一座楼里的水龙头，楼层越高出水速度越小，其中一个重要原因是____。如果每层楼高3m，当水龙头全部关闭时，相邻两层相应位置水管内的压强差为____Pa。

解析本题考查了对液体压强规律的理解，液体内部的压强随深度增加而增大。水的压强与水的深度有关，深度越大，压强越大。由于越往高处，水的深度越小，所以压强越小，出水速度越小；相邻两层相应位置水管内的压强差

例2（2006河北）小明做“研究液体的压强”实验时得到的几组数据如下表：

根据表中的数据，请回答下列问题：

（1）比较序号1、2、3的三组数据，可得出的结论是。

（2）比较序号3、4、5的三组数据，可得出的结论是。

（3）比较序号5、6的两组数据，可得出的结论是。

解析从所给信息看，1、2、3中液体种类、液体的深度均相同，只是橡皮膜的方向不同，而液体产生的压强相同，说明在同一液体的同一深度处，向各个方向的压强相同；3、4、5中液体种类、橡皮膜的方向均相同，只是液体的深度不同，而产生的压强不同，液体深度越大，产生的压强也越大，说明在同一液体中，液体的压强与深度有关，深度越大，压强越大；5、6两组中只有液体种类不同，产生的压强也不同，说明液体的压强还与液体的种类有关，同一深度处，液体的密度越大，产生的压强越大。此题考查了控制变量法在研究液体内部压强规律中的应用。

例3两把同样粗的茶壶，壶嘴是一样高的，但壶身一把比较高，一把比较低．哪一把茶壶能够盛得更多茶呢？

解析本题考查了连通器的原理。当连通器中只注入一种液体，且液体静止不动时，各容器中的液面保持相平。因此，对于每把茶壶，装满茶后，壶身与壶嘴中的液面一样高，又因为两把茶壶同样粗，壶嘴又一样高，所以两壶盛茶一样多。

考点3大气压强

日常生活中大气压强的存在事实，是中考常考的内容，题型以填空题、选择题为主；

通过托里拆利实验的过程与事实，认识大气压的值；还有大气压的变化规律，都是中考考查的知识点，题型以选择、填空题居多。

典例剖析

例1（2006南昌）小亮同学从超市买来一个玻璃瓶装的铁皮盖罐头，想把瓶盖打开，可是怎么也拧不动。小亮的哥哥用螺丝刀沿瓶盖的边轻轻敲了几下，一拧就打开了，这主要是因为用螺丝刀撬瓶盖可以

A．增大瓶盖直径，减小瓶盖侧壁对瓶的压力

B．减小瓶盖与瓶口的接触面积

C．减小瓶内外气体的压力差

D．由于撬了盖的一边，而增大了盖的另一边的压力

解析此题中涉及的内容是生活中常见的现象。罐头是真空包装，罐头铁皮盖在外界大气压的作用下很难打开，当用螺丝刀沿瓶盖边撬几下后，大气进入罐头内部，这是瓶内外气体的压力差很小，所以瓶盖就容易打开。答案选C。

例2（2006黑龙江）彤彤感冒咳嗽，妈妈她买了“双黄连口服液”，粗心的彤彤将口服液盒内特制吸管弄丢，只好拿来一根较细的饮料吸管插入瓶中，结果却怎么也“吸”不上药液。后来，她发现两种吸管的形状不一样，饮料吸管外壁光滑，口服液吸管外壁有棱，两种吸管的截面形状如图所示。请你运用物理知识解释为什么两种吸管“吸”药的效果不同。

解析吸管插入药液瓶后，由于药液吸管的外壁是凸凹不平的（或有棱），有利于空气的进入，在大气压的作用下把药液压入口中。而饮料吸管的外壁光滑，它与药液的橡胶瓶盖紧密接触，空气不能进入，因此“吸”不上药液。

例3做托里拆利实验时，测量的大气压强值比真实值小，其原因可能是

A．玻璃管放得不竖直

B．玻璃管内混入少量空气

C．水银槽内的水银太多

D．玻璃管粗细不均匀

解析托里拆利实验测定了大气压的值，在同一地点同一时刻大气压的值是一定的，所以玻璃管的粗细、是否竖直放置、压入水银槽的多少，水银槽的高度是不变的。故ACD错。如果有少量空气混入管中，则管内水银面上方充进了稀薄气体，当水银柱静止后，大气压强等于水银柱产生的压强与稀薄气体产生的压强之和，此时管内外水银面的高度差偏小，所以选B，本题考查了托里拆利实验的原理，要求同学们掌握做托里拆利实验的操作要求，能正确判断管中进入气体对测量的气压值的影响。

考点4流体压强与流速关系

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流体压强与流速的关系是新课程改革添加的内容，与日常生活紧密联系。题型可以有填空题、选择题、问答题。

典例剖析

例1（2006广州市）阅读下列材料，然后回答问题。

物理学中把具有流动性的液体和气体统称为流体，当液体处于流动状态时，其内部各处的压强有什么关系呢？

小明同学将图甲所示的玻璃管装置接到水流稳定的自来水管上，当水在玻璃管中流动时，可看到两个竖直管中液面的高度并不相同，从图中可以看出在A、B两处管的粗细不同，因而A处流速小，B处流速大，可见流体的压强与流速之间有一定的关系。

接着，小明又自制了一个飞机机翼模型（如图乙所示），将其固定在托盘测力计上，在机翼模型的正前方用电扇迎面吹风来模拟飞机飞行时的气流，比较机翼上下方气流压强的大小，进一步验证了上面的关系。

（1）由图甲所示的实验，可以得出液体的压强与流速之间有什么关系？

（2）在图乙所示的实验中，电扇转动后，托盘测力计的示数发生了什么变化？

（3）下列四种情形中，哪几种情形能够运用上述的实验规律进行解释？（）

A．乒乓球运动员拉出的弧旋球能急速旋转而下沉

B．将氢气球放手后，它会飘向空中

C．直升飞机能够停在空中一定高度

D．船舶航行时应避免两艘靠近的船并排前进

解析本题是一条阅读探究题，必须仔细阅读题目，探询有用的信息，为解题确定条件。图甲的实验中，题目已经告诉我们，管B处的流速大，而从图形中可以看出该处水压托起的水柱高度反而比A处小，则该处的压强越小，所以实验结论就是，液（流）体的压强随流速的增大而减小，随流速的减小而增大。利用第一个实验结论，对第二个实验进行理论分析，这里对考生提出了一个“现学现用”的能力要求，也是新课程标准的要求，是新的考试方向，我们要接受这种挑战和加强这方面的训练。由机模型的底部平整，下方空气的流动速度不大，而上方空气的流动速度较大，这样下方向上的压强（力）大于上方向下的压强（力），它们的合力向上，这样飞机受到重力的同时，还受到流体（空气）向上的举力，因而对托盘的压力减小。同理，运动员拉出的弧旋球下方空气流速大于上方空气流速，因而产生向下的压力差，乒乓球会急速旋转而下沉；当两艘船平行向前航行的时候，在这两艘船中间的水的流速比外侧的水快，所以外侧水的压力大于内侧水的压力，使两船互相靠近碰撞。因此应避免两艘靠近的船并排前进。答案：（1）流速大（小）的地方，压强小（大）；（2）托盘测力计的示数会减小；（3）AD.

流体压强与流速的关系篇4

（上海飞机设计研究院，中国上海201210）

【摘要】环控试验室采用音速喷管为标准流量计的正压法空气流量校准装置，当音速喷管背压比小于临界压力比时，流量只与上游压力有关而不受下游压力的影响。因此上游供气压力波动关系到整个流量校准装置的稳定性，为减小上游供气压力的波动，对储气罐原有的并联供气管路进行改造，使其可以实现串联供气以满足流量校准装置用气需求。

关键词流量校准装置；音速喷管；储气罐；管路改造

0前言

流量校准装置是环控试验室必不可少的工艺设备，其主要作用有以下两个方面：①环控系统试验中，需要使用流量计进行气体流量测量。针对不同的试验流量计需要拆卸及重新安装，其测量精度可能会发生变化，需要通过流量校准装置来对流量计的测量误差进行判断，以保证流量计的准确性；②管路流量计加装时由于受限于直管段不足，流量计读数往往不准确，需要通过流量校准装置对加装流量计后的管路进行标定，得出真实流量与流量计读数的关系，作为试验时流量测量的依据。因此流量校准装置的稳定性关系到环控系统试验的流量测量准确性。

1流量校准装置

环控试验室采用音速喷管为标准流量计的正压法空气流量校准装置（图1），装置主要包括流量调节系统、喷嘴计量段总成及装置鉴定管线等。校准装置上游接试验室已有供气系统，下游经过消音器排出室外。

图1流量校准装置结构原理图

注：T——温度变送器，P——压力变送器，RH——湿度变送器.

本流量校准装置采用的音速喷管为文丘里喷嘴（图2），该喷嘴按照一定的几何结构设计，根据气体动力学原理，当下游与上游压力之比达到临界压力比的条件时，在喷嘴喉部形成临界流状态，气流达到最大速度（音速）。流过喷嘴的气体质量流量也达到最大值qm。此时qm只与喷嘴入口处的滞止压力和温度有关，而不受下游状态变化的影响。流经临界喷嘴的质量流量qm可按下式计算：

式中：qm——通过临界流喷嘴在实际条件下的质量流量；

A*——临界流喷嘴喉部的截面积；

C——临界流喷嘴的流出系数；

C*——实际气体的临界流函数；

P0——喷嘴前气体的绝对滞止压力；

T0——喷嘴前气体的绝对滞止温度；

RM——8.31441J/(mol)通用气体常数。

从上述公式可知，影响喷嘴流量稳定性的有A*、C、C*、T0、P0等几个参数，其中A*、C、C*为喷嘴固有参数不会影响流量稳定性，T0、P0为喷嘴前滞止温度和滞止压力，由于上游供气为空压机气源系统，上游温度为室外大气温度，因此喷嘴前滞止温度基本不变；上游压力由于空压机的特性会存在一定的波动，导致喷嘴前滞止压力也会存在一定波动，从而会影响流量校准装置流量稳定性。综上所述，要确保本套流量校准装置流量稳定性一定要保证上游供气压力稳定、波动小。

2储气罐系统管路改造

2.1储气罐系统

环控系统试验时为保证下游供气稳定，在气源系统下游配置了储气罐系统（图3），储气罐系统主要包括两个100立方米的罐体、连接上下游系统的管路、阀门、补偿管路等。由于环控系统试验时用气量较大，为满足用气需求，储气罐系统设计时采用管路将两个罐体并联进行供气，两个储气罐进气口和出气口处都设置手动阀门，试验用气量小时可以关闭一个罐体进出口的阀门，只使用一个罐体进行供气，以达到节能减排的目的。

2.2储气罐系统管路改造

正压法流量校准装置对于上游供气压力的稳定性要求很高，根据文献[3]中的描述，为提供稳定的流场，正压法音速喷嘴气体流量装置需设置稳压罐以稳定压力。目前储气罐系统是将两个储气罐并联进行供气，储气罐主要是起到储气的作用，并联储气罐出口汇流处由于两个罐体压力差异容易产生新的压力波动。此外，气源系统提供的压力与流量校准装置上游所需压力相差过大，压力调节难度大，且调压活门下游容易产生较大的压力波动，影响流量校准装置的流量稳定性。

图4储气罐系统管路改造示意图

根据流量校准装置的用气需求，在原有储气罐管路规划的基础之上进行了管路改造，改造结果如图4所示。当需要实现并联供气时关闭减压阀门，打开手动阀门1、2、3、4就可以将两个储气罐并联在一起进行供气；当需要实现串联供气时，打开手动阀门1、4及减压阀，关闭手动阀门2、3，上游气体首先通过阀门1流入储气罐1，再通过减压阀减压后流入储气罐2，最后通过手动阀门4流出至下游流量校准装置，这样储气罐1主要起到储气作用，而储气罐2则作为稳压罐主要起到稳压作用，这样就可以保证储气罐出口压力稳定，从而满足流量校准装置用气需求。

3结语

流量校准装置在环控系统试验中是不可或缺的，正压法音速喷嘴气体流量校准装置的稳定性主要取决于上游供气压力稳定与否，为保证上游供气压力稳定，对原有的储气罐系统管路进行了改造，具有很强的实践操作指导意义。

参考文献

［1］郭爱华.标准表法气体流量标准装置[J].自动化仪表,2009,30(8):50-54.

［2］宋德星.临界流文丘里喷嘴测量不确定度分析[J].工业控制计算机,2013(12).

［3］王池,王自和,张宝珠,孙淮清.流量测量技术全书[M].北京:化学工业出版社,2012.

［4］王东伟,段慧明.pVTt法微小气体流量标准装置[J].现代计量测试,2000(3):37-43.

流体压强与流速的关系篇5

[关键词]冶金、喷吹、高压喷吹、低压喷吹、修正值

中图分类号：TF325.63文献标识码：A文章编号：1009-914X（2016）23-0002-02

1.确定喷射冶金效率的关键因素

实践证明，使用相同的脱硫（磷）剂，其脱硫（磷）率与方法的搅拌能力、粉剂的粒度等关系甚大。如使用CaC2脱硫剂时，KR法效率达90%以上，而喷吹法则为70-80%。喷吹Na2CO3和撒Na2CO3于铁水表面再用空气搅拌，前者脱磷效率比后者高10-20%[2]，脱磷能力喷吹法高于底部气泡法。

采用喷射冶金的理论根据是：在高温反应条件下，化学反应的速率不成问题，限制环节是传递屏障。

传递速率方程：F=A.

式中：F―物质流量

A―比表面积

D―扩散常数

―界面层厚度

―浓度梯度

上式中D、变化不是主要的，而粉末增加了A，搅拌减小了，促使反应加速。

提高喷出速度，则能提高气体动能亦即对熔池的搅拌能力，提高喷速同时亦可提高颗粒的动能，有利于颗粒突破界面进入液体中去，则提高了粉剂的利用率。从关系式中可以看出：

颗粒的临界直径dcr与颗粒速度V的平方呈反比，速度对于喷吹粒度极小的粉剂尤为重要。

2.高压喷吹与低压喷吹

2.1高压喷吹

所谓高压喷吹，是指输粉气流在喷枪出口处的压力达到该处的临界压力，气流以临界速度（音速）喷出的喷吹。

设喷枪出口外界压力为P0

P0=PM+Pa（Kg/Cm2）

式中：PM为金属液的静压力

PM=rh（Kg/Cm2）

r―金属液容重（Kg/Cm3）

h―喷枪插入金属液深度（Cm）

Pa―为大气压力（Kg/Cm2）

设P1为喷枪出口处的临界压力

则P1和P0有下列关系：

P1=

式中：：混合物的绝热指数;

、：混合物比热Kcal/Kg.℃;

：载气等压热容Kcal/Kg.℃;

：载气等容热容Kcal/Kg.℃;

：系数;

：粉剂的平均比热Kcal/Kg.℃;

：载气在混合物中所占的重量比;

：单位时间内气体的消耗量Kg/S;

：单位时间内粉剂的消耗量Kg/S;

：载气的密度Kg/Nm3;

：气粉流的混合浓度Kg/Nm3;

设喷粉罐至喷枪出口的压力损失为PR，喷粉罐处输粉气流的压力为PT

当PT≥P1+PR=时，该系统则为高压喷吹系统。

高压喷吹喷枪出口处的流速：

式中：

V出：出口流速m/s

g：重力加速度9.81m/s2

KCM：混合物的绝热指数

P出：喷口处的压力Kg/m2

υCM：混合物工况比容m3/Kg

2.2低压喷吹

如果输粉气流在喷枪出口处的压力低于该处的临界压力，则属于低压喷吹，当气源压力低或喷吹工艺要求，亦有采用低压喷吹的情况。

低压喷吹喷枪出口速度

式中：

P0：外界压力Kg/m2

P出：出口处压力Kg/m2

2.3高压喷吹的特点

（1）喷速大，在直筒型喷嘴下为最大速度，对熔池搅拌能力强，只要控制好供气强度（铁水喷吹一般供气强度为0.03～0.02Nm3/t.min），可在不造成喷溅的情况下（相同气量），提高载粉浓度（相同的输送速度），提高粉剂利用率，加速反应。即可以改善喷吹的各项指标。

（2）能保证喷吹过程的稳定性和喷口的畅通。低于临界压力时，铁水的波动使喷口处的压差P处于不稳定状态，可以搅乱整个系统不能稳定，即出现脉冲现象，甚至造成喷口或系统堵塞。高于临界压力的喷吹，流股不受外界P的干扰，因而能实现无脉冲的稳定喷吹。

（3）采用高压喷吹，可以在常压下进行冷态喷吹调试，喷吹参数调好后，进行热态使用时可确保参数不会变化，达到可控、无脉冲之目的，这对钢包喷粉来说具有特别重要的意义。

典型的高压喷吹装置如法国IRSID喷粉装置，向2～3米深的金属熔池喷粉时（其临界压力相当于3～4Kg/Cm2）喷枪口压力为5～7巴（5.1～7.1Kg/Cm2）粉料分配器出口输送压力为7～10巴（7.1～10.2Kg/Cm2）。

（4）日本则采用低压喷吹，在喷枪入口处设置回旋器，利用切线引入纯净气体，可以降低流股外层的含粉浓度并缓冲枪管压力的波动。

3.冷态试验

3.1冷态试验的目的

喷射冶金中使用的喷粉装置，是以可压缩的流体（氩气、氮气、空气、氧气或其它气体）为载体，向熔池输送冶炼所需的各种粉剂。

喷吹要求在一定的时间一定的气体耗量下喷入一定量的粉剂，为此必须事先调试喷吹参数（各路气体的压力、流量），以满足不同特性粉剂的喷吹要求。

3.2高压喷吹冷态试验

冷态试验一般在回收罐系统内进行，这样粉剂可以回收使用而不致浪费。

回收罐的环境压力可近似视为外界大气压力（视除尘方式而定，一般略高于外界大气压力），但肯定低于喷枪在金属熔池中出口处的外界压力。高压喷吹的特性是当喷口处压力高于临界压力时，喷口流股的流速与外界压力大小无关，冷态试验所取得的各项喷吹参数，可直接用于热态喷吹，不须模拟喷吹环境压力。

3.3低压喷吹冷态试验

低压喷吹冷态试验必须模拟热态喷吹的外界压力，所以在回收罐上要安装压力调节装置，以模拟热态时的外界压力。

3.4喷枪出口热态流速的修正值

冷态试验时，可测得流体流量，即可测得V出冷，按前面公式可计算出P出冷。

热态喷吹时，P0冷=P0热，P出冷=P出热，KCM是标况计算值，在此视为常数，热态流股的流速需在V出冷基础上加一个修正值R：

即V出热=R・V出冷

R

热态下喷口处流股的温度值设定准确与否，将决定热态流股在喷口流速的准确性，这是计算喷口直径的一个重要参数。

有条件时，在热态试验中采取措施直接测得喷口流股的温度，从而能准确计算出口流速，这对于整个喷吹系统的参数优化具有重大意义。

参考文献

[1]《喷射冶金和炉外精炼》;

流体压强与流速的关系篇6

关键词高压断路器；技术特性；分析

中图分类号TM561文献标识码A文章编号1673-9671-(2012)041-0213-01

1高压断路器的用途

高压断路器在高压电路中起控制作用，是高压电路中的重要电器元件之一。断路器用于在正常运行时接通或断开电路，故障情况在继电保护装置的作用下迅速断开电路，特殊情况（如自动重合到故障线路上时）下可靠地接通短路电流。高压断路器是在正常或故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。断路器的工作状态（断开或者闭合）是由它的操动机构控制的。高压负荷开关、高压隔离开关和高压断路器的区别。

1）高压负荷开关是可以带负荷分断的，有自灭弧功能，但它的开断容量很小很有限。

2）高压隔离开关一般是不能带负荷分断的，结构上没有灭弧罩，也有能分断负荷的高压隔离开关，只是结构上与负荷开关不同，相对来说简单一些。

3）高压负荷开关和高压隔离开关，都可以形成明显断开点，大部分高压断路器不具隔离功能，也有少数高压断路器具隔离

功能。

4）高压隔离开关不具备保护功能，高压负荷开关的保护一般是加熔断器保护，只有速断和过流。

5）高压断路器的开断容量可以在制造过程中做的很高。主要是依靠加电流互感器配合二次设备来保护。可具有短路保护、过载保护、漏电保护等功能。高压断路器主要以灭弧介质分类。故高压断路器分为油断路器、真空断路器和SF6气体断路器。

2高压断路器的灭弧原理

高压断路器能胜任分断高压电路的关键是它的灭弧性能。高压开关设备在开断高压交流电路时，在较高电压的作用下，即使切断很小的电流也会产生电弧。如果没有相应的火弧措施，电弧较长时间维持下去，可能烧毁电气设备。

电弧导电和金属导电性质不同，属于游离导电。因为弧隙间充满着绝缘介质，如绝缘油、SF6以及高真空等，正常时不能导电，只有当它被游离，即介质被分解，弧道中充满自由电子和正离子时，才具有良好的导电性能。介质被分解为自由电子和正离子称为游离。弧道中介质游离主要有两种方式：一是碰撞游离；二是热游离。在触头开断瞬间，由于触头间距离很小，电场强度很大，绝缘介质中存在少量自由电子在强电场作用下高速运动，获得较大动能。当它和周围的个性原子相碰撞时，就能把中性原子碰撞为电子和正离子两部分。新产生的自由电子马上又加入了这个碰撞行列，一撞二，二撞四，就产生连锁性的碰撞游离，在很短的时间内，介质中流满了大量的自由电子和正离子，形成导电通道，这就是所说的碰撞游离说。

触头间建立电弧后，产生大量的热量，使介质温度急剧升高，介质中的自由电子同样获得很大的运动速度，发生上述连锁反应的游离过程。空气游离的温度为10 000K（K为热力学温度，等于摄氏温度237℃）左右，而触头烧损产生的金属蒸气在3 000K-4 000K时即能游离。一般，当弧隙温度达到4 000K-5 000K时，热游离作用就明显起来，此时电弧已经拉长，由于电场作用引起的碰撞游离，退居次要地位，热游离成了维持电弧的主导因素。

事物的变化都是一分为二的，在发生游离过程的同时，部分自由电子和正离子又重新结合成中性原子，还有的会扩散到远离弧道的地方，这就是所说的去游离作用。

维持电弧有两个必要条件：一是游离速度大于去游离速度；二是具备足够高的电源电压。相反，要熄灭电弧也要有两个必要条件：一是去游离速度大于游离速度；二是切断电源电压。

高压开关研制过程中，巧妙地利用厂交流电在交变过程中的“过零”特性。在50Hz的电路中，交流电弧每经0.01s（50周/s×2次/周=100次/s=0.0ls）就要过零一次。电流过零的，输入弧柱的瞬时功率已经急剧下降；当电流过零时，输入弧柱的瞬时功率等于零。此时，弧柱温度迅速下降，去游离作用大大增强，电弧最容易熄灭。交流开关设备的灭弧装量都是利用“过零”这个有利时机，采取相应的有力措施，在触头打开的同时，用外能或者电弧的能量分解电弧周围的固体、液体或气体火弧介质，产生具有较高压力的气流，强烈地冷却电弧，使交流电弧在电流过零瞬间自然熄灭：灭弧后，出现两个恢复过程：一是介质恢复过程；二是电压恢复过程。

由于介质温度迅速下降，当达到3 000K-4 000K以下时，热游离基本停止，去游离作用使介质绝缘强度迅速恢复。介质绝缘强度能否迅速恢复，关键因素是能否使介质温度迅速降低；因此，高压开关则利用高压空气、SF6气体、绝缘油，以及产气开关等在电弧作用下分解出大量气体来或用气体本身压力或以真空室的真空度来冷却电弧；或利用电磁原理使电弧在磁场内快速运动以加快冷却；提高开关分断速度以增大电流过零灭弧时的弧隙距离；采用介质绝缘强度大的物质作为灭弧介质，提高介质绝缘恢复

速度。

电压恢复过程决定了电弧能否重燃。当恢复电压增加得快，超过介质恢复时的耐压能力时，间隙被击穿，电弧重燃。反之电弧永久熄灭。

电压恢复过程和介质恢复过程存在着相互斗争的矛盾。而高压交流开关则是采用加快开断速度、改善灭弧装置装结构、提高介质灭弧性能等技术措施，使介质绝缘强度的恢复速度大于电压恢复速度，去游离过程大于游离过程，介质不再发生热击穿和电击，将电弧彻底熄灭，实现分断电路的目的。

3高压断路器的技术参数

1）额定电压。表示断路器在运行中能长期承受的工作电压。它不是所在系统的最高电压，比如0.4kV系统，设备额定电压为0.38kV；10kV系统设备额定电压为10kV。

2）额定电流。表示断路器能够正常运行的负荷电流，为考虑其热稳定性，选取一个额定值，即经生产厂商优选配合确定的值，切不可误解为持续运行的负荷电流。

3）额定短路开断电流。是指定额短路电流中的交流分量的有效值。

4）额定短路关合电流。是指额定短路电流中的最高峰值，它等于额定开断电流值的2.5倍。

5）额定短时耐受电流。它等于额定短路开断电流。

6）额定峰值耐受电流。它等于额定短路关合电流。当保护变压器时，为额定短路开断电流值的2.5倍。

7）额定短路持续时间。不同电压等级的电网规定值不同。

如：110kV及以下为4s；220kV及以上为2s，且与其容量有关。另外，高压断路器尚有绝缘性能，分合闸时间等方面的技术参数，要综合考虑，与系统其他设备要匹配合理。

参考文献

[1]王季梅.论开发750kV超高压真空断路器的必要性[J].电力设备,2004,09.