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） 化工原理實驗 課程設(shè)計2 本學(xué)期化工原理講課學(xué)時安排 第 一章 流體力學(xué)基礎(chǔ) 10學(xué)時 第二章 流體輸送設(shè)備 8學(xué)時 第三章 機械分離及流態(tài)化 7學(xué)時 第四章 傳熱過程及換熱器 12學(xué)時 第五章 蒸發(fā) 3學(xué)時3 教學(xué)環(huán)節(jié)與要求 課堂教學(xué)：認真聽講、不要遲到、早退，保證出勤率 作業(yè) ：獨立完成，及時答疑， 平時成績 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. 特點工程實踐性較強，要注意理論與實踐聯(lián)系。 在復(fù)雜的問題中抽出關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以合理的簡化方式建立物理和數(shù)學(xué)模型，然后以實驗或工程實際驗證或檢驗?zāi)Ｐ?，從而解決工程問題?；瘜W(xué)工程學(xué)發(fā)展過程6a）萌牙時期 現(xiàn)代化工生產(chǎn)始于18世紀的法國。 特點：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世紀末二十世紀初的美國，基于大規(guī)模的石油煉制。1923年，美國，W.H. 華克爾，Principle of Chemical Engineering。 特點：明確提出了單元操作的概念，開

3、設(shè)了化學(xué)工程與設(shè)備 課程，該時期的化學(xué)工程仍以實驗和經(jīng)驗為主。 例如：蒸餾、吸收、萃取、蒸發(fā)、干燥、傳熱等。化學(xué)工程學(xué)發(fā)展過程7c) 化學(xué)工程學(xué)時期 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：系統(tǒng)地研究傳遞現(xiàn)象， 建立了傳遞過程的基本概念，揭 示了傳遞過程的本質(zhì)，從技術(shù)走向科學(xué)。d) 現(xiàn)代化學(xué)工程 20世紀60年代末，計算機的應(yīng)用、系統(tǒng)工程學(xué)的應(yīng)用，使化學(xué)工程學(xué)進入全新時期。 特點：利用系統(tǒng)工程學(xué)的觀點全面研究原料、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，美國的W.H. 華克爾，Principles of Chemical Engineering20世紀50年代，“三傳一反”20世紀60年代，計算機技術(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)和若干個單元操作串聯(lián)而成 化學(xué)工程基礎(chǔ)研究各個獨立的單元操作化學(xué)工程的研究對象 單元操作（Unit Operations）(1) 單元操作的概念化工生產(chǎn)過程 原料的預(yù)處理 進行化學(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程時，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）流體動力過程遵循流體動力基本規(guī)律，用 動量 傳 遞理論研究如：流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化傳熱過程遵循傳熱基本規(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)和選型以及單元過程的工藝計算。 化工原理課程的特點 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，側(cè)重解決工程實際問題； 較強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)的基本原理來分析和處理化工生產(chǎn)中的物理過程 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 當量法 類比法直管湍流阻力雙膜模型的建立過濾常數(shù)當量直徑、當量長度等動量、

7、熱量、質(zhì)量傳遞的類似規(guī)律2022/9/9化工原理的學(xué)習方法 發(fā)展：如何根據(jù)某個物理或物理化學(xué)原理開發(fā)成為一個單元操作，尋本求源。 選擇：為了達到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對過程和設(shè)備作合理的選擇和組合。 設(shè)計：對已掌握了性能的過程和設(shè)備作直接的設(shè)計計算以及對性能不十分掌握的過程和設(shè)備通過必要的試驗，測取設(shè)計數(shù)據(jù)，做逐級放大。 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. 單位的來源和單位制：由于歷史的原因造成一個物理量用很多單位表示，如壓強的單位：大氣壓、工程大氣壓、毫米汞柱、毫巴；來源不同產(chǎn)生不同的單位制。 物理單位制：

8、基本單位：長度cm/m 質(zhì)量g/kg 時間s工程單位制：基本單位：長度cm 力 kgf 時間s SI單位制：基本單位有7個，化工中常用的有5個： 長度m 、質(zhì)量kg 、時間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，其關(guān)系式中的各個指數(shù)稱為該物理量對于所取基本物理量的量綱。 基本量綱： 長度：L，質(zhì)量：M，時間：T，溫度：導(dǎo)出量綱舉例：因為 速度距離/時間 所以，速度的量綱長度的量綱/時間的量綱 uL/T=LT1ML-35. 單位和量綱國內(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)過程中煤氣煤氣水孔板流量計泵水封填料塔水池按工藝要求在各化工設(shè)備和機器之間輸送物料，是實現(xiàn)化工生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。 1.1 流體流動的研究方法1.1.1 控制體

11、：在流場中任意劃定一個封閉空間作為研究對象, 稱這個空間為控制體。圖1 流體流動系統(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 ：1）具有流動性； 2）受外力作用時內(nèi)部產(chǎn)生相對運動（2）連續(xù)介質(zhì)假設(shè)：將流體視為由無數(shù)質(zhì)點組成的 連續(xù)介質(zhì)。穩(wěn)態(tài)流動： 流場中的物理量，僅和空間位置有關(guān)，而和時間無關(guān) u = f (x, y, z)(b)2211 1.1.3 穩(wěn)態(tài)流動及非穩(wěn)態(tài)流動1122(a)u=f (t, h) =f (t, x, y, z)流場中的某物理量，不僅和空間位置有關(guān)，而且和時間有關(guān) u =f (x, y, z, t)t 增大，h 減低 u 降低說明：在化工生產(chǎn)中，正

12、常運行時,系統(tǒng)流動近似為穩(wěn)態(tài)流動。各點各處的流量不隨時間變化，近似為常數(shù)。只有在出現(xiàn)波動或是開、停車時，為非穩(wěn)態(tài)流動。非穩(wěn)態(tài)流動: 1.1.4 流體質(zhì)點運動的描述方法（1）拉格朗日法（Lagrange）：選定一流體質(zhì)點，描述其運動參數(shù)（如位移、速度）與時間的關(guān)系。（2）歐拉法（Euler）：在固定位置上觀察質(zhì)點的運動情況。如歐拉法對速度描述如下： 1.1.5 流場的描述（1）跡線：同一質(zhì)點在不同時刻所占空間位置的連線。（2）流線：在某一時刻不同質(zhì)點的速度方向的空間曲線，曲線上任一點的切線即為該點的速度方向。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：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 (N/) 剪切應(yīng)力：表面力的切向分力 (N/)壓強：流體單位表面積上的法向表面力，習慣上稱為壓力靜壓強：流體處于靜止狀態(tài)時的壓強平均壓力： 任一點壓力：單位： Pa , mH2O, mmHg, atm , at (kgf/cm2)注意 ：不同單位之間的換算（1）壓力壓力測定壓力當時當?shù)卮髿鈮簤毫y定絕對零壓線絕對壓力大氣壓表壓真空度絕對壓力圖1.2.2 絕對壓力,表壓和真空度的關(guān)系表壓：

14、相對大氣壓為基準的壓力（g） P(表)=P(絕)-P(大氣)絕壓：相對絕對零壓為基準的壓力（a)。 P(絕)=P(表)+P(大氣)真空度：絕對壓力低于大氣壓時， 大氣壓與絕壓之差 真空度=P(大氣)-P(絕)壓力的基準： 質(zhì)量力：不與流體接觸，而施加于流體所有質(zhì)點上的力。 特 點：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：單位面積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 流體的流動性： 物質(zhì)在運動時內(nèi)部分子間發(fā)生相對運動的特性稱為流動性。 流體沒有固定的形

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，W- 質(zhì)量分數(shù)x-摩爾分數(shù)在壓力不太高，溫度不太低時，也可用下式計算定義：當作用在流體上的外力增大時，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)：當溫度維持不變，壓力每增加一個單位時，流體體積的相對變化量或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uF0 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：實測發(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）物理意義動力黏度，簡稱黏度（b）單位 SI單位制 ： Pa . s， N/m2. s 物理單位制 ： P(泊)- 達因.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) 運動粘度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)來源 各種流體的黏度數(shù)據(jù)，主要由實驗測得混合物的粘度，按一定混合規(guī)則進行加和對于分子不聚合的混合液可用下式計算在缺少粘度實驗數(shù)據(jù)時，可按理論公式或經(jīng)驗公式估算粘度。對于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準，對于液體則較差。常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計算不同流體的黏度差別很大。在壓強為101.325kPa、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的黏度和運動黏度為： 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實際流體的速度分布 理想流體的速度分布（3）、理想流體和實際流體 隨粘度增加或速度梯度增加， 增加， hf增加實際流體： 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：當應(yīng)力低于0時，不流動；當應(yīng)力高于0時，流動與牛頓型流體一樣。 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狀態(tài)下所受的各種力之間的關(guān)系，實質(zhì)上是討論流體靜止時其內(nèi)部壓強的變化規(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 重力場中的壓力分布當流體所受的質(zhì)量力僅為重力時： 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)方程的幾點討論1) 方程的適用條件：適用于重力場、靜止的、連續(xù)的、不可壓縮流體;對可壓縮流體，僅適用于壓力變化不大的埸合，當存在幾種不互溶的流體時，應(yīng)分段應(yīng)用靜力方程。等壓面實例1132244535P1P2p靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點壓力相等（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壓力和壓力差的測量（1） 測壓管和氣壓計 氣壓計 測壓管 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形管壓差計選基準面列靜力學(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c若一端與大氣相通，則可測得表壓，（或絕壓） R1RaP1P2圖1-7 傾斜液柱

22、壓差計(3) 傾斜液柱壓差計P2P1RcA圖1-8 微差壓差計(4) 微差壓差計(5) 倒U形管壓差計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 計算：（3）液位的測定（4）浮力1.5.1 流體的流量與流速 1.5 流體流動的基本方程 (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： 在流場中任意劃定一個封閉空間作為研究對象, 稱這個空間為控制體。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-流體流動的連續(xù)性方程穩(wěn)態(tài)流動時，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)流動時流體流動的連續(xù)性方程s1s2s3u1u2u3對不可壓縮流體， 為常量，則有：若在圓管中，d為管內(nèi)徑，有：說明不可壓縮流體在圓管內(nèi)作穩(wěn)態(tài)流動，速度與管徑的平方呈反比這一條件在處理實際問題常被遺忘。認為條件不充分,使問題的不到解決。則當（1）推導(dǎo)條件流體不可壓縮；理想流體；穩(wěn)態(tài)流動；恒溫；連續(xù)流體。 1.5.3 伯努利方程理想流體：流動時沒有阻力的流體根據(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)過程在x軸方向上，列出該流體微元的牛頓第二定律表達式，為整理得：同理可得：以上各式分別乘以dx，dy，dz（1）對于穩(wěn)態(tài)流動，因為：所以：以上式（1）中3式相加，可得：若流體只在重力場中，取z軸垂直方向為正，則有式對于不可壓縮流體，密度為常數(shù)，上式積分為常數(shù)：（1）伯努利方程幾種表達形式位能靜壓能動能位頭壓力頭動壓頭（速度頭）1.5.3 伯努利（ Bernoulli ）方程及其應(yīng)用=機械能+=總壓頭+理想流體能量分布靜壓能 動能 注意伯努利方程的適用條件； 重力場中，連續(xù)穩(wěn)定流動的不可壓縮理想流體。 流體靜止，（2）幾點說明：

25、 （3）應(yīng)用 單位統(tǒng)一； 基準統(tǒng)一； 選擇界面，條件充分，垂直流動方向； 注意式中各項的意義及單位； 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)過高出液面的地方引向低處的現(xiàn)象1、液面差；2、越過高的障礙物；3、無需動力。虹吸管在0-0 和1-1面間列伯努利方程可得：位能 動能虹吸管在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 動能 1.3.5 實際流體流動的機械能衡算式 特點：流體具有粘性，流動過程中有能量損失； 流體在輸送過程中可能需要外加能量。 考慮到以

26、上特點，實際流體的機械能衡算可以表達為：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 損失的機械能。式中 壓力降 機械能衡算方程幾種表達形式及意義位能靜壓能動能壓力頭損失 位頭壓力頭動壓頭有效功損失的機械能有效壓頭實際流體的能量分布OO23451fhgu22gpr實際流體的能量分布1.5.5 實際流體流動的機械能衡算式的應(yīng)用 1. 應(yīng)用（1）依題意畫出流程示意圖，標明流動方向；（2）選取適當截面，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、敞開截面；（3）式中各項的單位相同；（4） 基準一致，壓力基準，位頭基準；（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-輸送機械的軸功率關(guān)于流速的說明： 單位質(zhì)量流體動能 流體質(zhì)量 總動能單位質(zhì)量流體平均動能平均速度的關(guān)系： 動能校正因子工程計算中，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 。問題 （1）管內(nèi)流速？ （2）泵所做的功？基準一致，壓力基準，位頭基準。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。u=0選取適當截面，與流向垂直，條件充分。3. 實例0001m1110mB22R2R1問題 （1）管內(nèi)流速？ （2）泵所做的

28、功？3. 實例1.6.1 流體流動的類型-層流及湍流1、雷諾試驗1883年, 英國物理學(xué)家Osbone Reynolds作了如下實驗。DBAC墨水流線玻璃管雷諾實驗1.6 流體流動阻力2、雷諾試驗現(xiàn)象兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流湍流：主體做軸向運動，同時有徑向脈動 特征：流體質(zhì)點的脈動 層流： * 流體質(zhì)點做直線運動 * 流體分層流動，層間不相混合、不碰撞 * 流動阻力來源于層間粘性摩擦力 過渡流：不是獨立流型（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，一般避免過渡流型下操作。3、實驗分析（1）影響狀態(tài)的因素：

29、d , u , ，Re是無因次數(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)定的過渡流（1）剪應(yīng)力分布 1.6.2 流體在圓管內(nèi)的流動(研究剪應(yīng)力分布、流速分布)穩(wěn)態(tài)流動整理得：適用于層流或湍流（2） 層流的速度分布 層流時剪應(yīng)力分布可見，層流流動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)層流流動時的幾個重要關(guān)系 uav 和 umax因此動能校正因子 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)點的脈動，有漩渦運動；任意點速度隨T變化 瞬時速度= 時均速度+ 脈動速度 渦流粘度，與流動狀態(tài)有關(guān)

30、 湍流時:（3） 湍流條件的速度分布和剪應(yīng)力 較常見的情況, 當Re處于1.1X1053.2X106之間時，指數(shù)此時動能校正因子獲得方法：實測、經(jīng)驗公式 速度分布書P35 圖1.6.11：給出算圖，查取平均流速橫坐標：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：Re4000umaxururRd湍流時流體在圓管中的速度分布 3）湍流流動時，管道中流體層的分布 影響： Re愈大，b愈??；層流內(nèi)層對傳熱和傳質(zhì)影響重大，4、管內(nèi)湍流流動知識簡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：過渡層.1.6.3 流體流

31、動邊界層1、流動邊界層（1）邊界層的形成條件 流動 實際流體 流過固體表面（2） 形成過程 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相鄰流層流動起阻礙作用，使其流速下降 對相鄰流層的影響，在離開壁的方向上傳遞，并逐漸減小。 最終影響減小至零，當流速接近或達到主流的流速時，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平板上的流動邊界層（3）流動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）流動邊界層的發(fā)展 平板上：流體最初接觸平板時，x=0 處，u0=0;=0隨流體流動，x增加，增加（層流段）隨邊界層發(fā)展， x增加，增加。質(zhì)點脈動，由層流向湍流過渡。轉(zhuǎn)折點距端點處為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平板上的流動邊界層層流：湍流：轉(zhuǎn)折點：邊界層隨x增加而增厚uuuuux0d圓管進口處層流邊界層的發(fā)展圓形管中：測量點必須選在進口段x0以后，通常取x0 =（50-100）d0Xo以后為充分發(fā)展的流動。層流湍流不管層流還是湍流，邊界層

33、厚度等于半徑 當流速較小時 流體貼著固體壁緩慢流過，（爬流）（5）流動邊界層的分離流體繞固體表面的流動： 流速不斷提高，達到某一程度時，邊界層分離 邊界層分離現(xiàn)象 (Boundary layer separation)倒流 分離點u0 D ACCBxAB：流道縮小，順壓強梯度，加速減壓BC：流道增加，逆壓強梯度，減速增壓CC以上：分離的邊界層CC以下：在逆壓強梯度的推動下形成倒流，產(chǎn)生大量旋渦邊界層分離現(xiàn)象 (Boundary layer separation)流體流過管束流體流過圓管 邊界層分離的條件 逆壓梯度 ； 壁面附近的粘性摩擦 邊界層分離對流動的影響 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、橋墩都是流線型（1）流體阻力的表示方法 對應(yīng)于機械能衡算的三種形式，流體阻力損失亦有三種表達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 械能損失； P任意兩點間的壓力差。kJ/kgmPa1.6.4 流體流動阻力計算二者之間的關(guān)系：當 We=0, z=0, u=0 時：管路中的流動阻力=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 流體流動阻力-流體與壁面間的摩擦力J/kgmPa（1）層流時的摩擦系數(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，一般由實驗確定。 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 相對粗糙度1、量綱分析法流動阻力量綱分析方法：減少實驗工作量、實驗結(jié)果推廣應(yīng)用一般實驗方法：實驗量大、實驗結(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-表達物理量的基本量綱數(shù)目。流動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： * 無量綱數(shù)群的組合不唯一， * 建立在對過程的基本分析基礎(chǔ)上， * 不能代替實驗， 具體函數(shù)關(guān)系由實驗獲得， * 其根本作用，是減少實驗工作量。對量綱分析法的認識（3） 摩擦系數(shù)圖 層流區(qū) Re2000 過渡區(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 流體阻力計算2、的計算： 2)湍流：b）經(jīng)驗公式法一、圓形

37、直管內(nèi)的流動阻力3、管壁粗糙度對的影響（自學(xué)）pfu1.75（6）非圓直管中流動阻力幾種常見非圓管的當量直徑 1）矩形流道 2）環(huán)形流道 2、局部阻力 指： 產(chǎn)生原因： 計算方法：管件、閥門、測量接口、管進出口段形體阻力實驗，歸納出經(jīng)驗公式3）三角形流道的當量直徑(5) 局部阻力 式中 ： le-當量長度 Le及的獲得：實驗，見有關(guān)資料。書P47-50特例：1、突然擴大 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) 變徑管總阻力計算 變徑管d,u,不同，需分段計算阻力例：1.7

38、流體流動管路設(shè)計與核算 基本內(nèi)容: 設(shè)計型計算、操作型計算（1）設(shè)計型計算 對于給定的生產(chǎn)任務(wù)、流量、操作條件，位頭，壓頭，現(xiàn)場情況，設(shè)計管路，計算外加功率。 管路設(shè)計目標：保證穩(wěn)定安全生產(chǎn)的前提下，使總費用最低。 （2）操作型計算 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）計算依據(jù) 1） 連續(xù)性方程 2） 機械能衡算方程 3） 阻力損失計算設(shè)計型計算步驟1）選擇流速 * 經(jīng)濟流速 (適宜流速) 書P64表1.5.1 總費用 = 操作費 + 設(shè)備費（4）計算方法動畫示意原則：先保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)，再使總費用最低 常見流體，選常用的流速范圍， 易燃易爆流體，不超過安全流速。

39、 2）確定管徑 按標準圓整，重新計算管內(nèi)流速 3）計算外加功4）校核 設(shè)計型計算實例-書P55例1.7.1 操作型計算的試差的方法比較二者大小，相差較大時重新假定管徑優(yōu)化rego 指：管徑相同，無分支的管路， 但可以彎曲(有局部阻力) 特點：穩(wěn)態(tài)時，流速恒定、流量恒定。簡單管路系統(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 簡單管路 (1) 串聯(lián)管路 特點：管徑不同，但無分支； 穩(wěn)態(tài)時，不同管段流速不同； 系統(tǒng)阻力計算，需分段計算，再加和。(2) 分支管路 1）質(zhì)量流量 2） 機械能衡算式（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)性方程計算指：分支點和匯合點， 是各分支的公共點。 1）質(zhì)量流量 2）總機械能衡算 問題：RA-B用一個分支，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，只能計入一個支路的阻力損失。(3) 并聯(lián)管路 流量 阻力 3）流量分配 問題：各支管，流量是否相同 并聯(lián)管路特點：流量分配：* 對上述公式的認識-隨阻力計算方法變化 方法：試差法* 問題：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，見書P62-651.7.4 可壓縮流體的流動（自學(xué)） 應(yīng)用公式：1.8 流速和流量測定 (1) 結(jié)構(gòu) 同心套管、壓差計 1.6.1 測速管（畢托管 Pitot ）(2) 測量原理