化工原理1(多學(xué)時課堂教學(xué))

1、化化 工工 原原 理理Principles of Chemical Engineering（多學(xué)時課堂教學(xué)）多學(xué)時課堂教學(xué)）序序 言言PREFACE 在開始上課之前，先向你們提一個問題。?？粕c本科生的差異何在？這里引用一位教育學(xué)教授的話來回答這個問題。專科教育以應(yīng)用為目的，在理論學(xué)習(xí)上以夠用為度；而本科教育重在培養(yǎng)學(xué)生的理論體系。 下面通過一個與本門課程有關(guān)的例子來說明理論的重要性。這種現(xiàn)象叫虹吸。大家都知道水往低處流，但在虹吸中水先往高處流，越過一個高點后才往低處流。這只有用流體動力學(xué)的理論才能作出解釋。 這個例子說明，我們感覺到了的事物，不能立刻理解它，但我們理解了的事物，卻能深刻地感覺

2、到它。經(jīng)驗只能解決現(xiàn)象問題，理論才能解決本質(zhì)問題。 現(xiàn)在有少部分同學(xué)受求職壓力的影響和對素質(zhì)教育的誤解，熱衷于技能學(xué)習(xí)，去獲取各種職業(yè)資格證書，如駕駛證，電工證，會計證等，而忽視理論學(xué)習(xí)，這相當(dāng)于把對自己的要求降低到?？粕踔林袑Ｉ?。這對你們未來的發(fā)展將是不利的。所以希望你們珍惜本科教育的機會，注重培養(yǎng)自己的理論體系,認真學(xué)好每門基礎(chǔ)理論課，特別是化工原理，因為這門課是化工類各專業(yè)課的基礎(chǔ)理論課。一、教學(xué)計劃Teaching Plan1. 課堂講授：圍繞教學(xué)大綱進行講授，以教材為藍本，但對教材中的內(nèi)容有所增減，自成體系。（固體流態(tài)化、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶、膜分離、超臨界萃取不講）。Classroo

3、m lecture: Carry on the lecture around the teaching outline. The contents in the textbook are somewhat increased and decreased, but my lecture is made to be a system. 2. 習(xí)題課：講完課后安排一次習(xí)題課，通過解答以往的考題來復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容及示范解題技能和技巧。作業(yè)中的普遍性問題在作業(yè)發(fā)回時解答。Exercise class and classroom discussion: Answer the common difficult

4、questions in the homework, train the skill of solving questions and review. 3. 實驗教學(xué)：通過驗證性實驗來幫助學(xué)生理解所學(xué)理論。（單獨設(shè)課）（安排一次理論教學(xué)、三次實驗（阻力、離心泵、傳熱（含仿真）和三次演示實驗（雷諾、柏努利方程、流體流動型態(tài)）（以實驗安排為準(zhǔn)） 4.輔導(dǎo)答疑Time arrangement of guidance and answering difficult questions(1) 課間及課后Between classes and after classes （2）考前兩天Two days b

5、efore examination 5 作業(yè)Homework(1) 每章交一次，不用抄題。Once per chapter, dont need to copy the exercise questions.(2) 計算題求解步驟和要求（也適用于考試）：Steps of solving questions and demands of calculation questions.a. 要寫出已知條件和求解參數(shù)（不計分）Write out known conditions and unknown parameterb. 一般要畫出簡圖（不計分）In generally, draw a simpl

6、e figure.c. 公式要推導(dǎo)Formulas should be deducedd. 已知數(shù)據(jù)要代入公式Known data should be put into the formulase. 計算結(jié)果一般要保留3位小數(shù)或4位有效數(shù)字In generally, the calculation results should be reserved three-digit decimals. 6 考核Check(1) 考勤Attendance 10%（缺勤超1/3者沒有考試資格） （2）作業(yè)Homework10%（缺作業(yè)超1/3者沒有考試資格） （3）考試Examination80% 三、本

7、課程的特點Characteristic of This Course: It is a branch of physics, and its degree of difficulty is larger.1是劃分工科和理科的標(biāo)準(zhǔn)，是化工類各專業(yè)課的基礎(chǔ)理論課。2難度較大，與物理化學(xué)相當(dāng)。3. 很重要，是停課考試科目和化工類研究生升學(xué)考試科目 四、學(xué)習(xí)要求Study Demand1認真聽課Listen to the lecture seriously2做好筆記Take notes3即時復(fù)習(xí)Review immediately4獨立完成作業(yè)Complete homework independent

8、ly5. 有疑問即時問老師Ask teacher in time if having any questions 緒緒 論論INTRODUCTION 一、化工過程與單元操作Processes of Chemical Industries and Unit Operations1. 化工過程（化學(xué)工業(yè)過程）：由若干物理過程和若干化學(xué)過程組成的工業(yè)過程?；?qū)⒃细淖兓蚍蛛x成有用產(chǎn)品的工業(yè)過程。 Processes of Chemical Industries, in which raw materials are changed or separated into useful products,

9、 are industrial processes which are composed of a number of physical processes and chemical processes. 2單元操作：化工過程中不含化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)次要的物理過程Unit Operations are physical processes in chemical industries in which there are no chemical processes, or the chemical processes are secondary. 3化學(xué)過程：含有化學(xué)反應(yīng)的過程Chemical

10、 Processes are the processes that comprise chemical reactions. 4化工原理：以單元操作為研究對象的一門技術(shù)科學(xué)。Principles of Chemical Engineering is a branch of chemical engineering that studies unit operations. 5化學(xué)反應(yīng)工程：以化工過程中化學(xué)過程作為研究對象的一門技術(shù)科學(xué)。6. 化學(xué)工程：研究化工過程共性規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)。主要由化工原理和化學(xué)反應(yīng)工程兩個分支組成。（另外還有化工傳遞過程原理和化工熱力學(xué)及化工系統(tǒng)工程三個分支） C

11、hemical Engineering is an applied science that studies the common character regularity of processes of chemical industries. Chemical Engineering consists mainly of Principles of Chemical Engineering and Chemical Reaction Engineering. In addition, it also includes Principles of Transfer Processes in

12、Chemical Industries, Thermodynamics in Chemical Industries and System Engineering in Chemical Industries. This course covers the unit operations. 7. （過程）：物系狀態(tài)發(fā)生變化的經(jīng)過 8. （物系）：作為研究對象的物質(zhì) 一、本課程的內(nèi)容、性質(zhì)及任務(wù)Contents, Property and Tasks of This Course1. 內(nèi)容 流體流動過程(傳動過程)：流體輸送、沉降、過濾、（流態(tài)化）等 單元操作 傳熱過程：熱交換、（蒸發(fā)）等 傳質(zhì)

13、過程：蒸餾、吸收、（萃取）、干燥、（結(jié)晶）等 2性質(zhì)：（技術(shù)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課或技術(shù)科學(xué)）基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)課基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)科學(xué)工程技術(shù) 基礎(chǔ)課技術(shù)基礎(chǔ)課應(yīng)用技術(shù) 3任務(wù)：培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決單元操作中各種問題的能力(1) 介紹三傳的基本原理。(2) 介紹主要單元操作的典型設(shè)備構(gòu)造、操作原理、計算、選型、設(shè)計及實驗研究方法。 （3）培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決單元操作中各種問題的能力。 三、物理量的單位與量綱Units and Dimensions of Physical Quantities1單位：計量中作為記數(shù)單元所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)量。2單位(計量)制度：由基本單位和導(dǎo)出單位組成的一系列計量單位

14、的總稱。3. 單位制分類及簡史 英單位制(FPS)單位制 物理單位制(CGS) 國際單位制(SI) （含我國的法定單位制） 工程單位制（重力制） 世界上普遍使用的計量（單位）制度有兩個。一個是10世紀初由英國人創(chuàng)立的Foot-Pound-Second Measurement System，簡稱英制(FPS)；另一個是18世紀末由法國人發(fā)展的Centimeter-Gram-Second Measurement System，簡稱物理制(CGS)。后來工程界將物理制發(fā)展為Meter-Kilogram-Second Measurement System，簡稱米制(MKS)。1960年第十一屆國際計量

15、大會對米制進行了規(guī)范化，建立了International System of Units，簡稱國際制(SI)。工程制是工程界在米制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。國際制以長度、質(zhì)量、時間為基本量，以米、千克質(zhì)量、秒為相應(yīng)的基本單位，而工程制以長度、力、時間為基本量，以米、千克力、秒為相應(yīng)的基本單位。一千克力定義為一千克質(zhì)量的物體在北緯45o海平面上所受的重力，根據(jù)牛頓第二定律，可知一千克力等于9.80665牛頓。我國目前市場上使用的市制(MS, Market System)是在米制基礎(chǔ)上對我國舊市制進行修改而形成的。 1959年我國政府正式確定米制為我國的基本計量制度，1977年國務(wù)院計量管理條例規(guī)定：“我

16、國的基本計量制度是米制，逐步采用國際制”。1984年又發(fā)布命令，確定我國統(tǒng)一實行以國際制為基礎(chǔ)，并包括由我國指定的若干非國際制單位在內(nèi)的中華人民共和國法定計量單位制度，簡稱法定制。 4單位換算：將換算關(guān)系代入原單位中即可進行單位換算 同一物理量用不同單位計量時，其數(shù)值是不同的，又由于目前常用的物理、化學(xué)數(shù)據(jù)和工程圖表仍有許多使用物理制和工程制，所以單位換算在化工計算中是非常重要的。實踐證明，單位換算時，不僅初學(xué)者常常造成混亂，就是很有經(jīng)驗的人，如不遵守一定的規(guī)則，也會發(fā)生錯誤。 單位換算時，先從附錄2中查出換算關(guān)系，后將換算關(guān)系代入原單位中即可進行單位換算。在化工計算中，先用換算關(guān)系將各物理量

17、不同單位制的數(shù)值換算成同一種單位制的數(shù)值，然后再進行計算，就能避免差錯。 5經(jīng)驗方程的換算 若已知物理量的單位與經(jīng)驗方程中規(guī)定的單位不相符，則要將已知物理量的單位換算成經(jīng)驗方程中規(guī)定的單位后才能進行運算；若經(jīng)驗方程要經(jīng)常使用，則可以將經(jīng)驗方程加以變換，使經(jīng)驗方程中各物理量采用計算者所希望的單位，這就是經(jīng)驗方程的換算。 由于經(jīng)驗方程中的符號只代表物理量的數(shù)值部分，所以只要讓經(jīng)驗方程中的符號只代表數(shù)值部分，即可進行經(jīng)驗方程換算，例如： 如Antoine蒸汽壓方程： （物理量=數(shù)值單位） （數(shù)值轉(zhuǎn)換關(guān)系） 理論：系統(tǒng)化了的理性認識?？陀^事物的本質(zhì)、規(guī)律性的正確反應(yīng)。其重要意義在于指導(dǎo)實踐。沒有理論指

18、導(dǎo)的實踐是盲目的實踐。脫離實際的理論是空洞的理論。 理論方程：以定義、定律為基礎(chǔ)，經(jīng)邏輯（演繹）推理而得的某些物理量之間的關(guān)系。其重要意義在于其廣泛的適用性，可以指導(dǎo)實踐。如流體靜力學(xué)基本方程： 可以適用于任何靜止流體。 經(jīng)驗：感性認識。是人們在實踐過程中，通過自己的肉體感官直接接觸客觀外界而獲得的，對各種事物的表面現(xiàn)象的初步認識。 經(jīng)驗方程：以實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，經(jīng)數(shù)學(xué)擬合而得的某些物理量之間的關(guān)系。其特點在于其專用性，可作為理論方程的補充。當(dāng)理論方程較復(fù)雜時，可用經(jīng)驗方程簡化計算；當(dāng)沒有理論方程時，可通過實驗建立經(jīng)驗方程以滿足工程應(yīng)用的需要。如Antoine蒸汽壓方程： 只適用于特定的物質(zhì)。

19、1量綱Dimension（1）定義：某類物理量B（可以相互比較的一類物理量）的量綱是該類物理量不同單位的統(tǒng)稱，記為dimB。 性質(zhì)：若用符號L、M、T、I、N、J分別表示長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強度7個基本量的量綱，則導(dǎo)出量Q的量綱可用基本量量綱的組合來表示， 即 式中 量綱指數(shù)（因次）。 例如： 若 ，則 所以Q稱為量綱為1的量，或稱為無量綱量 量綱一致性原理：任何一個理論（物理）方程兩邊的量綱必相等。 如： 但 （經(jīng)驗方程）。 四、物料衡算Material Balances 物料衡算是質(zhì)量守恒定律在流動系統(tǒng)中的應(yīng)用，也就是進入和離開某一衡算范圍的質(zhì)量總和之差等于該

20、衡算范圍內(nèi)的質(zhì)量累積，即 五、能量衡算Energy Balances 能量衡算是能量守恒定律在流動系統(tǒng)中的應(yīng)用，也就是進入和離開某一衡算范圍的能量總和之差等于該衡算范圍內(nèi)的能量累積，即 當(dāng)GA=0和QA=0時，則過程為穩(wěn)定（定態(tài)）過程。否則為不穩(wěn)定（非定態(tài)）過程。 衡算基準(zhǔn)：連續(xù)過程，單位時間 間歇過程，一個循環(huán)（批次）。 六、化學(xué)工程科學(xué)分類及簡史 Classification and Concise History of Chemical Engineering 回顧一下化學(xué)工程科學(xué)的發(fā)展歷程，將有助于我們學(xué)好化工原理這門課程。 我們知道，化學(xué)工業(yè)是一門古老的工業(yè)，但以化學(xué)工業(yè)過程為研究對

21、象的化學(xué)工程科學(xué)的誕生至今只有80多年的歷史。這是由于最初的化學(xué)工業(yè)規(guī)模比較小，技術(shù)要求不高，化學(xué)家可以全憑經(jīng)驗來設(shè)計和操作化工裝置。 隨著第二次工業(yè)革命的興起，化學(xué)工業(yè)開始向大型化邁進。為了適應(yīng)化學(xué)工業(yè)的大型化，從19世紀90年代(1890s)開始，化工各行業(yè)開始研究各自的生產(chǎn)工藝學(xué)。隨著研究的深入，人們認識到化工各行業(yè)中的許多物理過程遵循相同的物理原理。于是在1923年美國麻省理工學(xué)院(MIT)化工系的三位教授Walker, Lewis, and MeAdams 編著了一本名為”Principles of Chemical Engineering”的書。他們在該書中提出了單元操作(Unit

22、 Operation)的概念，并且指出，在所有的化工裝置中進行的所有物理過程，無非是原料的輸送、混合、加熱、冷卻，產(chǎn)品與廢料的分離等幾種操作。該書的出版標(biāo)志著化學(xué)工程科學(xué)的誕生，也使化工裝置從由化學(xué)家設(shè)計和操作開始轉(zhuǎn)向由化學(xué)工程師設(shè)計和操作。 下面的例子可以說明化學(xué)家與化學(xué)工程師的差別。青霉素是由燒杯中營養(yǎng)液表面的霉菌生長而制成的。第一次規(guī)模生產(chǎn)是用成千上萬只燒杯來生產(chǎn)，這樣不能降低成本。后來化學(xué)工程師設(shè)計了一個一千加倫的罐子，大量的空氣被鼓入罐中通過營養(yǎng)液以提供霉菌生長所需的氧氣，這就大大地降低了成本，使青霉素真正成為廣泛使用的藥物。 隨著對單元操作研究的深入，人們又認識到所有的單元操作實質(zhì)

23、上不過是動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞（三傳）的特殊情況或特定組合，并于1960年出版了”Transport Phenomena” (Bird, Stewart, and Lightfoot)。作者在該書中對三傳過程進行了理論分析，使許多過去必須用經(jīng)驗方法解決的問題，現(xiàn)在可以用理論方法加于解決。 在研究單元操作和傳遞現(xiàn)象的同時，人們對化學(xué)過程也進行了深入的研究，并于1962年出版了”Chemical Reaction Engineering” (O. Levenspiel)。作者在該書中對各種反應(yīng)器的設(shè)計、放大和最優(yōu)化問題進行了詳細的討論。 從此，化學(xué)工程科學(xué)進入了以“傳遞過程”和“反應(yīng)工程”為

24、中心的所謂“三傳一反”的發(fā)展階段?；瘜W(xué)工程科學(xué)還有兩個分支。一是化工熱力學(xué)，另一是化工系統(tǒng)工程?；崃W(xué)是用化學(xué)熱力學(xué)的理論來解決化工過程中的能量和極限問題，化工系統(tǒng)工程是用最優(yōu)化的方法來對化工裝置進行設(shè)計和操作。 化工原理（單元操作） 化工傳遞過程原理（傳遞現(xiàn)象）化學(xué)工程 化學(xué)反應(yīng)工程 化工熱力學(xué) 化工系統(tǒng)工程 第一章第一章 流體流動流體流動FLUID FLOWMOMENTUM TRANSFER (FLUID MECHANICS)第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述INTRODUCTION 一. 重要性Importance：在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常需要將流體從一個設(shè)備輸送到另一個設(shè)備?；どa(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)

25、過程以及化學(xué)過程大部分是在流體流動下進行的。另外，流體流量的測量也與流體流動有關(guān)。因此，流體流動的基本原理是本門課程及化學(xué)反應(yīng)工程的重要基礎(chǔ)。 二. 定義Definition：承受任何微小切向應(yīng)力都會發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)就稱為流體。所有氣體和絕大多數(shù)液體都是流體，但紙漿就不是流體，因為要切向應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力之后紙漿才開始流動。 推論Inference：流體不能抵抗拉伸。 三、流體的壓縮性和膨脹性Compressibility and Expansibility 壓縮系數(shù)Compression coefficient： 水for water： 膨脹系數(shù)Expansion coefficient：

26、 水for water： 可以看出水的壓縮系數(shù)很小，其他的液體也有類似的特性，而氣體的壓縮系數(shù)卻很大，這可由理想氣體狀態(tài)方程看出。所以一般把液體看成是不可壓縮流體，把氣體看成是可壓縮流體。但這種劃分不是絕對的，例如在高壓鍋爐中，水就不能看成是不可壓縮流體，而在一般的通風(fēng)系統(tǒng)中，空氣可以看成是不可壓縮流體。 由水的膨脹系數(shù)和理想氣體狀態(tài)方程可知，液體和氣體的膨脹性一般都不能忽略。 四、流體力學(xué)模型Fluid-Mechanics Model 流體是由分子組成的，但在研究流體運動規(guī)律時，不能把流體看成是由分子組成的間斷介質(zhì)。因為在間斷介質(zhì)中，空間某一點的速度是不確定的，當(dāng)分子不占據(jù)這一點時，其速度總

27、是零，而當(dāng)分子占據(jù)這一點時，其速度是該分子的速度；而且分子的運動是雜亂無章的。顯然，如果把流體看成是由分子組成的間斷介質(zhì)，從分子的運動入手來研究流體運動的規(guī)律，不僅是十分困難的，也是沒有實際意義的。 因此，在研究流體運動規(guī)律時，將流體看成是由流體質(zhì)點組成的連續(xù)介質(zhì)。實踐證明，用流體質(zhì)點連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)模型導(dǎo)出的理論是能夠正確反應(yīng)流體運動規(guī)律的。 流體質(zhì)點是由無數(shù)分子組成的直徑大于分子平均自由程（連續(xù)碰撞的平均路程）的極小單元，且單元之間沒有間隙，每個單元只能定義唯一的宏觀物理量，如溫度、壓力、密度、粘度、速度、加速度等。這樣就可以用連續(xù)函數(shù)來描述流體運動的規(guī)律。 對所有的液體及1個大氣壓下的氣體

28、，該單元的直徑約為1m。因為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1m3的空氣中大約含有3107個分子。所以在該單元上可以定義幾乎唯一的宏觀物理量。若小于該直徑，則有微觀誤差，即該單元內(nèi)的分子數(shù)隨時改變；若大于該直徑，則有宏觀誤差，即該單元內(nèi)的分子分布不均勻。 但流體質(zhì)點模型的使用是有條件的。當(dāng)特性長度與平均自由程之比大于103時，就可以使用流體質(zhì)點模型，否則流體質(zhì)點模型就不適用。如在100km的高空，壓力約為0.133Pa，空氣中氧氣和氮氣分子的平均自由程約為1m，這時仍可使用流體質(zhì)點模型，但在直徑為1m的容器內(nèi)，如壓力也為0.133Pa，則不能使用流體質(zhì)點模型。 第二節(jié)第二節(jié) 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)FLUID ST

29、ATICS 一. 密度Density 1. 定義Definition：單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度， 即 2. 性質(zhì)Properties （1）對一定的流體 （2）對一定的液體 （3）對理想混合液體，(1kg)混合液體的體積等于各組分單獨存在時的體積 之和，即 式中 i混合液體中各組分的密度，kg/m3； xwi混合液體中各組分的質(zhì)量分率。 （4）對低壓氣體 由 得 式中 p壓力，Pa；M摩爾質(zhì)量，kg/mol；T絕對溫度，K；(Kelvin)R氣體常數(shù)，8.3145J/(molK)。 或 由 得 取273.15K、101325Pa為0狀態(tài)的1mol氣體， 則 所以 （5）對低壓混合

30、氣體 其中 式中 Mi混合氣體中各組分的摩爾質(zhì)量，kg/mol；yi混合氣體中各組分的摩爾分率?；?(1m3)混合氣體的質(zhì)量等于各組分的質(zhì)量之和。即 式中 i混合氣體中各組分的密度，kg/m3；xvi混合氣體中各組分的體積分率。（6）對高壓氣體：用真實氣體狀態(tài)方程計算或查有關(guān)圖表 二. 靜壓力Static Pressure 1. 定義Definition：靜止流體內(nèi)單位面積上所受到的力稱為靜壓力，簡稱壓力或壓強，即 2. 性質(zhì)Properties （1）靜止流體內(nèi)任何一點的壓力，必垂直于作用面， 并指向所考慮的流體的內(nèi)部。 反證法：F引起流動 Fn引起拉伸 （2）靜止流體內(nèi)任何一點的壓力在各個

31、方向上都是相等的 由三方向的力平衡，得 而 且 為高階無窮小 所以 FFFnF1 . 1.Figdxdzdyypxpnpzpmgyxz2 . 1.Fig3. 單位Units：壓力的單位最多 有Pa、atm、kgf/cm2(at)、mmHg、mH2O、bar等，它們之間的換算關(guān)系為： 1atm=101325Pa=1.01325bar =1.0332kgf/cm2(at)=10.332mH2O=760mmHg 1kgf/cm2(at)=10mH2O=735.56mmHg =9.807104Pa=0.9807bar=0.9678atm 4. 基準(zhǔn)Datum （1）絕對壓力和表壓：絕對壓力以零壓力（絕

32、對真空）為基準(zhǔn)，表壓則以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn) 測定壓力 當(dāng)?shù)卮髿鈮海ū韷簽榱悖?零壓力、絕對真空（絕對壓力為零 所以 表壓=絕對壓力-大氣壓 （2）真空度：真空度也以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，但真空度與表壓的計算方向相反，即低于大氣壓的數(shù)值稱為真空度 當(dāng)?shù)卮髿鈮海ㄕ婵斩葹榱悖ū韷簽榱悖?測定壓力 零壓力、絕對真空（絕對壓力為零） 所以 真空度 = 大氣壓-絕對壓力 表壓真空度絕對壓力表壓大氣壓大氣壓真空度絕對壓力三. 靜力學(xué)基本方程Basic Equation of Fluid Statics (Hydrostatic Equation) 1. 推導(dǎo)Deduction 在靜止流體中任取一微元流體。如圖所

33、設(shè)，則在z方向上作用于該微元流體的力有 （1）下底面所受之力為： （2）上底面所受之力為： （3）微元流體所受重力為： 由z方向上的力平衡，得 整理得： 同理得：x方向， y方向， 將上3式分別乘以dz, dx, dy后相加即得微分靜力學(xué)方程： 對不可壓縮流體，積分上式得： 液體可視為不可壓縮流體，在靜止液體內(nèi)任取兩點，則有 dzzpppdxdydzxzy3 . 1.Figmg或 令 則得液體靜力學(xué)基本方程：2. 結(jié)論Conclusions (1) 在靜止連續(xù)的同一液體內(nèi)，水平面必為等壓面。(2) 靜止液體內(nèi)任何一點壓力的變化，將傳至液體內(nèi)的所有各點。(3) 可以用液柱高度來表示壓力差或壓力。

34、 由 得 當(dāng) 時得 上兩式說明壓力差或壓力與一定液體的液柱高度一一對應(yīng)。由于氣體的密度隨高度的變化甚微，所以液體靜力學(xué)方程在高度不大時也適用于氣體。 3. 氣壓方程Barometric equation 將理想氣體狀態(tài)方程 代入 得 對上式在恒溫下定積分，得或式中4應(yīng)用Applications(1) 壓力測量a. 指示液(a) 要求：不互溶、不反應(yīng)、密度大于被測流體的密度。(b) 常用指示液：汞、水、四氯化碳、液體石蠟。b. U形管壓差計Manometers 如圖所設(shè)，由靜力學(xué)基本方程，得 而 從而 所以 當(dāng)被測流體為氣體時，由于0，則上式可簡化為 c. 倒U形管壓差計（自學(xué)） d. 斜管壓差

35、計（自學(xué)） . E. 微差壓差計（自學(xué)） （2）液位測量（自學(xué)）（3）確定液封高度（自學(xué)） RH2p1pabu4 . 1.Fig0 第三節(jié)第三節(jié) 流體動力學(xué)流體動力學(xué)FLUID DYNAMICS 一. 流量Flow Rate 1體積流量Volumetric flow rate：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的體積，記為V，單位為m3/s。2. 質(zhì)量流量Mass flow rate：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量，記為W，單位為kg/s。 顯然 二. 流速Velocity 1平均流速Average velocity：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道單位截面積的體積，即 所以 2質(zhì)量流速Mass ve

36、locity：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道單位截面積的質(zhì)量，即 顯然 3. 管徑的計算Calculation of tube diameter 由 得 三、流動狀態(tài)Flow State1. 在流動的流體中，位置不同，物理量不同；時間不同，物理量也不同，所以物理量是空間坐標(biāo)和時間的函數(shù)，即 2穩(wěn)定（定態(tài)）流動Steady flow：流動流體中任何一點的全部物理量都不隨時間而變。3. 不穩(wěn)定（不定態(tài)）流動Unsteady flow：流動流體中任何一點的部分或全部物理量都隨時間而變。 四、連續(xù)性方程Continuity Equation 設(shè)流體在如圖所示的管道中作連續(xù)穩(wěn)定的流動，流體從截面1-1流進、從截

37、面2-2流出，在兩截面之間的管內(nèi)壁面上無流體進出。 以兩截面及其之間的管內(nèi)壁面所包圍的空間區(qū)域為衡算范圍，進行物料衡算 則 所以 或 對不可壓縮流體 得 或 對圓形管道，得 所以 1 12 2五. 柏努利方程(Bernoulli Equation) 1流體運動的描述Description of fluid movement(1) 跡線：流體質(zhì)點運動的軌跡。 （2）矢徑（位置矢量）：從坐標(biāo)原點到點M(x, y, z)的矢量，即 （3）位移：流體質(zhì)點從A點運動到B點的矢量 顯然 （4）流速（速度）：流體質(zhì)點在單位時間內(nèi)的位移，即 由得所以而所以又所以(5) 流線：同一時刻流體中不同位置流體質(zhì)點的流

38、動方向線，即流線上各流體質(zhì)點的流速都在該點與流線相切。推論：a. 流體不能穿過流線而流動。 b. 穩(wěn)態(tài)流動中跡線與流線重合。 (6) 流線方程由 知 與 同向所以2. 作用在流體上的外力Exterior force acting on fluid 法向力Normal force 表面力Surface force 切向力（剪切力）Tangent force (shear force)外力Exterior force 質(zhì)量力Mass force 重力Gravity 慣性力Inertial force (1) 表面力：作用在所考慮的流體的表面上的力。它是由與該流體相接觸的其它流體或固體的作用產(chǎn)生的。

39、(2) 法向力：與流體表面相垂直且指向所考慮的流體外部的表面力。(3) 法向應(yīng)力：單位面積上所受到的法向力，Pa。(4) 切向力（剪切力）：與流體表面相切的表面力。(5) 切向應(yīng)力（剪切應(yīng)力）：單位面積上所受到的切向力，Pa。(6) 質(zhì)量力：作用在所考慮的流體的整體上的力。它是由力場的作用產(chǎn)生的，它的大小與流體的質(zhì)量成正比。(7) 單位質(zhì)量力：單位質(zhì)量的流體所受到的質(zhì)量力。在x、y、z方向上的分量分別記為X、Y、Z，m/s2。(8) 重力：由重力場的作用產(chǎn)生的質(zhì)量力。 （9）慣性力：由非慣性系引起的質(zhì)量力。在非慣性系中，牛頓第二定律是不適用的。但當(dāng)把慣性力一并考慮時，非慣性系中仍可使用牛頓第二

40、定律。 3. Navier-Stokes方程Navier-Stokes Equation 在實際流體中任取一微元流體。如圖所設(shè)，則在x方向上作用于該微元流體上的外力有： 質(zhì)量力：Xdxdydz 法向力： 切向力： 將牛頓第二定律分別應(yīng)用于x、y、z方向，得 dxxxxxxzxdyyyxyxdzzzxzxyxdxxxxxxzxdyyyxyxdzzzxzxyxxxdzdydxzy),(zyxMx將切向應(yīng)力、法向應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系其中 平均法向應(yīng)力 流體靜止時，由上式可得當(dāng) 而由法向應(yīng)力和靜壓力的定義可知，流體靜止時的法向應(yīng)力與靜壓力大小相等，方向相反。所以 代入上式，即得Navier-Stoke

41、s方程： 4流線柏努利方程Streamline Bernoulli Equation 簡寫Navier-Stokes方程，得 代入流線方程并整理，得 三式相加并整理，得 對重力場中的穩(wěn)定流動或某一時刻，有 對不可壓縮流體沿流線進行定積分，得 簡化并整理，得 5管道柏努利方程Pipe Bernoulli Equation設(shè)不可壓縮流體在如圖所示的管道中作連續(xù)穩(wěn)定的流動。在管道的等徑直管處任取兩個截面，在該兩截面之間任取一微元流束。設(shè)該微元流束與兩截面相交的面積分別為dA1和dA2，設(shè)a、b分別為dA1和dA2內(nèi)的一點，且該兩點在同一流線上。則將流線柏努利方程與連續(xù)性方程相乘并沿管截面進行定積分，

42、得： 1dA2dA12ab在等徑直管處所選的截面之一上（以水平管上的截面為例）， 有將上式代入Navier-Stokes方程，可得 將上式方程組中的后兩式方程分別乘以dy、dz后相加，得 在重力場中，有 當(dāng)x 取某一定值時，有 所以 對上式沿截面進行不定積分，得 結(jié)論：在等徑直管中的截面上的壓力分布規(guī)律與靜止流體中的一樣。 層流時，由管道內(nèi)速度分布方程(P47)： 得： 所以 整理并簡化，得： 其中 湍流時，由管道內(nèi)速度分布方程(P85)： 得： 同理可得： 對理想流體，由 得 同理可得 由于動能占總機械能的分數(shù)往往很小，而且工程上流體的流動類型一般為湍流，再加上從外界向流體輸入的機械功，所以

43、柏努利方程就統(tǒng)一取為 或 六、柏努利方程的物理意義Physical Meaning of Bernoulli Equation1位能Potential energy mgz：質(zhì)量為m的流體相對于基準(zhǔn)面所具有的位能。 gz：單位質(zhì)量的流體相對于基準(zhǔn)面所具有的位能。 z：單位重量的流體相對于基準(zhǔn)面所具有的位能或位壓頭。2壓力能Pressure energy mp/=pV：質(zhì)量為m的流體所具有的壓力能。 p/：單位質(zhì)量的流體所具有的壓力能。 p/g：單位重量的流體所具有的壓力能或壓力壓頭或靜壓頭。 3動能Kinetic energy mu2/2：質(zhì)量為m的流體所具有的動能。 u2/2：單位質(zhì)量的流體

44、所具有的動能。 u2/2g：單位重量的流體所具有的動能或動壓頭或速度壓頭。 4能量損失Energy loss hf：單位質(zhì)量流體的能量損失或阻力損失。 Hf：單位重量流體的能量損失或阻力損失或壓頭損失。 5外加能量Extra energy W：單位質(zhì)量流體的外加能量。 H：單位重量流體的外加能量或外加壓頭 總之，柏努利方程表明，只有1-1截面處的總機械能大于2-2截面的總機械能時，流體才能克服阻力流至2-2截面。當(dāng)要把流體從總機械能較小處輸送到總機械能較大處時，就需要從外界向流體輸入機械功，以補償管路兩截面處的總機械能之差以及能量損失。 七、應(yīng)用柏努利方程的注意事項Matters for At

45、tention in Application of Bernoulli Equation 1柏努利方程中的壓力仍為靜壓力，該靜壓力是流體中某點三個正交法向應(yīng)力的平均值的 負值或該點流體靜止時的靜壓力，不能理解為整個流體靜止時該點的壓力。 2某截面上的位能和壓力能應(yīng)是該截面上任何同一點的數(shù)值，而某截面上的動能中的流速 是該截面上的平均流速。 3截面應(yīng)選在等徑直管處，不可選在變徑管或彎頭處。 4兩截面間的流體流動必須是連續(xù)穩(wěn)定的。 5基準(zhǔn)面可以任意取，但選較低的截面作為基準(zhǔn)面可以簡化計算。 6壓力可以是絕對壓力或表壓或真空度，但不能混用。 7. 對于可壓縮流體，若時，則柏努利方程仍適用，但流體密度

46、應(yīng)取兩截面處流體密度的平均值。當(dāng)管道兩截面間的壓力差較大時，則應(yīng)考慮流體壓縮性的影響。八. 柏努利方程的應(yīng)用Applications of Bernoulli Equation 第四節(jié)第四節(jié) 流體流動現(xiàn)象流體流動現(xiàn)象FLUID-FLOW PHENOMENA 一、牛頓粘性定律Newtons Viscous Law1. 實驗現(xiàn)象：板間液體運動，且形成上大下小的流速分布(速度差)。 現(xiàn)象說明： (1) 板間流體可看成為許多流體層，且其間存在相對運動(速度差)。 （2）相鄰流體層之間存在摩擦力，稱為內(nèi)摩擦力或粘滯力。（否則流體靜止） 2. 牛頓粘性定律：（牛頓經(jīng)過大量的實驗研究，于1686年提出了牛頓

47、粘性定律。）兩流體層之間單位面積上的內(nèi)摩擦力或切向應(yīng)力或剪應(yīng)力與垂直于流動方向的速度梯度成正比，即 式中 粘性系數(shù)或動力粘度，簡稱粘度 yFxudu u dyyO二、粘度Viscosity1. 物理意義：單位速度梯度時單位面積上所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，即 所以，粘度越大，流體流動時生產(chǎn)的內(nèi)摩擦力也越大。 2. 單位 或 3. 運動粘度 （1）定義 （2）單位： 或 （沲或斯托克斯） 4. 溫度對的影響 （1）對液體，T， （2）對氣體，T， 5壓力對的影響 (1) 對液體，可忽略不計 （2）對氣體，一般不考慮（除極高或極低壓力）6. 混合物的粘度 （1）對常壓氣體混合物 （2）對分子不締合液體混合物

48、 三. 流體流動時的動量傳遞Momentum Transfer of Fluid Flow （動量守恒定律：） 1內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的原因：分子的動量傳遞和分子間力。氣體的內(nèi)摩擦力主要是由分子的動量傳遞產(chǎn)生的；液體的內(nèi)摩擦力主要是分子間力產(chǎn)生的。 2. 內(nèi)摩擦力的物理意義：單位時間通過單位面積的動量， 即 所以，流體流動過程也稱為動量傳遞過程，牛頓粘性定律就是定量描述動量傳遞的定律。 四、非牛頓型流體Newtonian and Non-Newtonian Fluids 1牛頓型流體：滿足牛頓粘性定律的流體，如空氣、水等。 2. 非牛頓型液體：不滿足牛頓粘性定律的流體，如泥漿、高分子溶液等。 FFFF

49、 F 0F五. 流動類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)Flow Types and Reynolds Number 1. 實驗現(xiàn)象及流動類型 流體質(zhì)點只有軸向運動（層流或滯流） 流體質(zhì)點除有軸向運動外，還有徑向運動。（過渡流） 流體質(zhì)點除有軸向運動和徑向運動外，還相互碰撞和混合。 （湍流或紊流） 2. 雷諾準(zhǔn)數(shù)（雷諾數(shù)）(Reynolds Number) laminar flow, transitional flow and turbulent flow 層流底層區(qū) 湍流 過渡流區(qū)（緩沖層） 湍流主體區(qū)（湍流核心） 3流體質(zhì)點的運動方式 (1) 層流：軸向運動（穩(wěn)態(tài)流動） (2) 湍流：脈動（非穩(wěn)態(tài)流動） 時均速

50、度 iu2iu14流體在圓管內(nèi)的速度分布 (1) 層流：拋物線分布，u=0.5umax （2）湍流：非拋物線分布，u0.82umax 5流體在直管內(nèi)的流動阻力（1）層流：阻力來自內(nèi)摩擦力 （2）湍流：阻力來自內(nèi)摩擦力和碰撞及混合，即阻力為摩擦應(yīng)力與湍流應(yīng)力之和 式中 e 渦流粘度，Pas。不是物性，而是與流動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。六、邊界層的概念(Prandtl, 1904) Concept of Boundary Layers 1形成：潤濕附著內(nèi)摩擦力減速梯度 (1) 邊界層：壁面附近存在速度梯度的流體層。一般取邊界層外緣的流速u=0.99us。 層流 邊界層 過渡流 湍流 層流底層區(qū) 湍流邊界層

51、 過渡流區(qū)（緩沖層） 湍流主體區(qū)（湍流核心） （2） 主流區(qū)：不存在速度梯度的區(qū)域或邊界層以外的區(qū)域。 2. 發(fā)展 （1）平板上：主流區(qū)流速不變。 層流： 湍流： (2) 直管內(nèi)：流體須經(jīng)一定的距離才能形成穩(wěn)定的邊界層。由于總流量不變，中心流速增加。邊 界層占據(jù)整個管截面。 a. 層流：穩(wěn)定段(或進口段)長度： b. 湍流：層流底層厚度： C. 應(yīng)用：測量點應(yīng)在穩(wěn)定段之后。層流可取x0=(50100)d，湍流一般可取短些。 3分離：流體流經(jīng)曲面時，邊界層與壁面脫離的現(xiàn)象。 (1) 形成： uA=0，pA=max；流通截面減??；uB=max，pB=mix；流通截面增大，動能耗盡；uC=0，pC=

52、max；脫離；倒流；旋渦；碰撞和混合；形體阻力。 （2）應(yīng)用：流體流過非直管時，應(yīng)考慮形體阻力。即阻力為摩擦阻力（摩擦應(yīng)力與湍流應(yīng)力之和）與形體阻力之和。 第五節(jié)第五節(jié) 流體流動阻力流體流動阻力FLUID-FLOW FRICTION 一、阻力的含義Friction Implication內(nèi)摩擦力=摩擦阻力=流動阻力=能量損失=阻力損失=阻力=hf 二、阻力的分類Classification of the Friction 直管阻力Skin friction ( )，（等徑）直管阻力( ) 局部阻力Form friction ( )，管件、閥門、進出口等 三、水平直管阻力Friction of

53、Straight Pipe在直管中任取一段流動流體。如圖所設(shè)， 則由 得 又由x方向上的力平衡 得 所以 1p2pduxl21令 摩擦系數(shù) 則 四、非水平直管阻力(思考題：試求垂直直管的阻力) Friction of Non-straight Pipe 以垂直直管阻力為例。如圖所設(shè)， 則由 得 又由y方向上的力平衡， 得 所以 所以非水平直管阻力與水平直管阻力是相等的。五、管壁粗糙度Roughness of Pipe Walls 1管的分類Classification of pipes 光滑管Smooth pipe：玻璃管、銅管、塑料管等 管 粗糙管Rough pipe：鋼管、鑄鐵管等 2絕對粗糙度Absolute roughness：粗糙面凸出部分的平均高度，m。3相對粗糙度Relative roughness：，無量綱（因次）。4層流時，粗糙度對阻力沒有影響。5湍流時 (1) ，沒有影響。（2） ，有影響。 六、層流摩擦系數(shù)Friction Factor of Laminar Flow在