化工原理緒論及第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)部分

1、化工原理（上）化工原理教研室圖1 生物丁醇的生產(chǎn)流程化工原理教學(xué)組織及要求1 一年課程，其中劃分三部分： 化工原理理論教學(xué)(上、下） 化工原理實(shí)驗(yàn) 課程設(shè)計(jì)2 本學(xué)期化工原理講課學(xué)時(shí)安排 第 一章 流體力學(xué)基礎(chǔ) 10學(xué)時(shí) 第二章 流體輸送設(shè)備 8學(xué)時(shí) 第三章 機(jī)械分離及流態(tài)化 7學(xué)時(shí) 第四章 傳熱過(guò)程及換熱器 12學(xué)時(shí) 第五章 蒸發(fā) 3學(xué)時(shí)3 教學(xué)環(huán)節(jié)與要求 課堂教學(xué)：認(rèn)真聽(tīng)講、不要遲到、早退，保證出勤率 作業(yè) ：獨(dú)立完成，及時(shí)答疑， 平時(shí)成績(jī) 10分 期末考試4化工原理1. 課程性質(zhì)本課程位于基礎(chǔ)理論課和專業(yè)技術(shù)課接合部，是一門技術(shù)基礎(chǔ)課。該課程是從事化工生產(chǎn)和研究工作所必修的主要課程之一。

2、2. 特點(diǎn)工程實(shí)踐性較強(qiáng)，要注意理論與實(shí)踐聯(lián)系。 在復(fù)雜的問(wèn)題中抽出關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以合理的簡(jiǎn)化方式建立物理和數(shù)學(xué)模型，然后以實(shí)驗(yàn)或工程實(shí)際驗(yàn)證或檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而解決工程問(wèn)題?；瘜W(xué)工程學(xué)發(fā)展過(guò)程6a）萌牙時(shí)期 現(xiàn)代化工生產(chǎn)始于18世紀(jì)的法國(guó)。 特點(diǎn)：僅僅表現(xiàn)為專有技術(shù)，以研究某一產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)為 對(duì)象，形成了各種工藝學(xué)。 例如：純堿工藝學(xué)、硫酸工藝學(xué)等 b) 奠基時(shí)期 化學(xué)工程（又稱單元操作）作為一門新興的科學(xué)始于19世紀(jì)末二十世紀(jì)初的美國(guó)，基于大規(guī)模的石油煉制。1923年，美國(guó)，W.H. 華克爾，Principle of Chemical Engineering。 特點(diǎn)：明確提出了單元操作的概念，開(kāi)

3、設(shè)了化學(xué)工程與設(shè)備 課程，該時(shí)期的化學(xué)工程仍以實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)為主。 例如：蒸餾、吸收、萃取、蒸發(fā)、干燥、傳熱等?；瘜W(xué)工程學(xué)發(fā)展過(guò)程7c) 化學(xué)工程學(xué)時(shí)期 50年代，隨著各類單元操作之間內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律的揭示、從傳遞學(xué)水平上研究單元操作，建立了“三傳一反” 的概念。 特點(diǎn)：系統(tǒng)地研究傳遞現(xiàn)象， 建立了傳遞過(guò)程的基本概念，揭 示了傳遞過(guò)程的本質(zhì)，從技術(shù)走向科學(xué)。d) 現(xiàn)代化學(xué)工程 20世紀(jì)60年代末，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、系統(tǒng)工程學(xué)的應(yīng)用，使化學(xué)工程學(xué)進(jìn)入全新時(shí)期。 特點(diǎn)：利用系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)全面研究原料、能源、環(huán)保等諸方面的合理利用及其相互影響，化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，推動(dòng)化學(xué)工程向更高階段發(fā)展。 化學(xué)工程學(xué)

4、發(fā)展過(guò)程8工藝學(xué)，硫酸工藝學(xué)、純堿工藝學(xué)等單元操作，1923年，美國(guó)的W.H. 華克爾，Principles of Chemical Engineering20世紀(jì)50年代，“三傳一反”20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)，系統(tǒng)工程學(xué)等應(yīng)用于化學(xué)工程領(lǐng)域，形成了現(xiàn)代化學(xué)工程學(xué)化工原理 (Principles of Chemical Engineering) 化學(xué)反應(yīng)和若干個(gè)單元操作串聯(lián)而成 化學(xué)工程基礎(chǔ)研究各個(gè)獨(dú)立的單元操作化學(xué)工程的研究對(duì)象 單元操作（Unit Operations）(1) 單元操作的概念化工生產(chǎn)過(guò)程 原料的預(yù)處理 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純單元操作化工生產(chǎn)中共有的物理操作2

5、）單元操作的特點(diǎn)所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或 物理性質(zhì)，并不改變化學(xué)性質(zhì)。 單元操作是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作，只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。 單元操作作用于不同的化工過(guò)程時(shí)，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。 2022/9/93）單元操作的分類根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類（三傳）流體動(dòng)力過(guò)程遵循流體動(dòng)力基本規(guī)律，用 動(dòng)量 傳 遞理論研究如：流體輸送、沉降、過(guò)濾、固體流態(tài)化傳熱過(guò)程遵循傳熱基本規(guī)律，用熱量傳遞理論研究如：傳熱、冷凝、蒸發(fā)等傳質(zhì)過(guò)程遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，用 質(zhì)量 傳遞理論研究 如：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等 研究化工

6、單元操作的基本原理、典型化工單元設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和選型以及單元過(guò)程的工藝計(jì)算。 化工原理課程的特點(diǎn) 化學(xué)工程的技術(shù)基礎(chǔ)課； 學(xué)科的綜合- 綜合利用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科知識(shí)，側(cè)重解決工程實(shí)際問(wèn)題； 較強(qiáng)的工程觀念理論上的可行性、技術(shù)可行性、環(huán)境與安全的可行性，經(jīng)濟(jì)上的可行性。 化工原理課程的主要內(nèi)容2. 化工原理課程性質(zhì)與研究方法 2022/9/92. 化工原理課程性質(zhì)與研究方法 3）學(xué)科性質(zhì)工程學(xué)科 用自然科學(xué)的基本原理來(lái)分析和處理化工生產(chǎn)中的物理過(guò)程 4）研究方法工程方法 因次分析法 數(shù)學(xué)模型法 參數(shù)綜合法 當(dāng)量法 類比法直管湍流阻力雙膜模型的建立過(guò)濾常數(shù)當(dāng)量直徑、當(dāng)量長(zhǎng)度等動(dòng)量、

7、熱量、質(zhì)量傳遞的類似規(guī)律2022/9/9化工原理的學(xué)習(xí)方法 發(fā)展：如何根據(jù)某個(gè)物理或物理化學(xué)原理開(kāi)發(fā)成為一個(gè)單元操作，尋本求源。 選擇：為了達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對(duì)過(guò)程和設(shè)備作合理的選擇和組合。 設(shè)計(jì)：對(duì)已掌握了性能的過(guò)程和設(shè)備作直接的設(shè)計(jì)計(jì)算以及對(duì)性能不十分掌握的過(guò)程和設(shè)備通過(guò)必要的試驗(yàn)，測(cè)取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，做逐級(jí)放大。 操作：如何根據(jù)基本原理發(fā)現(xiàn)操作上可能出現(xiàn)的各種不正?，F(xiàn)象，尋找其原因及可能采取的調(diào)節(jié)措施。4. 物理量的單位及換算1. 單位的來(lái)源和單位制：由于歷史的原因造成一個(gè)物理量用很多單位表示，如壓強(qiáng)的單位：大氣壓、工程大氣壓、毫米汞柱、毫巴；來(lái)源不同產(chǎn)生不同的單位制。 物理單位制：

8、基本單位：長(zhǎng)度cm/m 質(zhì)量g/kg 時(shí)間s工程單位制：基本單位：長(zhǎng)度cm 力 kgf 時(shí)間s SI單位制：基本單位有7個(gè)，化工中常用的有5個(gè)： 長(zhǎng)度m 、質(zhì)量kg 、時(shí)間s 、溫度K、 物質(zhì)量mol2. 單位換算 單位換算很復(fù)雜，歸納為： （1）物理單位的換算（用代入法） 簡(jiǎn)單的換算：1m=3.2808ft, 1C=1.8F 復(fù)雜的換算：例1.1查得苯的導(dǎo)熱系數(shù)=0.0919 BTU/（fthoF）, 將導(dǎo)熱 系數(shù)的單位換算為w/（m0C） 。解： 1BTU=1054.2J，1ft=0.305m 1h=3600s，1F=0.556C 將以上換算關(guān)系代入下式 =0.0919BTU/（fthoF

9、） =0.09191054.2/（0.30536000.556）J/（ms oC ） 所以 =0.159 J/(ms oC)= 0.159 W/(m oC )量綱：物理量用基本物理量表示時(shí)，其關(guān)系式中的各個(gè)指數(shù)稱為該物理量對(duì)于所取基本物理量的量綱。 基本量綱： 長(zhǎng)度：L，質(zhì)量：M，時(shí)間：T，溫度：導(dǎo)出量綱舉例：因?yàn)?速度距離/時(shí)間 所以，速度的量綱長(zhǎng)度的量綱/時(shí)間的量綱 uL/T=LT1ML-35. 單位和量綱國(guó)內(nèi)各種化工原理教材均可作為參考。 專著：流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì) Chemical Engineering，T.M. Coulson，660 c832r-z v1 Unit Operat

10、ion of Chemical Engineering（英文改編版），W.L. Mccabe, J.C. Smith & Peter Harriott, 化學(xué)工業(yè)出版社，2008。 Transport processes and unit operations， (christic geen koplis)， 81.17 G2926、 參考書第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ)將水送至每一層樓，需要那些條件？泵、管路 日常生活中煤 氣 洗 滌 塔 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中煤氣煤氣水孔板流量計(jì)泵水封填料塔水池按工藝要求在各化工設(shè)備和機(jī)器之間輸送物料，是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。 1.1 流體流動(dòng)的研究方法1.1.1 控制體

11、：在流場(chǎng)中任意劃定一個(gè)封閉空間作為研究對(duì)象, 稱這個(gè)空間為控制體。圖1 流體流動(dòng)系統(tǒng) 1.1.2 流體的連續(xù)性假設(shè)（1）流體：包括液體和氣體 特點(diǎn) ：1）具有流動(dòng)性； 2）受外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)（2）連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：將流體視為由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的 連續(xù)介質(zhì)。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)： 流場(chǎng)中的物理量，僅和空間位置有關(guān)，而和時(shí)間無(wú)關(guān) u = f (x, y, z)(b)2211 1.1.3 穩(wěn)態(tài)流動(dòng)及非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)1122(a)u=f (t, h) =f (t, x, y, z)流場(chǎng)中的某物理量，不僅和空間位置有關(guān)，而且和時(shí)間有關(guān) u =f (x, y, z, t)t 增大，h 減低 u 降低說(shuō)明：在化工生產(chǎn)中，正

12、常運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)流動(dòng)近似為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。各點(diǎn)各處的流量不隨時(shí)間變化，近似為常數(shù)。只有在出現(xiàn)波動(dòng)或是開(kāi)、停車時(shí)，為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。非穩(wěn)態(tài)流動(dòng): 1.1.4 流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的描述方法（1）拉格朗日法（Lagrange）：選定一流體質(zhì)點(diǎn)，描述其運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如位移、速度）與時(shí)間的關(guān)系。（2）歐拉法（Euler）：在固定位置上觀察質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。如歐拉法對(duì)速度描述如下： 1.1.5 流場(chǎng)的描述（1）跡線：同一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占空間位置的連線。（2）流線：在某一時(shí)刻不同質(zhì)點(diǎn)的速度方向的空間曲線，曲線上任一點(diǎn)的切線即為該點(diǎn)的速度方向。圖1.1.4 流線 1.2 作用在流體上的力 流體受到的作用力分為質(zhì)量力和表面力。 表面

13、力：與該流體微元接觸的外界施加于該流體微元的力。 特 點(diǎn)：力的大小與作用的表面積成正比，單位面積上的 表面力稱之為應(yīng)力。法向力合力切向力圖1.2.1 作用與流體的表面力 法向應(yīng)力：表面力的法向分力，又稱為壓強(qiáng) (N/) 剪切應(yīng)力：表面力的切向分力 (N/)壓強(qiáng)：流體單位表面積上的法向表面力，習(xí)慣上稱為壓力靜壓強(qiáng)：流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的壓強(qiáng)平均壓力： 任一點(diǎn)壓力：?jiǎn)挝唬?Pa , mH2O, mmHg, atm , at (kgf/cm2)注意 ：不同單位之間的換算（1）壓力壓力測(cè)定壓力當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮簤毫y(cè)定絕對(duì)零壓線絕對(duì)壓力大氣壓表壓真空度絕對(duì)壓力圖1.2.2 絕對(duì)壓力,表壓和真空度的關(guān)系表壓：

14、相對(duì)大氣壓為基準(zhǔn)的壓力（g） P(表)=P(絕)-P(大氣)絕壓：相對(duì)絕對(duì)零壓為基準(zhǔn)的壓力（a)。 P(絕)=P(表)+P(大氣)真空度：絕對(duì)壓力低于大氣壓時(shí)， 大氣壓與絕壓之差 真空度=P(大氣)-P(絕)壓力的基準(zhǔn)： 質(zhì)量力：不與流體接觸，而施加于流體所有質(zhì)點(diǎn)上的力。 特 點(diǎn)：力的大小與 質(zhì)量成正比。 重力、離心力是一種質(zhì)量力。(2) 剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的剪切力稱為剪應(yīng)力。 1.3.2 流體的密度 密度的定義： 液體密度 氣體密度 理想氣體:混合物的密度： m已知純物質(zhì)的密度及混合物的組成， 1.3.1 流體的流動(dòng)性： 物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)部分子間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特性稱為流動(dòng)性。 流體沒(méi)有固定的形

15、狀，其形狀隨容器形狀而變化。 1.3 流體的基本性質(zhì) 對(duì)液體混合物： （混合前后體積不變） 氣體混合物：混合前后壓力與溫度變化不大時(shí)，W- 質(zhì)量分?jǐn)?shù)x-摩爾分?jǐn)?shù)在壓力不太高，溫度不太低時(shí)，也可用下式計(jì)算定義：當(dāng)作用在流體上的外力增大時(shí)，流體體積要減小，這種特征稱為流體的壓縮性。壓縮性系數(shù)：當(dāng)溫度維持不變，壓力每增加一個(gè)單位時(shí)，流體體積的相對(duì)變化量或k 0 的流體稱為可壓縮流體，如氣體。k =0的流體稱為不可壓縮流體，如液體。1.3.3 流體的壓縮性u(píng)F0 xu=0yYdudy平板間的流體剪切應(yīng)力與速度梯度（1）牛頓黏性定律1. 3.4 流體的黏性速度分布（速度側(cè)形）：速度沿距離的變化關(guān)系牛頓黏

16、性定律：實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：意義：剪應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。 描述了任意兩層流體間剪應(yīng)力大小的關(guān)系（2） 流體的黏度（a）物理意義動(dòng)力黏度，簡(jiǎn)稱黏度（b）單位 SI單位制 ： Pa . s， N/m2. s 物理單位制 ： P(泊)- 達(dá)因.秒/厘米2 cP(厘泊) 換算關(guān)系：1cP=0.01P=10-3Pa . s=1 mPa . s單位：1St（斯托克斯）=1cm2/s=100 cSt =10-4 m2/s(c) 運(yùn)動(dòng)粘度m2/s(d) 影響因素 液體 黏度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。 氣體 黏度隨溫度升高而增大，壓力影響很小。但在極高壓力下，隨壓力增加有所增加；而在壓力極低情況下也要考慮壓

17、力的影響。 (f) 數(shù)據(jù)來(lái)源 各種流體的黏度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得混合物的粘度，按一定混合規(guī)則進(jìn)行加和對(duì)于分子不聚合的混合液可用下式計(jì)算在缺少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式估算粘度。對(duì)于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對(duì)于液體則較差。常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計(jì)算不同流體的黏度差別很大。在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的黏度和運(yùn)動(dòng)黏度為： 空氣 17.910-6 Pa s， v 14.810 -6 m2/s 水 1.0110 -3 Pa s， v 1.0110 -6 m2/s 甘油 1.499Pa s， v 1.1910 -3 m2/s理想流體：=0

18、 du/dy=0 =0 hf=0實(shí)際流體的速度分布 理想流體的速度分布（3）、理想流體和實(shí)際流體 隨粘度增加或速度梯度增加， 增加， hf增加實(shí)際流體： 0 du/dy 0 0 hf 0（4） 流體類型（a）牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。 氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體（b）非牛頓型流體 a表觀粘度，非純物性假塑性流體：表觀黏度隨速度梯度的增大而降低，如高分子溶液或熔體、油漆等。黏塑性流體：當(dāng)應(yīng)力低于0時(shí)，不流動(dòng)；當(dāng)應(yīng)力高于0時(shí)，流動(dòng)與牛頓型流體一樣。 0稱為屈服應(yīng)力。 如紙漿、牙膏、污水泥漿等。脹塑性流體：表觀黏度隨速度梯度增大而增加。如塑料溶液、高固體含量的懸浮液等0du/dy

19、粘塑料流體假塑料流體脹塑料流體CBADA-牛頓流體； B-假塑性流體；C-賓漢塑性流體；D-脹塑性流體；牛頓流體與非牛頓流體剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系1.4 流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)主要研究流體在靜止?fàn)顟B(tài)下所受的各種力之間的關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是討論流體靜止時(shí)其內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。模型建立 在Z方向上, FZ=0同理：上式為流體平衡方程，即歐拉平衡方程1.4.1 流體靜力學(xué)基本方程式P0z0h012P1P2z2z1圖1-5 重力場(chǎng)中的壓力分布當(dāng)流體所受的質(zhì)量力僅為重力時(shí)： X=Y=0 Z=-g該式表明靜止流體在同一水平面上的壓力是相等的由上式得：注意：以上方程僅適用于靜止的不可壓縮流體由圖可知關(guān)于靜

20、力學(xué)方程的幾點(diǎn)討論1) 方程的適用條件：適用于重力場(chǎng)、靜止的、連續(xù)的、不可壓縮流體;對(duì)可壓縮流體，僅適用于壓力變化不大的埸合，當(dāng)存在幾種不互溶的流體時(shí)，應(yīng)分段應(yīng)用靜力方程。等壓面實(shí)例1132244535P1P2p靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點(diǎn)壓力相等（等壓面） P0一定，p僅和、h有關(guān)。 P= P0 + gh P0變化某一數(shù)值，則P改變同樣大小數(shù)值壓力的可傳遞性。2) 等壓面P0z0h012P1P2z2z1圖1.4.2 重力場(chǎng)中的壓力分布3)靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能和勢(shì)能兩者之和為常數(shù)。 P0 = P-gh P0 = P1- g(Z0-Z1) P0 = P2- g(Z0

21、-Z2) P1+ gZ1 = P2 +gZ2 4) 靜力學(xué)方程的幾種不同形式的意義 1壓力和壓力差的測(cè)量（1） 測(cè)壓管和氣壓計(jì) 氣壓計(jì) 測(cè)壓管 表壓: P = gh 絕壓: P = gh + PaPa = gh1.4.2 流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用(2) U形管壓差計(jì)選基準(zhǔn)面列靜力學(xué)方程 p0 = P1 + gz1 p0 = P2 + gz2 + gR z1 = z2 + R P1 - P2 = ( - )gR( - ) 小， R大 , P1 - P2 = gR12Rz1z21200P1P2水汞圖1-6 U形管壓差計(jì)c若一端與大氣相通，則可測(cè)得表壓，（或絕壓） R1RaP1P2圖1-7 傾斜液柱

22、壓差計(jì)(3) 傾斜液柱壓差計(jì)P2P1RcA圖1-8 微差壓差計(jì)(4) 微差壓差計(jì)(5) 倒U形管壓差計(jì)P00水氣體h0目的：（1）恒定設(shè)備內(nèi)的壓力，防止超壓；（2）防止氣體外泄； 水封 （2）液封高度安全液封h0P溢流水00氣液氣液封高度 計(jì)算：（3）液位的測(cè)定（4）浮力1.5.1 流體的流量與流速 1.5 流體流動(dòng)的基本方程 (1) 流量 質(zhì)量流量： (2) 流速質(zhì)量流速：管內(nèi)流體流速分布平均速度：體積流量：1. 控制體： 在流場(chǎng)中任意劃定一個(gè)封閉空間作為研究對(duì)象, 稱這個(gè)空間為控制體。1.5.2 連續(xù)性方程(b)2211s1s2s3u1u2u32總質(zhì)量衡算方程 衡算原則： 輸入質(zhì)量流量 -

23、 輸出質(zhì)量流量 =質(zhì)量積累速率-流體流動(dòng)的連續(xù)性方程穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)，質(zhì)量積累速率 = 0，即，輸入質(zhì)量流率 = 輸出質(zhì)量流率，則：-穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)流體流動(dòng)的連續(xù)性方程s1s2s3u1u2u3對(duì)不可壓縮流體， 為常量，則有：若在圓管中，d為管內(nèi)徑，有：說(shuō)明不可壓縮流體在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，速度與管徑的平方呈反比這一條件在處理實(shí)際問(wèn)題常被遺忘。認(rèn)為條件不充分,使問(wèn)題的不到解決。則當(dāng)（1）推導(dǎo)條件流體不可壓縮；理想流體；穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；恒溫；連續(xù)流體。 1.5.3 伯努利方程理想流體：流動(dòng)時(shí)沒(méi)有阻力的流體根據(jù)牛頓第二定律，上述流體微元受到的力的合力一定等于其質(zhì)量與加速度的和。在x軸方向上，作用于流體微元上的總的凈壓

24、力為同理，在y, z軸上作用在微元上的總的凈壓力分別為：（2） 推導(dǎo)過(guò)程在x軸方向上，列出該流體微元的牛頓第二定律表達(dá)式，為整理得：同理可得：以上各式分別乘以dx，dy，dz（1）對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，因?yàn)椋核裕阂陨鲜剑?）中3式相加，可得：若流體只在重力場(chǎng)中，取z軸垂直方向?yàn)檎?，則有式對(duì)于不可壓縮流體，密度為常數(shù)，上式積分為常數(shù)：（1）伯努利方程幾種表達(dá)形式位能靜壓能動(dòng)能位頭壓力頭動(dòng)壓頭（速度頭）1.5.3 伯努利（ Bernoulli ）方程及其應(yīng)用=機(jī)械能+=總壓頭+理想流體能量分布靜壓能 動(dòng)能 注意伯努利方程的適用條件； 重力場(chǎng)中，連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)的不可壓縮理想流體。 流體靜止，（2）幾點(diǎn)說(shuō)明：

25、 （3）應(yīng)用 單位統(tǒng)一； 基準(zhǔn)統(tǒng)一； 選擇界面，條件充分，垂直流動(dòng)方向； 注意式中各項(xiàng)的意義及單位； 伯努利方程與靜力學(xué)方程關(guān)系；a) 虹吸現(xiàn)象：利用曲管將液體經(jīng)過(guò)高出液面的地方引向低處的現(xiàn)象1、液面差；2、越過(guò)高的障礙物；3、無(wú)需動(dòng)力。虹吸管在0-0 和1-1面間列伯努利方程可得：位能 動(dòng)能虹吸管在1-1 和2-2面間列伯努利方程可得：水往高處流？靜壓能 位能+動(dòng)能虹吸管h2=？虹吸管在0-0 和2-2面間列伯努利方程可得：H=？ b) 文氏管和噴射泵壓力能 動(dòng)能 1.3.5 實(shí)際流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式 特點(diǎn)：流體具有粘性，流動(dòng)過(guò)程中有能量損失； 流體在輸送過(guò)程中可能需要外加能量。 考慮到以

26、上特點(diǎn)，實(shí)際流體的機(jī)械能衡算可以表達(dá)為：其中we 表示輸送單位質(zhì)量流體所需的外加功；單位質(zhì)量流體從截面1流到截面2 損失的機(jī)械能。式中 壓力降 機(jī)械能衡算方程幾種表達(dá)形式及意義位能靜壓能動(dòng)能壓力頭損失 位頭壓力頭動(dòng)壓頭有效功損失的機(jī)械能有效壓頭實(shí)際流體的能量分布OO23451fhgu22gpr實(shí)際流體的能量分布1.5.5 實(shí)際流體流動(dòng)的機(jī)械能衡算式的應(yīng)用 1. 應(yīng)用（1）依題意畫出流程示意圖，標(biāo)明流動(dòng)方向；（2）選取適當(dāng)截面，與流向垂直； 截面的選取應(yīng)包含待 求的未知量和盡可能多的已知量，如大截面、敞開(kāi)截面；（3）式中各項(xiàng)的單位相同；（4） 基準(zhǔn)一致，壓力基準(zhǔn)，位頭基準(zhǔn)；（5）流速使用所選截面

27、上平均速度（6）有效功率 Pe或（7）效率P-輸送機(jī)械的軸功率關(guān)于流速的說(shuō)明： 單位質(zhì)量流體動(dòng)能 流體質(zhì)量 總動(dòng)能單位質(zhì)量流體平均動(dòng)能平均速度的關(guān)系： 動(dòng)能校正因子工程計(jì)算中，取值為1截面選擇原則0001m1110mB22R2R1用泵將水槽中水打到高位槽。真空表讀數(shù)31925Pa，管路阻力Rf0-2=23u2，管路阻力Rf0-1=4u2 。問(wèn)題 （1）管內(nèi)流速？ （2）泵所做的功？基準(zhǔn)一致，壓力基準(zhǔn)，位頭基準(zhǔn)。通大氣的面，壓力為大氣壓。P(g)=0大截面的流速可忽略不計(jì)。u=0選取適當(dāng)截面，與流向垂直，條件充分。3. 實(shí)例0001m1110mB22R2R1問(wèn)題 （1）管內(nèi)流速？ （2）泵所做的

28、功？3. 實(shí)例1.6.1 流體流動(dòng)的類型-層流及湍流1、雷諾試驗(yàn)1883年, 英國(guó)物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實(shí)驗(yàn)。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實(shí)驗(yàn)1.6 流體流動(dòng)阻力2、雷諾試驗(yàn)現(xiàn)象兩種穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)：層流、湍流用紅墨水觀察管中水的流動(dòng)狀態(tài)(a)層流(b)過(guò)渡流(c)湍流湍流：主體做軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)有徑向脈動(dòng) 特征：流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng) 層流： * 流體質(zhì)點(diǎn)做直線運(yùn)動(dòng) * 流體分層流動(dòng)，層間不相混合、不碰撞 * 流動(dòng)阻力來(lái)源于層間粘性摩擦力 過(guò)渡流：不是獨(dú)立流型（層流+湍流）， 流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變） 生產(chǎn)中，一般避免過(guò)渡流型下操作。3、實(shí)驗(yàn)分析（1）影響狀態(tài)的因素：

29、d , u , ，Re是無(wú)因次數(shù)群： （2）圓形直管中 Re2000 穩(wěn)定的層流 Re 4000 穩(wěn)定的湍流2000 Re 4000 不穩(wěn)定的過(guò)渡流（1）剪應(yīng)力分布 1.6.2 流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)(研究剪應(yīng)力分布、流速分布)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)整理得：適用于層流或湍流（2） 層流的速度分布 層流時(shí)剪應(yīng)力分布可見(jiàn)，層流流動(dòng)的速度分布為一拋物線； 壁面處速度最小，0 管中心處速度最大 圓管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)的幾個(gè)重要關(guān)系 uav 和 umax因此動(dòng)能校正因子 壁面剪應(yīng)力與平均流速間的關(guān)系 故： 湍流描述 主要特征：質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)，有漩渦運(yùn)動(dòng)；任意點(diǎn)速度隨T變化 瞬時(shí)速度= 時(shí)均速度+ 脈動(dòng)速度 渦流粘度，與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)

30、 湍流時(shí):（3） 湍流條件的速度分布和剪應(yīng)力 較常見(jiàn)的情況, 當(dāng)Re處于1.1X1053.2X106之間時(shí)，指數(shù)此時(shí)動(dòng)能校正因子獲得方法：實(shí)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)公式 速度分布書P35 圖1.6.11：給出算圖，查取平均流速橫坐標(biāo)：求平均流速的方法: 1、速度分布未知 2、速度分布已知縱坐標(biāo)：Re4000umaxururRd湍流時(shí)流體在圓管中的速度分布 3）湍流流動(dòng)時(shí)，管道中流體層的分布 影響： Re愈大，b愈小；層流內(nèi)層對(duì)傳熱和傳質(zhì)影響重大，4、管內(nèi)湍流流動(dòng)知識(shí)簡(jiǎn)介管道中間大部分區(qū)域：湍流主體，du/dr小，混合均勻,靠近管壁一薄層流體：層流內(nèi)層，u慢，du/dr很大,兩者之間：過(guò)渡層.1.6.3 流體流

31、動(dòng)邊界層1、流動(dòng)邊界層（1）邊界層的形成條件 流動(dòng) 實(shí)際流體 流過(guò)固體表面（2） 形成過(guò)程 流體流經(jīng)固體表面 由于粘性，接觸固體表面流體的流速為零 附著在固體表面的流體對(duì)相鄰流層流動(dòng)起阻礙作用，使其流速下降 對(duì)相鄰流層的影響，在離開(kāi)壁的方向上傳遞，并逐漸減小。 最終影響減小至零，當(dāng)流速接近或達(dá)到主流的流速時(shí)，速度梯度減少至零。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動(dòng)邊界層1.4.2 邊界層及邊界層理論 u u uX0uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動(dòng)邊界層（3）流動(dòng)邊界層流體的速度梯度主要集中在邊界層內(nèi)，邊界層外，du/dy0向壁靠近，速度梯度增大(du/dy)m

32、ax湍流邊界層中，速度梯度集中在層流底層。（4）流動(dòng)邊界層的發(fā)展 平板上：流體最初接觸平板時(shí)，x=0 處，u0=0;=0隨流體流動(dòng)，x增加，增加（層流段）隨邊界層發(fā)展， x增加，增加。質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)，由層流向湍流過(guò)渡。轉(zhuǎn)折點(diǎn)距端點(diǎn)處為x0充分發(fā)展：x x0 ，發(fā)展為穩(wěn)定湍流。uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動(dòng)邊界層uuu層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0平板上的流動(dòng)邊界層層流：湍流：轉(zhuǎn)折點(diǎn)：邊界層隨x增加而增厚uuuuux0d圓管進(jìn)口處層流邊界層的發(fā)展圓形管中：測(cè)量點(diǎn)必須選在進(jìn)口段x0以后，通常取x0 =（50-100）d0Xo以后為充分發(fā)展的流動(dòng)。層流湍流不管層流還是湍流，邊界層

33、厚度等于半徑 當(dāng)流速較小時(shí) 流體貼著固體壁緩慢流過(guò)，（爬流）（5）流動(dòng)邊界層的分離流體繞固體表面的流動(dòng)： 流速不斷提高，達(dá)到某一程度時(shí)，邊界層分離 邊界層分離現(xiàn)象 (Boundary layer separation)倒流 分離點(diǎn)u0 D ACCBxAB：流道縮小，順壓強(qiáng)梯度，加速減壓BC：流道增加，逆壓強(qiáng)梯度，減速增壓CC以上：分離的邊界層CC以下：在逆壓強(qiáng)梯度的推動(dòng)下形成倒流，產(chǎn)生大量旋渦邊界層分離現(xiàn)象 (Boundary layer separation)流體流過(guò)管束流體流過(guò)圓管 邊界層分離的條件 逆壓梯度 ； 壁面附近的粘性摩擦 邊界層分離對(duì)流動(dòng)的影響 邊界層分離-大量旋渦-消耗能量-

34、增大阻力。由于邊界層分離造成的能量損失，稱為形體阻力損失。邊界層分離使系統(tǒng)阻力增大 減小或避免邊界層分離的措施調(diào)解流速，選擇適宜的流速改變固體的形體。 如汽車、飛機(jī)、橋墩都是流線型（1）流體阻力的表示方法 對(duì)應(yīng)于機(jī)械能衡算的三種形式，流體阻力損失亦有三種表達(dá)形式阻力損失與壓力差的區(qū)別： Pf流體流經(jīng)兩截面間的機(jī) 械能損失； P任意兩點(diǎn)間的壓力差。kJ/kgmPa1.6.4 流體流動(dòng)阻力計(jì)算二者之間的關(guān)系：當(dāng) We=0, z=0, u=0 時(shí)：管路中的流動(dòng)阻力=直管阻力+局部阻力直管阻力：由于流體和管壁之間的摩擦而產(chǎn)生局部阻力：由于速度的大小或方向的改變而引起（2） 圓形直管內(nèi)的阻力損失 （1）

35、 范寧公式 流體流動(dòng)阻力-流體與壁面間的摩擦力J/kgmPa（1）層流時(shí)的摩擦系數(shù)及Hangen-Poiseuille方程摩擦系數(shù)：3. 摩擦系數(shù)Hangen-Poiseuille方程 （2） 湍流條件下的摩擦系數(shù) 影響因素復(fù)雜，一般由實(shí)驗(yàn)確定。 影響因素： 幾何尺寸及形狀； 表面情況 ； 流體的物性，如 密度，粘度等； 流速的大小。 利用量綱分析法可以得到： 式中 粗糙度 相對(duì)粗糙度1、量綱分析法流動(dòng)阻力量綱分析方法：減少實(shí)驗(yàn)工作量、實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣應(yīng)用一般實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)量大、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能推廣應(yīng)用（1）量綱分析的理論基礎(chǔ)：物理方程中的各項(xiàng)都具有相同的量綱，即量綱一致的原則。（2）定理： N-量綱

36、為一數(shù)群的數(shù)目；n-物理量的數(shù)目；m-表達(dá)物理量的基本量綱數(shù)目。流動(dòng)阻力表示成為冪函數(shù)（3）量綱分析方法：n=7 m =3 則 N =4若設(shè)b、q、i為已知，則Eu-歐拉數(shù) Re和Eu的物理意義： * 無(wú)量綱數(shù)群的組合不唯一， * 建立在對(duì)過(guò)程的基本分析基礎(chǔ)上， * 不能代替實(shí)驗(yàn)， 具體函數(shù)關(guān)系由實(shí)驗(yàn)獲得， * 其根本作用，是減少實(shí)驗(yàn)工作量。對(duì)量綱分析法的認(rèn)識(shí)（3） 摩擦系數(shù)圖 層流區(qū) Re2000 過(guò)渡區(qū) 2000Re4000 湍流區(qū)： Re4000 不完全湍流區(qū) 完全湍流區(qū) （阻力平方區(qū)）水力光滑管：Blasuis 公式1.4.5 流體阻力計(jì)算2、的計(jì)算： 2)湍流：b）經(jīng)驗(yàn)公式法一、圓形

37、直管內(nèi)的流動(dòng)阻力3、管壁粗糙度對(duì)的影響（自學(xué)）pfu1.75（6）非圓直管中流動(dòng)阻力幾種常見(jiàn)非圓管的當(dāng)量直徑 1）矩形流道 2）環(huán)形流道 2、局部阻力 指： 產(chǎn)生原因： 計(jì)算方法：管件、閥門、測(cè)量接口、管進(jìn)出口段形體阻力實(shí)驗(yàn)，歸納出經(jīng)驗(yàn)公式3）三角形流道的當(dāng)量直徑(5) 局部阻力 式中 ： le-當(dāng)量長(zhǎng)度 Le及的獲得：實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)有關(guān)資料。書P47-50特例：1、突然擴(kuò)大 2、突然縮小管口內(nèi)管口外 式中 ： -局部阻力系數(shù) （1）等徑管總阻力計(jì)算3、系統(tǒng)的總阻力 系統(tǒng)總阻力=系統(tǒng)各直管阻力+局部阻力FICPi1Pi21122(2) 變徑管總阻力計(jì)算 變徑管d,u,不同，需分段計(jì)算阻力例：1.7

38、流體流動(dòng)管路設(shè)計(jì)與核算 基本內(nèi)容: 設(shè)計(jì)型計(jì)算、操作型計(jì)算（1）設(shè)計(jì)型計(jì)算 對(duì)于給定的生產(chǎn)任務(wù)、流量、操作條件，位頭，壓頭，現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)管路，計(jì)算外加功率。 管路設(shè)計(jì)目標(biāo)：保證穩(wěn)定安全生產(chǎn)的前提下，使總費(fèi)用最低。 （2）操作型計(jì)算 已知管路情況和操作條件，求生產(chǎn)能力或核算外加功率是否夠用。 （3）計(jì)算依據(jù) 1） 連續(xù)性方程 2） 機(jī)械能衡算方程 3） 阻力損失計(jì)算設(shè)計(jì)型計(jì)算步驟1）選擇流速 * 經(jīng)濟(jì)流速 (適宜流速) 書P64表1.5.1 總費(fèi)用 = 操作費(fèi) + 設(shè)備費(fèi)（4）計(jì)算方法動(dòng)畫示意原則：先保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，再使總費(fèi)用最低 常見(jiàn)流體，選常用的流速范圍， 易燃易爆流體，不超過(guò)安全流速。

39、 2）確定管徑 按標(biāo)準(zhǔn)圓整，重新計(jì)算管內(nèi)流速 3）計(jì)算外加功4）校核 設(shè)計(jì)型計(jì)算實(shí)例-書P55例1.7.1 操作型計(jì)算的試差的方法比較二者大小，相差較大時(shí)重新假定管徑優(yōu)化rego 指：管徑相同，無(wú)分支的管路， 但可以彎曲(有局部阻力) 特點(diǎn)：穩(wěn)態(tài)時(shí)，流速恒定、流量恒定。簡(jiǎn)單管路系統(tǒng)特性分析：質(zhì)量流量 體積流量(不可壓縮流體)阻力損失 1.7.1 簡(jiǎn)單管路 (1) 串聯(lián)管路 特點(diǎn)：管徑不同，但無(wú)分支； 穩(wěn)態(tài)時(shí)，不同管段流速不同； 系統(tǒng)阻力計(jì)算，需分段計(jì)算，再加和。(2) 分支管路 1）質(zhì)量流量 2） 機(jī)械能衡算式（a）總管支管1.7.2 復(fù)雜管路（b）各支管間關(guān)系 3）流量分配 與各支管的阻力有

40、關(guān)，并相互影響。 應(yīng)用連續(xù)性方程計(jì)算指：分支點(diǎn)和匯合點(diǎn)， 是各分支的公共點(diǎn)。 1）質(zhì)量流量 2）總機(jī)械能衡算 問(wèn)題：RA-B用一個(gè)分支，還是各分支加和結(jié)論：并聯(lián)管路，各支路阻力相等 = 總阻力 并聯(lián)段，只能計(jì)入一個(gè)支路的阻力損失。(3) 并聯(lián)管路 流量 阻力 3）流量分配 問(wèn)題：各支管，流量是否相同 并聯(lián)管路特點(diǎn)：流量分配：* 對(duì)上述公式的認(rèn)識(shí)-隨阻力計(jì)算方法變化 方法：試差法* 問(wèn)題：如何求i證明（1）k1關(guān)小，則qV1 減小。 假設(shè)qV不變qV2、qV3不變qV變小，故假設(shè)不成立假設(shè)qV變大qV2、qV3變小qV變小，故假設(shè)不成立qV2、qV3變大pA變大、pB變小可壓縮流體：多指氣體 工程處理：處理方法，見(jiàn)書P62-651.7.4 可壓縮流體的流動(dòng)（自學(xué)） 應(yīng)用公式：1.8 流速和流量測(cè)定 (1) 結(jié)構(gòu) 同心套管、壓差計(jì) 1.6.1 測(cè)速管（畢托管 Pitot ）(2) 測(cè)量原理