天津大學(xué)化工原理課件全集（上）－柴誠(chéng)敬主編章汝平主講課件

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