化工原理教案第二章流体流动

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date化工原理-教案-第二章-流体流动化工原理-教案-第二章-流体流动授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：第一章 绪论教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）了解课程的性质、地位和作用，单元操作与“三传” 过程熟悉化工过程物料衡算的基本概念与计算步骤掌握化工过程的构成与特征分类，单元操作的概

2、念，量纲与量纲的一致性教学重点及难点：重点：单元操作的概念、物料、能量衡算的基本概念和步骤。难点：量纲、单位的一致性，物料、能量衡算的步骤。教 学 基 本 内 容新课导入思考：1. 化工过程的特点是什么。 2. 化工单元操作计算的基本内容是什么？ 3. 物料衡算和热量衡算的依据是什么？第一章 绪论新课教授教 学 基 本 内 容教 学 基 本 内 容教 学 基 本 内 容作业和思考题：课后小结：授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：第二章 流体流动第一节 概述第二节 流体静力学教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次

3、）掌握牛顿黏性定律，流体静力学方程；熟悉流体的主要物性（密度、黏度）和压强的定义、单位及换算；了解牛顿型流体和非牛顿型流体；教学重点及难点：重点：流体静力学方程及其应用；难点：对流体黏性的理解和压强的定义及换算；教 学 基 本 内 容新课教授第一节 概述一、流体的密度1. 密度 单位体积流体所具有的质量称为密度，以表示，单位为kg/m3。=m/v2. 相对密度 指流体的密度与某一标准物质的密度之比，3. 混合液体的密度（以1kg混合液为基准）4. 混合气体的密度（以1m3混合物为基准）例2-1 由A、B组成的某理想混合溶液，其中A的质量分数为0.4。已知常压、20下A和B的密度分别为879和1

4、106kg/m3.试求该条件下混合液的密度。二、流体的黏度1. 黏度 反映流体发生运动时或存在运动趋势时，抵抗运动或均势的能力。以表示，单位Pas。2. 牛顿黏性定律 由于流体具有黏性，运动着的流体内部相邻流动层间存在着方向相反、大小相等的相互作用力，称为流体的内摩擦力（）。 对一定的流体，内摩擦力与两流体层的速度差成正比；与两层之间的垂直距离成反比。3. 牛顿型流体：满足牛顿黏性定律的流体，如气体、水及大多数液体。 非牛顿型流体：如油墨、泥浆、高分子溶液及高固体含量的悬浮液等。教 学 基 本 内 容第二节 流体静力学一、流体的压强1. 压强 在流体内部由于流体本身的重力而产生的垂直作用在单位

5、面积上的力称为流体的压强，以p表示，单位N/m22. 压强的表达方法（1）绝对压强 以绝对真空为基准测得的流体压强（2）表压强 用测压仪表以当地大气压为基准测得的流体压强。表压强=绝对压强-大气压强（3）真空度 被测流体的绝对压强小于当地大气压强的真空表读数。真空度=大气压强-绝对压强二、流体静力学方程1. 方程推导液柱在垂直方向上受到的力有：重力 作用在上表面压力 作用在下表面压力 液柱处于静止状态，垂直方向合力为零：静力学基本方程为：2. 讨论（1）适用于密度为常数的静止单相连续液体。（2）静止流体内部某处压强仅与所处位置有关，与水平位置无关。（3）液面上方压强改变量能以同样大小传递到液体

6、内部任一点。教 学 基 本 内 容三、静力学方程的应用流体静力学原理的应用很广泛，它是连通器和液柱压差计工作原理的基础，还用于容器内液柱的测量，液封装置，不互溶液体的重力分离（倾析器）等。解题的基本要领是正确确定等压面。1. 压强与压强差的测定（1）U管压差计指示液的选择依据; 指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体的密度。 （2）倾斜U管压差计 被测压差值很小时，放大压差计读数。 （3）双液柱微差计当流体被测压差非常小，所得读数太小而不够精确时，在压差计顶部增加两个扩大室，装入指示液C。例2-2 压差计中以油和水为指示液，其密度分别为920kg/m3及998kg/m3

7、，U管中油、水交界面高度差R=300mm。两扩大室的内径D均为60mm，U管的内径d为6mm。试求与微压差计相连接的管截面上气体的表压强。2. 液位的测定化工厂中经常要了解容器里物料的贮存量，或要控制设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位计的作用原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。（1）液柱压差计式教 学 基 本 内 容在容器外边设一个平衡器小室，用一装有指示液A的U管压差计将容器与平衡器连通起来，小室内装的液体与容器内的相同，其液面的高度维持在容器液面允许到达的最大高度处。（2）鼓泡式液柱测量装置容器离操作室较远或埋在地面以下。3. 夜封高度的计算（1）液封：利用液柱高度封闭气的一

8、种装置。它是生产过程中为了防止事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。（2）安全液封例2-3：控制乙炔发生器内的压强不大于80mmHg(表压)，求水封中水应比气体出口管高出多少米？ 作业和思考题：课后小结： 本节重点介绍了流体静力学方程及其应用，要求学生应掌握流体静力学方程的物理意义，并对流体的主要物性（密度、黏度）以及压强的定义等有一定的认识。授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：第三节 流体动力学教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握连续性方程和伯努利方程及其应用；，熟悉流体流量、流速的定义，流体的流动

9、形态；了解圆管内速度的分布；教学重点及难点：重点：对连续性方程和伯努利方程的理解。难点：应用伯努利方程解决工程中的实际计算问题。教 学 基 本 内 容复习导入1. 流体静力学基本方程 2. 静力学基本方程的物理意义 3. 静力学基本方程的应用第三节 流体动力学一、流量与流速1.流量：单位时间内流经管路任一截面的流体量体积流量qv m3/s m3/h质量流量qm kg/s kg/h qm = qv2.流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离u= qv/A= qm /A3.流量和流速流量方程式 qv = uA； qm = uA二、连续性方程稳定流动系统中，流入任一控制体的流体质量必然等于流出控制

10、体的流体质量。1122连续性方程：在圆管中流动时： 即流速与管径的平方成反比。三、伯努利方程1. 流体自身的能量（1）位能 流体质量中心因偏离基准面而具有的能量。位能=mgz，单位质量流体具有的位能为，单位：J/kg。新课教授教 学 基 本 内 容（2）动能 流体因具有一定的速度所具有的能量。单位质量流体的动能为，单位：J/kg。（3）静压能 流体因具有一定的压力而具有的能量。单位质量流体具有的静压能为，单位：J/kg。位能、动能及静压能三种能量均为流体在截面处所具有的机械能，三者之和称为某截面上的总机械能。2. 流体与环境交换的热量（1）外功 流体与外部机械所交换的能量。用We表示，单位：J

11、/kg。（2）流体阻力 由于流体具有粘性，流体流动过程中要克服自身内部质间及其与管路设备间的摩擦力而消耗的能量为流体阻力。单位质量流体的流体阻力用Ef表示，单位为J/Kg。3. 伯努利方程的推导如图2-3 选截面1-1和2-2之间的管路为控制体，根据能量守恒得：流体在截面1-1处的机械能+输入系统的功=对流体做功流体在截面2-2 处的机械能+流体阻力伯努利方程1. 对伯努利方程的讨论（1）理想流体 理想流体由于不具有黏性，因而在流动过程没有摩擦力，没有能量损失，没外加功，伯努利方程可写成：教 学 基 本 内 容此式表明，理想流的体机械能是守恒的。任一截面上单位质量流体的位能、动能、静压能之和（

12、总机械能）为一常数。（2）静止流体 流体处在静止状态，无外加能量和能量损失，伯努利方程可写成： 流体静力学方程表明静止连续均质的流体内部，位能和静压能之和为常数，并且同一水平面上各点压力相等。四、伯努利方程的应用1. 伯努利方程解题要点（1）作图与确定衡算范围 （2）截面的选取 （3）基准水平面的选取 基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。（4）两截面上的压强 两截面的压强除要求单位一致外，还要求基准一致。（5）单位必须一致2. 应用举例例2-4某车间用一高位槽向喷头供应液体，液体密度为1050 kg/m3。为了达到所要求的喷洒条件，喷头入口处要维持4.05104Pa的压强（表压），液体在

13、管内的速度为2.2 m/s，管路阻力估计为25J/Kg（从高位槽的液面算至喷头入口为止），假设液面维持恒定，求高位槽内液面至少要在喷头入口以上多少米？解：取高位槽液面为11截面，喷头入口处截面为22截面，过22截面中心线为基准面。在此两截面之间列伯努利方程，因两截面间无外功加入（We0），故： 其中，z1待求值，Z20，u1 0，u22.2 m/s，1050 kg/m3，p1表0，p2表4.05104Pa， Ef25 J/Kg，将已知数据代入，解出z16.73m。教 学 基 本 内 容五、流体流动形态1. 雷诺数： 2. 层流-质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。3. 湍流

14、-其质点作不规则的杂乱运动，并互相碰撞混合，产生大大小小的旋涡。 作业和思考题：课后小结： 本节重点介绍了伯努利方程的推导和应用，该方程对解决流体输送中的问题具有重要意义，因此使学生在理解的基础上记忆并掌握如何应用伯努利方程进行相应计算。授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：第四节 管内流动阻力教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握流体在圆形直管内部的阻力和局部阻力及其计算；熟悉非圆形管内阻力的计算和当量直径；了解化工管路的构成；教学重点及难点：重点：流体在直管内的流动阻力的计算；难点：层流时和湍流时的摩擦

15、系数的获取以及局部阻力的计算；教 学 基 本 内 容复习导入1. 对伯努利方程的讨论。 2. 伯努利方程解题要点。第四节 管内流动阻力一、化工管路的构成1. 常用管子（1）铸铁管：规格 内径壁厚。（2）无缝钢管：规格 外径壁厚。（3）塑料管：常温、常压下酸、碱液的输送。（4）有色金属管：铜、铅、铝管。2. 管子的连接形式 （1）焊接连接（2）法兰连接（3）螺纹连接（4）承插连接3. 管件（1） 改变管路方向（2） 连接支管（3） 连接两段管子（4） 改变管路的直径（5）堵塞管路4. 常用阀门（1）旋塞（2）闸阀（3）截止阀（4）球阀（5）止回阀二、直管内的流动阻力1. 直管阻力计算式流体在水平

16、管路中做稳定流动，对于水平等径直管，位能和动能均不改变。新课教授教 学 基 本 内 容推导后得： 直管阻力计算通式（范宁公式）压头损失：其中称为摩擦系数，大小与Re及管壁状况有关，通过经验公式或查图表获得。2. 层流时摩擦系数层流时摩擦系数计算式：3. 湍流时摩擦系数通过Moody摩擦系数图查取，此图反映摩擦系数、雷诺数和管子相对粗糙度（/d）之间的关系。（1）层流区 当Re4000，不仅和Re有关，还和管壁相对粗糙度有关。（4）完全湍流区 仅与管壁相对粗糙度有关，与Re无关。 柏拉修斯公式（光滑管）：4. 非圆管的当量直径de教 学 基 本 内 容思考：计算直管摩擦阻力系数的方法有哪些，它们

17、的影响因素有哪些？例2-5 直径d为250mm、绝对粗糙度为0.5mm的管子输送温度为10的水，试计算，流量分别为610-3m3/s、22010-3m3/s时的直管摩擦阻力系数。管长l =500m，试计算直管阻力。（单p39）三、局部阻力计算1. 阻力系数法 把单位质量流体通过某一局部障碍处所造成的能量损失按照流体在管路中动压能的倍数计算的方法。 为局部阻力系数，其值可通过查表获得。2. 当量长度法 把流体通过某一局部元件所造成的能量损失折合成一定长度的等径直管（当量长度le）的流体阻力，然后用直管阻力的方法计算局部阻力。四、总阻力计算1. 2 教 学 基 本 内 容作业和思考题：课后小结：

18、本节对化工管路的构成做了简单的介绍，重点介绍了管内流体的直管阻力计算和局部阻力计算，并讨论了摩擦系数的求取方法。授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：第五节 管路计算教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握简单管路的计算问题；熟悉简单管路、并联管路和分支管路各自的特点；了解简单管路和复杂管路的概念；教学重点及难点：重点：简单管路、并联管路和分支管路各自的特点；难点：简单管路的计算问题教 学 基 本 内 容复习导入1. 直管阻力的计算通式。 2. 局部阻力计算（阻力系数法和当量长度法）。第五节 管路计算一、简单

19、管路全部流体从入口到出口都在一根管道中连续流动。1. 等径管路 流体流动总阻力可用总阻力计算方程直接计算。2. 串联管路 由不同管径的管道组成，特点是：（1）连续性方程成立，各段管质量流量不变。（2）整个管路总阻力等于各段直管阻力与局部阻力之和。二、复杂管路1. 并联管路（1）主管的质量流量等于各支管质量流量之和。（2）流经各分支管路的阻力可认为相等。（3）各并联管路中流量分配按等压降原则计算：新课教授教 学 基 本 内 容2. 分支管路特点：（1）主管流量等于各支管流量之和。（2）由于支管存在，主管经各分支点后的流量发生变化，主管阻力损失必须分段进行计算。（3）分支点处的单位质量流体的机械能

20、总和为一定值。二、简单管路的计算1. 管路计算使用的基本关系式（1）物料衡算方程；（2）机械能衡算方程；（3）流动阻力计算公式；2. 管路的两类计算问题1. 设计型计算 对于给定的输送任务，根据现场的实际情况，选择适宜的管径，设计管路的走向，确定管路中需要配置的管件和阀门以及各段直管长度，计算出管路的总阻力损失及需要的输送功率。最终设计出既经济又便于操作和检修的管路。2. 操作型计算对已有管路系统，核算在给定条件下的输送能力或某项操作指标是否符合要求以及某项操作参数（如压强、流量、阀门开度等）的变化可能引起的后果，都为操作型计算。教 学 基 本 内 容教 学 基 本 内 容作业和思考题：课后小

21、结： 本节重点介绍了简单管路和复杂管路中并联管路、分支管路各自的特点，以及简单管路计算中涉及的两类问题。授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：第六节 流量的测定教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握管路中流量和流速的测量原理，流量计的工作原理，性能和计算；熟悉孔板流量计、文丘里流量计和转子流量计的基本结构；了解流量计的优缺点；教学重点及难点：重点：流量计的基本结构、工作原理和性能 难点：流量计的基本结构和工作原理教 学 基 本 内 容新课教授第六节 流量的测定一、皮托测速管1. 结构两根完成直角的同心圆管组

22、成，同心圆管的内管前端敞开，正对流体流动方向；外管前端封死，在离端点一定距离处开若干测压口，内外管的另一端分别与U形压差计的两端相连。2. 流速计算皮托管前端点A处的压强为pA，流体沿皮托管外壁平行流过测压小孔时的压强为p，则有：局部流速为：修正后： C = 0.98-1.03. 讨论（1） 测速管所测的速度是管路中管道截面是某一点的轴向线速度，可用来测定管截面的速度分布。（2） 测定时，皮托管前、后均应保持一定的直管长度，保证截面流速达到正常的稳定分布。（3） 皮托管装置简单，额外流动阻力小，适用于测量大直径气体管道内的流速，不适用于含固体杂质的流体。教 学 基 本 内 容二、孔板流量计在管

23、道里插入一片与管轴垂直并带有圆孔的金属板，称为孔板，当流体流过小孔以后，流速骤增，由于惯性作用，最大流速在孔口下游某一位置的2-2截面处，此处称为“缩脉”。流体在缩脉处的流速最高，即动能最大，而相应的静压强就最低。因此，当流体以一定的流量流经小孔时，就产生一定的压强差，流量愈大，所产生的压强差也就愈大。所以根据测量压强差的大小来度量流体流量。忽略能量损失，在0-0和2-2截面间列伯努利方程： z0=z2（水平管道） （连续性方程）加入修正系数：C1-测压计的取压点紧靠孔板，其值不能准确表达式中得p0-p2 C2-缩脉的截面大小不易准确测量，采用管道直径d代替d2 C3-流体流经孔板时能量损失较

24、大，在推导中考虑能量损失 孔流系数，查取C0-Re关系图教 学 基 本 内 容其中 i 为指示液密度；为流体密度；R为压差计读数孔板流量计优点：制造简单，价格低廉，随测量条件变化时，更换方便。孔板流量计缺点：阻力损失较大，不宜在流量变化很大的场合使用。三.、文丘里流量计文丘里流量计用一段渐缩、渐扩管代替孔板，上游的测压口（截面1处）距离管径开始收缩处的距离至少应为二分之一管径，下游测压口设在最小流通截面0处。由于有渐缩段和渐扩段，流体在其内的流速改变平缓，涡流较少，所以能量损失就比孔板流量计大大减少。（图见p45） Cv为文丘里流量计的流量系数文氏流量计优点：能量损失小。文氏流量计缺点：各部分

25、尺寸要求严格，要精细加工，造价高。四、转子流量计转子流量计由一个截面积自下而上逐渐扩大的锥形玻璃管构成，管内装有一个转子，流体流过转子时，转子受到两个力：1. 上推力 等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；2. 净重力 等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；当上推力大于净重力，转子上浮；当上推力小于净重力，转子下降；当上推力等于净重力，转子平衡，停止在某一位置。停留高度与流量间存在一定关系，从而确定流量。 教 学 基 本 内 容转子流量计优点：读数方便，能量损失小，测量范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。转子流量计缺点：管壁大多为玻璃制品，不能受高温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂直。作业和思考题：课后小结： 本节介绍了流量计的基本结构、工作原理和各个流量计的优缺点，其中重点介绍了孔板流量计的工作原理并推导了流量计算公式。授课时间第 周课次授课方式（请打）理论课 讨论课 实验实训课 习题课 其他课时安 排2授课题目（教学章、节或主题）：总结与习题解答教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）教学重点及难点：教 学 基 本 内 容教 学 基 本 内 容教 学 基 本 内 容教 学 基 本 内 容作业和思考题：课后小结：-