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1、,1,化 工 原 理,(上 冊(cè)),章汝平主講,2,教,材, ,柴誠(chéng)敬主編 普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材 化工原理(上冊(cè)) 北京: 高等教育出版社 2005年6月(第一版),3,(1) 柴誠(chéng)敬,張國(guó)亮. 化工流體流動(dòng)與傳熱. 第二版,北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007,(2) 夏清,陳常貴. 化工原理,上冊(cè). 天津: 天津大,學(xué)出版社, 2005,(3) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 2001,參考教材,學(xué)習(xí)目的

2、 與要求 通過(guò)緒論的學(xué)習(xí),應(yīng)了解化工原理課程的主 要內(nèi)容,單元操作的分類和特點(diǎn),工程學(xué)科的研 究方法,本課程的學(xué)習(xí)要求,掌握單位制及單位 換算方法。 4,緒,論,0.1 化工原理課程的內(nèi)容和特點(diǎn) 5,緒,論,化學(xué)工業(yè)和化學(xué)工程, ,化學(xué)工業(yè)是將自然界中的各種物質(zhì)資源通過(guò)物理和化學(xué)的方 法加工成具有規(guī)定質(zhì)量的物質(zhì)的工業(yè)。 化學(xué)工程是一門工程技術(shù)學(xué)科,它研究化工產(chǎn)品生產(chǎn) 過(guò)程的基本規(guī)律,并運(yùn)用這些規(guī)律解決化工生產(chǎn)中的問(wèn)題。 化學(xué)工業(yè)是一個(gè)包含多個(gè)行業(yè)的工業(yè)部門。 化學(xué)工業(yè)包括石油煉制和裂解、煤焦化及煤焦油工業(yè)、基本 有機(jī)合成工業(yè)、高分子合成、氯堿、制酸、化肥、以及精細(xì) 化學(xué)工業(yè)等。 產(chǎn)品歸納起來(lái)可

3、分為25類 化工產(chǎn)品根據(jù)技術(shù)密集高低、附加值利潤(rùn)大小、品種類型、 產(chǎn)量多少、更新速度快慢以及應(yīng)用范圍不同又可分為兩大 類。 一類是通用化學(xué)品,另一類是精細(xì)化學(xué)品 6, ,化工產(chǎn)品種類繁多,制取的化工原料卻有限。 可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)原料兩大類。 無(wú)機(jī)原料主要有空氣水和化學(xué)礦物;有機(jī)主要是煤、石油、 天然氣和生物質(zhì)等。 原料選擇原則 1、考慮原料品位能否滿足生產(chǎn)要求,來(lái)源是否充足穩(wěn)定可 靠。 2、分析原料的經(jīng)濟(jì)性。要對(duì)原料路線和工藝路線的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)權(quán)衡。 3、從綜合利用原料資源考察原料使用合理性。 在遵守國(guó)家有關(guān)資源保護(hù)的法令和條例,兼顧聯(lián)合審查、發(fā) 產(chǎn)品回收及三廢處理等方面盡可能提高原料利用率

4、發(fā)揮原料 單位相互力所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。 7,化學(xué)工業(yè)特點(diǎn), ,(1)化學(xué)工業(yè)是獨(dú)特、不可取代的工業(yè)部門。 (2)化工產(chǎn)品品種繁多,工藝復(fù)雜 (3)是裝置型工業(yè),具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性 (4)是資金密集,技術(shù)密集的工業(yè)部門 (5)是能耗大戶 (6)易污染、重污染的工業(yè)部門 8,9,化學(xué)工程的發(fā)展 化學(xué)工程發(fā)展的四個(gè)階段,化學(xué)工藝學(xué) 階段,化工單元 操作階段,傳遞過(guò)程 階段,“ 三傳一反 ” 階段,10,化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的地位,有機(jī)化學(xué),物理化學(xué) 應(yīng)用化學(xué) 高分子 化學(xué)教育,科 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 化 學(xué) 家,石油化工 制藥工業(yè) 復(fù)合材料 能源工程 環(huán)境工程,合成氨 無(wú)機(jī)化學(xué) 硫酸制造 分析化學(xué) 氯堿工業(yè),化 工

5、生 產(chǎn) 化 工 專 家,化工原理,傳遞過(guò)程 反應(yīng)工程 分離工程 化工熱力學(xué) 系統(tǒng)工程等,11,化工原理課程內(nèi)容,化工生產(chǎn)過(guò)程,化學(xué)反應(yīng) 單元操作,反應(yīng)工程 化工原理,三 傳 一 反,化工生產(chǎn)過(guò)程分析,前處理(預(yù)處理) 物理過(guò)程,化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 化學(xué)過(guò)程,后處理(加工) 物理過(guò)程 12,13,二、單元操作的分類和特點(diǎn),1、流體動(dòng)力過(guò)程:流體輸送、沉降、過(guò)濾、攪拌 2、傳熱過(guò)程: 換熱、蒸發(fā),3、傳質(zhì)過(guò)程:蒸餾、吸收、萃取、吸附、浸取、,吸附、離子交換、膜分離,4、熱質(zhì)同時(shí)傳遞過(guò)程:增減濕、結(jié)晶、干燥,分類,14,化工原理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科。單 元操作的研究?jī)?nèi)容包括“過(guò)程”和“設(shè)備”兩個(gè) 方

6、面。,所有的單元操作都可分解為動(dòng)量傳遞、熱量 傳遞、質(zhì)量傳遞這三種傳遞過(guò)程和它們的結(jié)合。 三種傳遞過(guò)程現(xiàn)象中存在著類似的規(guī)律和內(nèi)在的 聯(lián)系。傳遞過(guò)程是聯(lián)系各單元操作的一條主線。,二、單元操作的分類和特點(diǎn),特點(diǎn),以流體力學(xué)為基礎(chǔ) 以熱量傳遞理論為基礎(chǔ) 以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ),化工生產(chǎn)中,主要的單元操作可以歸納為三類: 包括流體輸送、沉降、 過(guò),濾、離心分離、攪拌、固體流 態(tài)化等 包括加熱、冷卻、 蒸發(fā)等 包括蒸餾、吸收、吸附、萃 取、干燥、結(jié)晶、膜分離等 將混合物分離 分離過(guò)程 15,16,三、化工原理課程的研究方法,1、實(shí)驗(yàn)研究方法(經(jīng)驗(yàn)法):,用量綱分析和相似論為指導(dǎo),依靠試驗(yàn)來(lái)確 定過(guò)程變量

7、之間的關(guān)系,通過(guò)量綱為一數(shù)群(或 稱準(zhǔn)數(shù))構(gòu)成的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。是一種工程上通 用的基本方法。,17,2、數(shù)學(xué)模型法(半經(jīng)驗(yàn)半理論方法),在對(duì)實(shí)際過(guò)程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上, 在抓住過(guò)程本質(zhì)的前提下,作出某種合理簡(jiǎn) 化,建立物理模型,進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,得出數(shù)學(xué) 模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。,研究工程問(wèn)題的方法是聯(lián)系各單元操作的,另一條主線。,三、化工原理課程的研究方法,18,四化工過(guò)程計(jì)算的理論基礎(chǔ),設(shè)計(jì)型計(jì)算 操作型計(jì)算 質(zhì)量守恒 能量守恒 平衡關(guān)系 速率關(guān)系,化工計(jì)算分為 所用基本關(guān)系:,19,五本課程的學(xué)習(xí)要求,學(xué)習(xí)中,應(yīng)注意以下幾個(gè)方面能力的培養(yǎng): (1)單元操作和設(shè)備選擇的能力 (2)工程

8、設(shè)計(jì)能力,(3)操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程的能力 (4)過(guò)程開發(fā)或科學(xué)研究能力 (5)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?緒,論,0.2 單位制度及單位換算 20,導(dǎo)出單位,一 單位和單位制度 1、基本單位和導(dǎo)出單位 基本單位 質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間和溫度,速度、密度、加速度,2、絕對(duì)單位制和重力單位制,絕對(duì)單位制,長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間,重力單位制 長(zhǎng)度、時(shí)間和力 21,22,3、國(guó)際單位制(SI制),根據(jù)1960年10月國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)的一種單位 制。,4、中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位 在SI制基礎(chǔ)上制定的。,一 單位和單位制度,國(guó)際單位制, ,國(guó)際單位制的構(gòu)成 國(guó)際單位制及其國(guó)際簡(jiǎn)稱SI是在第11屆國(guó) 際計(jì)量大會(huì)(1960)上通過(guò)的,

9、包括SI單位和 SI單位的倍數(shù)單位。 SI單位是國(guó)際單位制中由 基本單位和導(dǎo)出單位構(gòu)成一貫單位制的那些單 位。除質(zhì)量外,均不帶SI詞頭(質(zhì)量的SI單位 為千克)。 SI單位的倍數(shù)單位包括SI單位的十 進(jìn)倍數(shù)單位和分?jǐn)?shù)單位。 23,24,表 SI 基本單位,3.5 米制 絕對(duì)單位制(absolute system of units):以長(zhǎng)度、 質(zhì)量及時(shí)間為基本單位。 工程單位制(engineering system of units):以長(zhǎng) 度、力及時(shí)間為基本單位,厘米克秒(CGS)制:物理制 長(zhǎng)度(cm), 質(zhì)量(g), 時(shí)間(s), 溫度(), 絕對(duì)溫標(biāo)(K) 米千克秒(MKS)制: SI

10、長(zhǎng)度(m), 質(zhì)量(kg), 時(shí)間(s) 25,絕 對(duì) 單 位 制,1m / s,26,米制工程制: 長(zhǎng)度(m), 力(kgf), 時(shí)間(s)為基本單位,質(zhì)量成為導(dǎo)出單位。 千克力:1千克質(zhì)量的物體于真空中所受的重力。 (g=9.81m/s2) 1kgf=1kg9.81m/s2 =9.81kg.m/s2 =9.81N 質(zhì)量工程單位: 一物體在1kgf的作用下,得到1m/s2的加速度,該物體的 質(zhì)量為1質(zhì)量工程單位(kgf.s2/m),1kgf 1m / s,9.81kg.m / s 2 2,2, 9.81kg,1質(zhì)量工程單位=,1質(zhì)量工程單位的數(shù)值相當(dāng)于SI質(zhì)量的9.81倍,1 ft / s,

11、27,3.6 英制 英尺磅秒(FPS)制 長(zhǎng)度(ft), 質(zhì)量(lb),時(shí)間(s)為基本單位,力為導(dǎo) 出單位(磅達(dá),磅. 英尺/秒2)。溫度(華氏度,F), 絕對(duì)溫標(biāo)(Rankine,R),1Pdl=1 lbft/s2=1 lb.ft/s2,(Poundle, 磅達(dá)),1 Pdl=0.1383N=0.1383105dyne 英國(guó)工程制 長(zhǎng)度(ft), 力(lbf), 時(shí)間(s). 斯勒(Slg):質(zhì)量工程單位,磅力. 秒2/英尺,1lbf 1 ft / s,32.17lb. ft / s 2 2,2, 32.17lb,1 Slg=,1 lbf=32.17 Pdl=32.17 lb.ft/s2,

12、s .lbf,28,美國(guó)工程制: 長(zhǎng)度(ft),時(shí)間(s),力(lbf),質(zhì)量(lbm)為基本單位。 1lbf為1lbm物體在地面所受的重力,重力加速度 為32.17ft/s2. 牛頓公式:F=ma/ge (ge為力與質(zhì)量間的比例常數(shù)),ft.lbm 2,ge 32.17,1lbm 32.17 ft / s2 ge,1lbf ,二、單位換算, ,單位換算的原則: 屬于不同因次的單位,不能進(jìn)行加減乘除等數(shù)學(xué) 運(yùn)算,相同因次而不同單位要運(yùn)算時(shí),須先將其轉(zhuǎn)換 成相同的單位,才能進(jìn)行加加減乘除等數(shù)學(xué)運(yùn)算。 單位換算的方法(連接單位法) 1.先查出同一因次不同單位制的換算系數(shù),寫成比 例形式。 2. 將

13、需要換算的量和單位根據(jù)其間的關(guān)系寫成數(shù) 字附帶單位連乘、連除的式子,再進(jìn)行運(yùn)算 29,30,二、單位換算 1、物理量的換算 基本物理量中為1m物理單位制中100cm 英制3.2808ft 2、經(jīng)驗(yàn)公式(或數(shù)字公式)的單位換算 (a)物理方程,(b)經(jīng)驗(yàn)方程,換算方法見例02。,31,1.物料衡算,依據(jù)質(zhì)量守恒定律,進(jìn)入與離開某一化工過(guò)程的 物料質(zhì)量之差,等于該過(guò)程中累積的物料質(zhì)量,即,輸入量輸出量累積量,對(duì)于連續(xù)操作的過(guò)程,若各物理量不隨時(shí)間改 變,即穩(wěn)定操作狀態(tài)時(shí),過(guò)程中不應(yīng)有物料的積 累。則物料衡算關(guān)系為,輸入量輸出量,用物料衡算式可由過(guò)程的已知量求出未知量。,三、幾個(gè)基本概念,32,1

14、、畫出流程示意圖,標(biāo)出 物料流向與流量、組成等; 2、用虛線劃出衡算范圍;,3、定出衡算基準(zhǔn);,4、列出衡算式并求解。,物料衡算可按下列步驟進(jìn)行:,F D V,Fx F Dx D VxV,33,2.能量衡算,在化工生產(chǎn)中,能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 指標(biāo),它是衡量工藝過(guò)程、設(shè)備設(shè)計(jì)、操作制度是 否先進(jìn)合理的主要指標(biāo)之一。,能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算,只有在進(jìn)行完備的物 料衡算后才能作出能量衡算。,能量衡算依據(jù)于能量守恒定律:,輸入的能量=輸出的能量+積累的能量,34,本課程中所用到的能量主要是機(jī)械能和熱能。能,量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。,機(jī)械能衡算將在第一章流體流動(dòng)中說(shuō)明;,熱量衡算也將在

15、傳熱、蒸餾、干燥等章中結(jié)合具,體單元操作有詳細(xì)說(shuō)明。,熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同。,3 平衡關(guān)系, ,平衡是在一定條件下物系變化可能達(dá)到的極限。 通過(guò)平衡關(guān)系可以判斷過(guò)程能否進(jìn)行,及進(jìn)行的 方向和能達(dá)到的程度。 平衡關(guān)系對(duì)于分析化工生產(chǎn)過(guò)程具有重要的意 義。 35,36,4 過(guò)程速率, ,化工原理中涉及傳熱速率和傳質(zhì)速率,稱為過(guò)程速 率。 過(guò)程速率的大小,直接影響設(shè)備的尺寸大小,生產(chǎn)能 力及經(jīng)濟(jì)效益等。過(guò)程速率是過(guò)程推動(dòng)力和過(guò)程阻力 的比值,推動(dòng)力 阻力,速率 ,37,5. 經(jīng)濟(jì)核算 (Economical accounting),為生產(chǎn)定量的某種產(chǎn)品所需要的設(shè)備,根據(jù) 設(shè)備的型式和材

16、料的不同,可以有若干設(shè)計(jì) 方案。對(duì)同一臺(tái)設(shè)備,所選用的操作參數(shù)不 同,會(huì)影響到設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)。因此,要用 經(jīng)濟(jì)核算確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。,38,練 習(xí) 題 目,思考題,作業(yè)題: 1、2,1 何謂單元操作?如何分類?,2. 聯(lián)系各單元操作的兩條主線是什么?,3. 比較實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)學(xué)模型的區(qū)別與聯(lián)系。 4. 何謂單位換算因子?,1,第一章 流體流動(dòng),通過(guò)本章的學(xué)習(xí),應(yīng)掌握流體在管內(nèi)流動(dòng)過(guò) 程的基本原理和規(guī)律,并運(yùn)用這些原理和規(guī)律 分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程中的有關(guān)問(wèn)題。,學(xué)習(xí)目的,與要求,2,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定,3,連續(xù)介質(zhì)假定,假定流體是由連續(xù)分布

17、的流體質(zhì)點(diǎn)所組成,表 征流體物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的物理量在空間和 時(shí)間上是連續(xù)的分布函數(shù)。,連續(xù)介質(zhì)假定,4,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定,1.1.2 流體的密度,lim ,5,流體的密度,流體空間某點(diǎn)上單位體積流體的質(zhì)量,m,V V V,流體的密度是位置(x,y,z)和時(shí)間的函數(shù), ( x, y, z, ),密度, ,6,流體的密度,m pM V RT,純物質(zhì)的密度:,液體:基本不隨壓力變化(極高壓力除外),隨 溫度略有變化。,氣體:密度隨溫度、壓力改變。低壓下可按照理 想氣體狀態(tài)方程計(jì)算,1 m,w 1 1,w 2 2,w n n, . ,氣體混合物,混

18、合前后質(zhì)量不變 m 1 1 22 . n n,組分的質(zhì) 量分?jǐn)?shù),組分的體 積分?jǐn)?shù) 7,流體的密度 混合物的密度: 液體混合物,混合前后體積不變,8,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定 1.1.2 流體的密度,1.1.3 流體的可壓縮性與不可壓縮流體,9,1 dv v dp, ,或,1 d dp, ,(1-4),(1-5),一、流體的可壓縮性 體積壓縮系數(shù) 流體的可壓縮性通常用體積壓縮系數(shù)來(lái)表 示。其意義為在一定溫度下,外力每增加一個(gè)單 位時(shí),流體體積的相對(duì)縮小量,二、不可壓縮流體,可壓縮流體,0 的流體為可壓縮流體,不可壓縮流體,=0 的流體為不可壓縮流體,氣體

19、在一般情況下是可壓縮流體,大多數(shù)液體可視為不可壓縮流體。 值越大,流體越容易被壓縮。 10,11,需要指出,實(shí)際流體都是可壓縮的,不可 壓縮流體乃是為便于處理密度變化較小的某些 流體所作的假設(shè)而已。,二、不可壓縮流體,12,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定 1.1.2 流體的密度,1.1.3 流體的可壓縮性與不可壓縮流體,1.1.4 流體的黏性,13,一、牛頓黏性定律,流體在運(yùn)動(dòng)時(shí),相鄰流體層之間是有相互作 用的,這種相互抵抗的作用力稱為剪切力,流體 所具有的這種抵抗兩層流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的性質(zhì) 稱為流體的黏性。,黏性是流體的固有屬性之一,不論流體處于,靜止還是

20、流動(dòng),都具有黏性。,黏性,圖1-1平板間黏性流體的速度變化 14,一、牛頓黏性定律,上板以恒定 速度沿x的正 方向運(yùn)動(dòng),15,牛頓黏性定律:,dux dy, ,(1-7),一、牛頓黏性定律 實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)于多數(shù)流體,任意兩毗鄰流體 層之間作用的剪切力 F 與兩流體層的速度差 u 及其作用面積 A 成正比,與兩流體層之間的垂直 距離 y 成反比,16,一、牛頓黏性定律,牛頓型流體(Newtonian fluid),遵循牛頓黏性定律的流體,所有氣體和大多數(shù)低分子量液體均屬牛頓型流 體,如水、空氣等。,17,凡不遵循牛頓黏性定律的流體為非牛頓型流體 (non-Newtonian fluid)。,某些高

21、分子溶液、懸浮液、泥漿、血液等屬于 非牛頓流體。,非牛頓型流體(non-Newtonian fluid),一、牛頓黏性定律, Pa s ,1m s m m s ,/du dy ,dyn cm dyn s g ,18,二、流體的黏度,一般以泊的1/100的厘泊(cp)來(lái)表示黏 度。, 1, Pa kg, 2, 1 1 2 P,cm s cm cm cm s,在SI單位制中,黏度的單位為Pas,,在物理單位制上,其單位為P(泊),,運(yùn)動(dòng)黏度, / ,二、流體的黏度,SI單位為m2/s;在物理單位cm2/s稱為沲, 以St表示。 4 2 19,20,自然界不存在真正的理想流體。, 0 的流體稱為理想

22、流體。,三、理想流體與黏性流體,理想流體,21,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),22,流體靜力學(xué),流體靜力學(xué)主要研究流體靜止時(shí)流體內(nèi)部 各種物理量的變化規(guī)律,特別是在重力場(chǎng)作用 下,靜止流體內(nèi)部的壓力變化規(guī)律,23,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,24,外界作用于流體上的力,體積力 表面力,ggF V,25,一、體積力,體積力(body force)又稱為場(chǎng)力,質(zhì)量力, 是一種非接觸力。地球引力,帶電流體所受的 靜電力,電流通過(guò)流體產(chǎn)生的電磁力等均為體 積力。,本書只涉及重力:,設(shè)流體密度為,體積為V,則其所受的重力為,體積力,26,表面力 (又稱接觸力或機(jī)

23、械力),與流體元相接觸的環(huán)境流體(有時(shí)可能是 固體壁面)施加于該流體元上的力。表面力又 稱為機(jī)械力,與力所作用的面積成正比。,二、表面力,27,圖1-2 作用在流體上的力,二、表面力,t ,dA,n ,28,二、表面力,t, dF,dA,切向應(yīng)力,法向應(yīng)力 dFn,單位面積上的表面力稱為表面應(yīng)力。,表面應(yīng)力,29,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,1.2.2 靜止流體的壓力特性,30,P A,p ,靜止流體的壓力特性 流體的靜壓力 靜止的流體內(nèi)部沒(méi)有剪應(yīng)力,只有法線方 向的應(yīng)力,通常將該法向應(yīng)力稱為流體的靜壓 力,以p表示。,31,靜止流體的壓力特性,在SI單位制中

24、,壓力單位是N/m2或Pa。,其他單位還有:1atm101300 N/m2101.3kPa,1.033kgf/cm210.33mH2O760mmHg,不同基準(zhǔn)壓力之間的換算,壓力的單位,表壓力 = 絕對(duì)壓力大氣壓力 真空度 = 大氣壓力絕對(duì)壓力 真空度 = -表壓力,32,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,1.2.2 靜止流體的壓力特性,1.2.3 流體靜力學(xué)方程,33,圖1-3 流體靜力學(xué)方程的推導(dǎo),流體靜力學(xué)方程 微元立方流體 邊長(zhǎng):dx、dy、dz 密度:,( p ,p,34,dz)dxdy 與 z (2)作用整個(gè)微元體的重力為,pdxdy gdxdydz,流

25、體靜力學(xué)方程 z方向上的力(向上為正)僅為重力和靜壓力 (1)作用于微元體上、下底面的表面力(壓 力)分別為, g 0,流體靜力學(xué)方程 則z方向上力的平衡式為 p z 化簡(jiǎn)得,p z,靜止流體的歐拉(Euler)方程 35,36, 0,p x,y 軸, 0,p y,x 軸 ,流體靜力學(xué)方程 同理,在x,y方向上:, gz1 , gz2,37,p1 p2 p p0 gh,流體靜力學(xué)方程 當(dāng)流體不可壓縮(= 常數(shù))時(shí),積分可得,p , gz 常數(shù),或 或,總勢(shì)能守恒 (1-11),(1-12) 等壓面 (1-14),p2 p1 g, h,因此,壓差的大小可用一定的液柱高度來(lái)表示 38,流體靜力學(xué)方

26、程 靜力學(xué)基本方程式可改寫為,(1-15), gz1 , gz2, h,不可壓縮流體的靜 力學(xué)基本方程式,p p1 , gz 常數(shù) p2 ,p p0 gh p2 p1 g,反映重力場(chǎng)作業(yè) 下,靜止流體內(nèi)部 壓力的變化規(guī)律 39,流體靜力學(xué)方程,40,應(yīng)注意,液柱高 度表示壓差大小時(shí)必 須指明是何種液體。,圖1-4 靜止液體內(nèi)部的壓力分布,流體靜力學(xué)方程,41,流體靜力學(xué)方程,靜力學(xué)方程式 僅適用于連通著的 同一種連續(xù)的不可 壓縮靜止流體。,42,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,1.2.2 靜止流體的壓力特性 1.2.3 流體靜力學(xué)方程,1.2.4 流體靜力學(xué)方程的

27、應(yīng)用,43,圖1-5 U管壓差計(jì),一、壓力與壓力差的測(cè)量 1.U管壓差計(jì)(U- tube manometer) 動(dòng)畫04,44,根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式可得,pa p1 B g (m R) pa p2 B gm A gR,于是,p1 B g (m R) p2 B gm A gR,一、壓力與壓力差的測(cè)量,45,上式化簡(jiǎn),得,p1 p2 ( A B ) gR,若被測(cè)流體為氣體,由于氣體的密度比指示液 的密度小得多,氣體的密度可以忽略,于是,p1 p2 A gR,若U管的一端與被測(cè)流體連接,另一端與大 氣相通,此時(shí)讀數(shù)反映的是被測(cè)流體的表壓力。,一、壓力與壓力差的測(cè)量,46,圖1-6 雙液U管微壓計(jì)

28、,一、壓力與壓力差的測(cè)量 2.雙液U管微壓差計(jì) (two-liquid manometer),R R ,47,d U管內(nèi)徑; D 小室內(nèi)徑。,一、壓力與壓力差的測(cè)量 如果雙液壓差計(jì)小室內(nèi)液面差不可忽略時(shí), p1 p2 ( A C ) Rg R C g 式中 R 為小室的液面差;,2, d D ,48,p1 p2 ( A C ) gR,(1-17),一、壓力與壓力差的測(cè)量 如果雙液壓差計(jì)小室內(nèi)液面差可忽略,則,49,圖1-7 壓差法測(cè)量液位,二、液位的測(cè)量 動(dòng)畫29,50,例1-5 附 圖,二、液位的測(cè)量,動(dòng)畫30,51,三、液封高度的計(jì)算,設(shè)備的液封也是過(guò)程工業(yè)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題, 設(shè)備內(nèi)操作條

29、件不同,采用液封的目的也就不 同。流體靜力學(xué)原理可用于確定設(shè)備的液封高 度。具體見例1-6,52,例1-6 附圖,三、液封高度的計(jì)算,53,練 習(xí) 題 目,思考題,作業(yè)題: 3、4,1靜壓力有什么特性?,2. 不同基準(zhǔn)壓力之間的換算關(guān)系是怎樣的。 3. 流體靜力學(xué)方程式的應(yīng)用有哪些方面。,1,化 工 原 理,(上 冊(cè)),制作人:夏 清,2,緒論 第一章 流體流動(dòng) 第二章 流體輸送機(jī)械,1 13 8,第三章 非均相混和物分離及固體流態(tài)化 8,第四章 液體攪拌 第五章 傳熱 第六章 蒸發(fā),2 14 4,學(xué)時(shí)安排 總學(xué)時(shí)56(授課50、課堂研討4、機(jī)動(dòng)2 ),3,教,材, ,柴誠(chéng)敬主編 普通高等教育

30、“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材 化工原理(上冊(cè)) 北京: 高等教育出版社 2005年6月(第一版),4,(1) 柴誠(chéng)敬,張國(guó)亮. 化工流體流動(dòng)與傳熱. 第二版,北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007,(2) 夏清,陳常貴. 化工原理,上冊(cè). 天津: 天津大,學(xué)出版社, 2005,(3) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 2001,參考教材,5,網(wǎng)絡(luò)課程輔助教學(xué),化工原理及實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程,網(wǎng)址:202.113.179.181,6,虛 擬

31、 課 堂,演 示 實(shí) 驗(yàn),圖 片 匯 總,動(dòng) 畫 匯 總,思 考 題 匯 總,作 業(yè) 匯 總,討 論 與 答 疑,網(wǎng) 上 自 測(cè),教 師 主 頁(yè),附 件 下 載,網(wǎng)絡(luò)課程輔助教學(xué) 網(wǎng)絡(luò)課程站點(diǎn) 化工原理及實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程,學(xué)習(xí)目的 與要求 通過(guò)緒論的學(xué)習(xí),應(yīng)了解化工原理課程的主 要內(nèi)容,單元操作的分類和特點(diǎn),工程學(xué)科的研 究方法,本課程的學(xué)習(xí)要求,掌握單位制及單位 換算方法。 7,緒,論,0.1 化工原理課程的內(nèi)容和特點(diǎn) 8,緒,論,9,一、化工原理課程內(nèi)容,化工生產(chǎn)過(guò)程,化學(xué)反應(yīng) 單元操作,反應(yīng)工程 化工原理,三 傳 一 反,10,二、單元操作的分類和特點(diǎn),1、流體動(dòng)力過(guò)程:流體輸送、沉降、過(guò)濾

32、、攪拌 2、傳熱過(guò)程: 換熱、蒸發(fā),3、傳質(zhì)過(guò)程:蒸餾、吸收、萃取、吸附、浸取、,吸附、離子交換、膜分離,4、熱質(zhì)同時(shí)傳遞過(guò)程:增減濕、結(jié)晶、干燥,分類,11,化工原理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科。單 元操作的研究?jī)?nèi)容包括“過(guò)程”和“設(shè)備”兩個(gè) 方面。,所有的單元操作都可分解為動(dòng)量傳遞、熱量 傳遞、質(zhì)量傳遞這三種傳遞過(guò)程和它們的結(jié)合。 三種傳遞過(guò)程現(xiàn)象中存在著類似的規(guī)律和內(nèi)在的 聯(lián)系。傳遞過(guò)程是聯(lián)系各單元操作的一條主線。,二、單元操作的分類和特點(diǎn),特點(diǎn),12,三、化工原理課程的研究方法,1、實(shí)驗(yàn)研究方法(經(jīng)驗(yàn)法):,用量綱分析和相似論為指導(dǎo),依靠試驗(yàn)來(lái)確 定過(guò)程變量之間的關(guān)系,通過(guò)量綱為一數(shù)群(

33、或 稱準(zhǔn)數(shù))構(gòu)成的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。是一種工程上通 用的基本方法。,13,2、數(shù)學(xué)模型法(半經(jīng)驗(yàn)半理論方法),在對(duì)實(shí)際過(guò)程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上, 在抓住過(guò)程本質(zhì)的前提下,作出某種合理簡(jiǎn) 化,建立物理模型,進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,得出數(shù)學(xué) 模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。,研究工程問(wèn)題的方法是聯(lián)系各單元操作的,另一條主線。,三、化工原理課程的研究方法,14,四化工過(guò)程計(jì)算的理論基礎(chǔ),設(shè)計(jì)型計(jì)算 操作型計(jì)算 質(zhì)量守恒 能量守恒 平衡關(guān)系 速率關(guān)系,化工計(jì)算分為 所用基本關(guān)系:,15,五本課程的學(xué)習(xí)要求,學(xué)習(xí)中,應(yīng)注意以下幾個(gè)方面能力的培養(yǎng): (1)單元操作和設(shè)備選擇的能力 (2)工程設(shè)計(jì)能力,(3)操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)

34、過(guò)程的能力 (4)過(guò)程開發(fā)或科學(xué)研究能力 (5)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?緒,論,0.1 化工原理課程的內(nèi)容和特點(diǎn) 0.2 單位制度及單位換算 16,導(dǎo)出單位,一 單位和單位制度 1、基本單位和導(dǎo)出單位 基本單位 質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間和溫度,速度、密度、加速度,2、絕對(duì)單位制和重力單位制,絕對(duì)單位制,長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間,重力單位制 長(zhǎng)度、時(shí)間和力 17,18,3、國(guó)際單位制(SI制),根據(jù)1960年10月國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)的一種單位 制。,4、中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位 在SI制基礎(chǔ)上制定的。,一 單位和單位制度,19,二、單位換算 1、物理量的換算 基本物理量中為1m物理單位制中100cm 英制3.2808ft 2

35、、經(jīng)驗(yàn)公式(或數(shù)字公式)的單位換算 (a)物理方程,(b)經(jīng)驗(yàn)方程,換算方法見例02。,20,第一章 流體流動(dòng),通過(guò)本章的學(xué)習(xí),應(yīng)掌握流體在管內(nèi)流動(dòng)過(guò) 程的基本原理和規(guī)律,并運(yùn)用這些原理和規(guī)律 分析和計(jì)算流體流動(dòng)過(guò)程中的有關(guān)問(wèn)題。,學(xué)習(xí)目的,與要求,21,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定,22,連續(xù)介質(zhì)假定,假定流體是由連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成,表 征流體物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的物理量在空間和 時(shí)間上是連續(xù)的分布函數(shù)。,連續(xù)介質(zhì)假定,23,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定,1.1.2 流體的密度,lim ,24,流體的密度,流體空

36、間某點(diǎn)上單位體積流體的質(zhì)量,m,V V V,流體的密度是位置(x,y,z)和時(shí)間的函數(shù), ( x, y, z, ),密度, ,25,流體的密度,m pM V RT,純物質(zhì)的密度:,液體:基本不隨壓力變化(極高壓力除外),隨 溫度略有變化。,氣體:密度隨溫度、壓力改變。低壓下可按照理 想氣體狀態(tài)方程計(jì)算,1 m,w 1 1,w 2 2,w n n, . ,氣體混合物,混合前后質(zhì)量不變 m 1 1 22 . n n,組分的質(zhì) 量分?jǐn)?shù),組分的體 積分?jǐn)?shù) 26,流體的密度 混合物的密度: 液體混合物,混合前后體積不變,27,第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定 1.1.2

37、 流體的密度,1.1.3 流體的可壓縮性與不可壓縮流體,28,1 dv v dp, ,或,1 d dp, ,(1-4),(1-5),一、流體的可壓縮性 體積壓縮系數(shù) 流體的可壓縮性通常用體積壓縮系數(shù)來(lái)表 示。其意義為在一定溫度下,外力每增加一個(gè)單 位時(shí),流體體積的相對(duì)縮小量,二、不可壓縮流體,可壓縮流體,0 的流體為可壓縮流體,不可壓縮流體,=0 的流體為不可壓縮流體,氣體在一般情況下是可壓縮流體,大多數(shù)液體可視為不可壓縮流體。 值越大,流體越容易被壓縮。 29,30,需要指出,實(shí)際流體都是可壓縮的,不可 壓縮流體乃是為便于處理密度變化較小的某些 流體所作的假設(shè)而已。,二、不可壓縮流體,31,

38、第一章 流體流動(dòng),1.1 流體的重要性質(zhì) 1.1.1 連續(xù)介質(zhì)假定 1.1.2 流體的密度,1.1.3 流體的可壓縮性與不可壓縮流體,1.1.4 流體的黏性,32,一、牛頓黏性定律,流體在運(yùn)動(dòng)時(shí),相鄰流體層之間是有相互作 用的,這種相互抵抗的作用力稱為剪切力,流體 所具有的這種抵抗兩層流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的性質(zhì) 稱為流體的黏性。,黏性是流體的固有屬性之一,不論流體處于,靜止還是流動(dòng),都具有黏性。,黏性,圖1-1平板間黏性流體的速度變化 33,一、牛頓黏性定律,上板以恒定 速度沿x的正 方向運(yùn)動(dòng),34,牛頓黏性定律:,dux dy, ,(1-7),一、牛頓黏性定律 實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)于多數(shù)流體,任意兩毗鄰

39、流體 層之間作用的剪切力 F 與兩流體層的速度差 u 及其作用面積 A 成正比,與兩流體層之間的垂直 距離 y 成反比,35,一、牛頓黏性定律,牛頓型流體(Newtonian fluid),遵循牛頓黏性定律的流體,所有氣體和大多數(shù)低分子量液體均屬牛頓型流 體,如水、空氣等。,36,凡不遵循牛頓黏性定律的流體為非牛頓型流體 (non-Newtonian fluid)。,某些高分子溶液、懸浮液、泥漿、血液等屬于 非牛頓流體。,非牛頓型流體(non-Newtonian fluid),一、牛頓黏性定律, Pa s ,1m s m m s ,/du dy ,dyn cm dyn s g ,37,二、流體

40、的黏度,一般以泊的1/100的厘泊(cp)來(lái)表示黏 度。, 1, Pa kg, 2, 1 1 2 P,cm s cm cm cm s,在SI單位制中,黏度的單位為Pas,,在物理單位制上,其單位為P(泊),,運(yùn)動(dòng)黏度, / ,二、流體的黏度,SI單位為m2/s;在物理單位cm2/s稱為沲, 以St表示。 4 2 38,39,自然界不存在真正的理想流體。, 0 的流體稱為理想流體。,三、理想流體與黏性流體,理想流體,40,練 習(xí) 題 目,思考題,作業(yè)題: 1、2,1 何謂單元操作?如何分類?,2. 聯(lián)系各單元操作的兩條主線是什么?,3. 比較實(shí)驗(yàn)研究方法和數(shù)學(xué)模型的區(qū)別與聯(lián)系。 4. 何謂單位換

41、算因子?,5. 什么是連續(xù)性假設(shè)?質(zhì)點(diǎn)的含義是什么?,1,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),2,流體靜力學(xué),流體靜力學(xué)主要研究流體靜止時(shí)流體內(nèi)部 各種物理量的變化規(guī)律,特別是在重力場(chǎng)作用 下,靜止流體內(nèi)部的壓力變化規(guī)律,3,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,4,外界作用于流體上的力,體積力 表面力,ggF V,5,一、體積力,體積力(body force)又稱為場(chǎng)力,質(zhì)量力, 是一種非接觸力。地球引力,帶電流體所受的 靜電力,電流通過(guò)流體產(chǎn)生的電磁力等均為體 積力。,本書只涉及重力:,設(shè)流體密度為,體積為V,則其所受的重力為,體積力,6,表面力 (又稱接觸力或機(jī)

42、械力),與流體元相接觸的環(huán)境流體(有時(shí)可能是 固體壁面)施加于該流體元上的力。表面力又 稱為機(jī)械力,與力所作用的面積成正比。,二、表面力,7,圖1-2 作用在流體上的力,二、表面力,t ,n ,8,二、表面力,t,dA, dF,dA,切向應(yīng)力,法向應(yīng)力 dFn,單位面積上的表面力稱為表面應(yīng)力。,表面應(yīng)力,9,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,1.2.2 靜止流體的壓力特性,10,P A,p ,靜止流體的壓力特性 流體的靜壓力 靜止的流體內(nèi)部沒(méi)有剪應(yīng)力,只有法線方 向的應(yīng)力,通常將該法向應(yīng)力稱為流體的靜壓 力,以p表示。,11,靜止流體的壓力特性,在SI單位制中,壓力

43、單位是N/m2或Pa。,其他單位還有:1atm101300 N/m2101.3kPa,1.033kgf/cm210.33mH2O760mmHg,不同基準(zhǔn)壓力之間的換算,壓力的單位,表壓力 = 絕對(duì)壓力大氣壓力 真空度 = 大氣壓力絕對(duì)壓力 真空度 = -表壓力,12,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,1.2.2 靜止流體的壓力特性,1.2.3 流體靜力學(xué)方程,13,圖1-3 流體靜力學(xué)方程的推導(dǎo),流體靜力學(xué)方程 微元立方流體 邊長(zhǎng):dx、dy、dz 密度:,( p ,z,14,p dz)dxdy 與 (2)作用整個(gè)微元體的重力為,pdxdy gdxdydz,流體靜力

44、學(xué)方程 z方向上的力(向上為正)僅為重力和靜壓力 (1)作用于微元體上、下底面的表面力(壓 力)分別為, g 0,流體靜力學(xué)方程 則z方向上力的平衡式為 p z 化簡(jiǎn)得,p z,靜止流體的歐拉(Euler)方程 15,16, 0,p x,y 軸, 0,p y,x 軸 ,流體靜力學(xué)方程 同理,在x,y方向上:, gz1 , gz2,17,p1 p2 p p0 gh,流體靜力學(xué)方程 當(dāng)流體不可壓縮(= 常數(shù))時(shí),積分可得,p , gz 常數(shù),或 或,總勢(shì)能守恒 (1-11),(1-12) 等壓面 (1-14),p2 p1 g, h,因此,壓差的大小可用一定的液柱高度來(lái)表示 18,流體靜力學(xué)方程 靜

45、力學(xué)基本方程式可改寫為,(1-15), gz1 , gz2, h,不可壓縮流體的靜 力學(xué)基本方程式,p p1 , gz 常數(shù) p2 ,p p0 gh p2 p1 g,反映重力場(chǎng)作業(yè) 下,靜止流體內(nèi)部 壓力的變化規(guī)律 19,流體靜力學(xué)方程,20,應(yīng)注意,液柱高 度表示壓差大小時(shí)必 須指明是何種液體。,圖1-4 靜止液體內(nèi)部的壓力分布,流體靜力學(xué)方程,21,流體靜力學(xué)方程,靜力學(xué)方程式 僅適用于連通著的 同一種連續(xù)的不可 壓縮靜止流體。,22,第一章 流體流動(dòng),1.2 流體靜力學(xué),1.2.1 流體的受力,1.2.2 靜止流體的壓力特性 1.2.3 流體靜力學(xué)方程,1.2.4 流體靜力學(xué)方程的應(yīng)用,

46、23,圖1-5 U管壓差計(jì),一、壓力與壓力差的測(cè)量 1.U管壓差計(jì)(U- tube manometer) 動(dòng)畫04,24,根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式可得,pa p1 B g (m R) pa p2 B gm A gR,于是,p1 B g (m R) p2 B gm A gR,一、壓力與壓力差的測(cè)量,25,上式化簡(jiǎn),得,p1 p2 ( A B ) gR,若被測(cè)流體為氣體,由于氣體的密度比指示液 的密度小得多,氣體的密度可以忽略,于是,p1 p2 A gR,若U管的一端與被測(cè)流體連接,另一端與大 氣相通,此時(shí)讀數(shù)反映的是被測(cè)流體的表壓力。,一、壓力與壓力差的測(cè)量,26,圖1-6 雙液U管微壓計(jì),一、

47、壓力與壓力差的測(cè)量 2.雙液U管微壓差計(jì) (two-liquid manometer),R R ,27,d U管內(nèi)徑; D 小室內(nèi)徑。,一、壓力與壓力差的測(cè)量 如果雙液壓差計(jì)小室內(nèi)液面差不可忽略時(shí), p1 p2 ( A C ) Rg R C g 式中 R 為小室的液面差;,2, d D ,28,p1 p2 ( A C ) gR,(1-17),一、壓力與壓力差的測(cè)量 如果雙液壓差計(jì)小室內(nèi)液面差可忽略,則,29,圖1-7 壓差法測(cè)量液位,二、液位的測(cè)量 動(dòng)畫29,30,例1-5 附 圖,二、液位的測(cè)量,動(dòng)畫30,31,三、液封高度的計(jì)算,設(shè)備的液封也是過(guò)程工業(yè)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題, 設(shè)備內(nèi)操作條件不同

48、,采用液封的目的也就不 同。流體靜力學(xué)原理可用于確定設(shè)備的液封高 度。具體見例1-6,32,例1-6 附圖,三、液封高度的計(jì)算,33,練 習(xí) 題 目,思考題,作業(yè)題: 3、4,1靜壓力有什么特性?,2. 不同基準(zhǔn)壓力之間的換算關(guān)系是怎樣的。 3. 流體靜力學(xué)方程式的應(yīng)用有哪些方面。,1,第一章 流體流動(dòng),1.3 流體流動(dòng)概述,1.3.1 流動(dòng)體系的分類, 0, ,流體流速或其它物理量不僅隨位置變化而且隨 時(shí)間變化,即 u u ( x, y, z, ) 2,一、定態(tài)與非定態(tài)流動(dòng) 定態(tài)流動(dòng) 流體流速或其它物理量?jī)H隨位置變化而不隨時(shí),間變化,即 非定態(tài)流動(dòng),3,若物理量只依賴于一個(gè)曲線坐標(biāo),則稱此

49、流動(dòng)為一維流動(dòng);依賴于兩個(gè)曲線坐標(biāo)稱為二 維流動(dòng) ;依賴于三個(gè)曲線坐標(biāo)則稱為 三維流 動(dòng)。,應(yīng)予指出,過(guò)程工業(yè)中的流體輸送因多在封,閉管道內(nèi)進(jìn)行,故其流動(dòng)以一維居多。,二、一維與多維流動(dòng),4,三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動(dòng),流體流動(dòng)問(wèn)題,流體的繞流流動(dòng) 在封閉管道內(nèi)的流動(dòng),5,繞流流動(dòng),流體繞過(guò)一個(gè)浸沒(méi)的物體流過(guò),故也稱為外 部流動(dòng)。例如細(xì)顆粒物在大量流體中的沉降、填 充床內(nèi)的流動(dòng)等。 封閉管道內(nèi)的流動(dòng),被輸送的流體在管路中的流動(dòng)。,研究流體在管路中的流動(dòng)規(guī)律是本章的重要內(nèi),容。,三、繞流與封閉管道內(nèi)的流動(dòng),6,第一章 流體流動(dòng),1.3 流體流動(dòng)概述,1.3.1 流動(dòng)體系的分類 1.3.2 流率與

50、平均流速,7,一、流量,單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)任一流通截面的流體體積 稱為體積流率(volume flow rate),習(xí)慣上亦稱之 為體積流量。,8,一、流量,qm , s qv , s,流量的表示方法:,體積流量,以qv,s表示,單位為m3/s。 質(zhì)量流量,以qv,s 表示,單位為kg/s。,體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為,9,二、平均流速,流速是空間位置的函數(shù),我們稱之為流體的 點(diǎn)速度。例如當(dāng)流體流經(jīng)一段管路時(shí),由于流體 存在黏性,使得管截面上各點(diǎn)的速度不同。從而 由壁面至管中心建立起一個(gè)速度分布。在工程計(jì) 算時(shí),通常采用平均速度來(lái)代替這一速度分布。,10,qv,s A,u ,二、平均流速 平均速度

51、 平均速度(bulk velocity)系指體積流量與流 通截面積之比,以u(píng) 表示,其單位為m/s。,11,二、平均流速 由于氣體的體積流率隨溫度和壓力變化, 故采用質(zhì)量平均流速更為方便,通常稱之為質(zhì) 量通量(mass flux),以G表示,單位為kg/m2.s 。,qm, s A, qV , s A,G , u,質(zhì)量通量, d,12,二、平均流速 管徑、體積流量和之間關(guān)系 以d表示內(nèi)徑,則有,4qV , s 2 4qV , s u,u d ,管內(nèi)流速 管路直徑,(1-24) (1-25),13,二、平均流速,選擇平均流速:,流速選擇過(guò)高,管徑雖可以減小,但流體流 經(jīng)管道的阻力增大,動(dòng)力消耗大

52、,操作費(fèi)用隨之 增加;,流速選擇過(guò)低,操作費(fèi)用減小,但管徑增,大,管路的投資費(fèi)用隨之增加。,適宜的流速需根據(jù)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡決定。表1-1列出 了一些流體在管道中流動(dòng)時(shí)流速的常用范圍。,14,例1-7 提示 管徑的選擇 管子規(guī)格 57mm 3mm,附錄十七 附錄十八 外徑 壁厚,二、平均流速,15,第一章 流體流動(dòng),1.3 流體流動(dòng)概述,1.3.1 流動(dòng)體系的分類 1.3.2 流率與平均流速 1.3.3 流動(dòng)型態(tài)與雷諾數(shù),16,一、雷諾實(shí)驗(yàn),圖1-9雷諾實(shí)驗(yàn),17,圖1-10 兩種流動(dòng)型態(tài),一、雷諾實(shí)驗(yàn) 層 流 ( laminar flow ) 或 滯 流 (viscous flow) 湍 流 或 紊

53、 流 (turbulent flow) 動(dòng)畫01,反映流體流動(dòng)狀態(tài)的量綱為一數(shù)群。 18,du ,Re ,二、雷諾數(shù)(Reynolds number),雷諾數(shù)(Reynolds number),流速,密度 黏度,直徑,19,對(duì)于流體在直管內(nèi)的流動(dòng): 當(dāng)Re2000時(shí)屬于層流; 當(dāng)Re4000時(shí)屬湍流;,當(dāng)Re=20004000之間時(shí),屬不穩(wěn)定的過(guò)渡,流。,工程上Re3000時(shí)按照湍流處理,二、雷諾數(shù)(Reynolds number),20,de 4rH,A Lp,rH ,(1-26),式中,Lp流道的潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)度,m; A流道的截面積,m2。,三、當(dāng)量直徑的概念 當(dāng)量直徑,水力半徑,21,第一

54、章 流體流動(dòng),1.4 流體流動(dòng)的基本方程,22,流體動(dòng)力學(xué)主要研究流體流動(dòng)過(guò)程中流速、壓力等 物理量的變化規(guī)律,研究所采用的基本方法是通過(guò) 守恒原理(包括質(zhì)量守恒、能量守恒及動(dòng)量守恒) 進(jìn)行質(zhì)量、能量及動(dòng)量衡算,獲得物理量之間的內(nèi) 在聯(lián)系和變化規(guī)律。,作衡算時(shí),需要預(yù)先指定衡算的空間范圍,稱之為 控制體,而包圍此控制體的封閉邊界稱為控制面。,一、概述,流體動(dòng)力學(xué),23,第一章 流體流動(dòng),1.4 流體流動(dòng)的基本方程,1.4.1 總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程,24,二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo),圖1-11 管路系統(tǒng)的總質(zhì)量衡算,qm ,2 qm ,1 0,25,dM d,(1-28),二、總質(zhì)量衡算

55、-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 如圖1-11所示,選擇一段管路或容器作為所 研究的控制體,該控制體的控制面為管或容器的 內(nèi)壁面、截面1-1與2-2組成的封閉表面。 根據(jù)質(zhì)量守恒原理可得,26,對(duì)于定態(tài)流動(dòng), dM,/ d 0,則,qm ,1 qm ,2,或,1 1,1uA 2u2 A2,(1-29),二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo), ( ),1,qV , s u1 A1 u2 A2 uA 常數(shù),對(duì)于圓形管道,u1 d2 2 u2 d1,(1-31),(1-31a) 27,二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) 推廣到管路上任意截面 qm 1uA1 2u2 A2 uA 常數(shù) (1-30) 對(duì)于不可壓縮流體,, ( ),1,圓形管道,u1 d2 2 u2 d1,二、總質(zhì)量衡算-連續(xù)性方程的推導(dǎo) qm 1uA1 2u2 A2 uA 常數(shù) 不可壓縮流體 qV , s u1 A1 u2 A2 uA 常數(shù),管內(nèi)定態(tài)流動(dòng)的連

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