化工原理天大上册.ppt

1化化 工工 原原 理理（上（上 册）册）制作人：夏清2总学时56（授课50、课堂研讨4、机动2）绪论1第一章流体流动13第二章流体输送机械8第三章非均相混和物分离及固体流态化8第四章液体搅拌2第五章传热14第六章蒸发4学时安排 3教材n柴诚敬主编n普通高等教育“十五”国家级规划教材n化工原理（上册）n北京:高等教育出版社n2005年6月（第一版）4(1)柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热.第二版北京:化学工业出版社,2007(2)夏清，陈常贵.化工原理，上册.天津:天津大学出版社,2005(3)W.L.McCabe,J.C.Smith.UnitOperationsofChemical Engineering,6th ed.New York:McGraw.HillInc.,2001参考教材5网络课程辅助教学化工原理及实验网络课程 网址：202.113.179.1816网络课程站点化工原理及实验网络课程虚拟课堂演示实验图片汇总动画汇总思考题汇总作业汇总讨论与答疑网上自测教师主页附件下载网络课程辅助教学7 通过绪论的学习，应了解化工原理课程的主要内容，单元操作的分类和特点，工程学科的研究方法，本课程的学习要求，掌握单位制及单位换算方法。学习目的与要求绪论80.1 化工原理课程的内容和特点绪论9化学工业和化学工程化学工业和化学工程n化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方法加工成具有规定质量的物质的工业。法加工成具有规定质量的物质的工业。n 化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。过程的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。n化学工业是一个包含多个行业的工业部门。化学工业是一个包含多个行业的工业部门。n化学工业包括石油炼制和裂解、煤焦化及煤焦油工业、基本化学工业包括石油炼制和裂解、煤焦化及煤焦油工业、基本有机合成工业、高分子合成、氯碱、制酸、化肥、以及精细有机合成工业、高分子合成、氯碱、制酸、化肥、以及精细化学工业等。化学工业等。n产品归纳起来可分为产品归纳起来可分为25类类n化工产品根据技术密集高低、附加值利润大小、品种类型、化工产品根据技术密集高低、附加值利润大小、品种类型、产量多少、更新速度快慢以及应用范围不同又可分为两大类。产量多少、更新速度快慢以及应用范围不同又可分为两大类。n一类是通用化学品，另一类是精细化学品一类是通用化学品，另一类是精细化学品10n化工产品种类繁多，制取的化工原料却有限。化工产品种类繁多，制取的化工原料却有限。n可分为无机和有机原料两大类。可分为无机和有机原料两大类。n无机原料主要有空气水和化学矿物；有机主要是煤、石油、无机原料主要有空气水和化学矿物；有机主要是煤、石油、天然气和生物质等。天然气和生物质等。n原料选择原则原料选择原则n1、考虑原料品位能否满足生产要求，来源是否充足稳定可、考虑原料品位能否满足生产要求，来源是否充足稳定可靠。靠。n2、分析原料的经济性。要对原料路线和工艺路线的技术经、分析原料的经济性。要对原料路线和工艺路线的技术经济指标权衡。济指标权衡。n3、从综合利用原料资源考察原料使用合理性。、从综合利用原料资源考察原料使用合理性。n在遵守国家有关资源保护的法令和条例，兼顾联合审查、发在遵守国家有关资源保护的法令和条例，兼顾联合审查、发产品回收及三废处理等方面尽可能提高原料利用率发挥原料产品回收及三废处理等方面尽可能提高原料利用率发挥原料单位相互力所能创造的经济效益。单位相互力所能创造的经济效益。11化学工业特点化学工业特点n(1)化学工业是独特、不可取代的工业部门。化学工业是独特、不可取代的工业部门。n(2)化工产品品种繁多，工艺复杂化工产品品种繁多，工艺复杂n(3)是装置型工业，具有规模经济性是装置型工业，具有规模经济性n(4)是资金密集，技术密集的工业部门是资金密集，技术密集的工业部门n(5)是能耗大户是能耗大户n(6)易污染、重污染的工业部门易污染、重污染的工业部门12化学工程的发展化学工程的发展化学工程发展的四个阶段化学工程发展的四个阶段化学工程发展的四个阶段化学工程发展的四个阶段13n化学工业领域的地位化学工业领域的地位14一、化工原理课程内容化工生产过程 化学反应 单元操作反应工程化工原理三传一反15化工生产过程分析化工生产过程分析前处理前处理前处理前处理(预处理预处理预处理预处理)化学反应过程化学反应过程化学反应过程化学反应过程后处理后处理后处理后处理(加工加工加工加工)物理过程物理过程物理过程物理过程化学过程化学过程化学过程化学过程物理过程物理过程物理过程物理过程16二、单元操作的分类和特点1、流体动力过程：流体输送、沉降、过滤、搅拌2、传热过程：换热、蒸发3、传质过程：蒸馏、吸收、萃取、吸附、浸取、吸附、离子交换、膜分离4、热质同时传递过程：增减湿、结晶、干燥分类17 化工原理是一门实践性很强的工程学科。单元操作的研究内容包括“过程”和“设备”两个方面。所有的单元操作都可分解为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程和它们的结合。三种传递过程现象中存在着类似的规律和内在的联系。传递过程是联系各单元操作的一条主线。二、单元操作的分类和特点特点18三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:用量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确定过程变量之间的关系，通过量纲为一数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。192、数学模型法（半经验半理论方法）在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。研究工程问题的方法是联系各单元操作的另一条主线。三、化工原理课程的研究方法20四化工过程计算的理论基础设计型计算操作型计算质量守恒能量守恒平衡关系速率关系 所用基本关系：化工计算分为21五本课程的学习要求学习中，应注意以下几个方面能力的培养：(1)单元操作和设备选择的能力(2)工程设计能力(3)操作和调节生产过程的能力(4)过程开发或科学研究能力(5)实验能力22绪论0.1 化工原理课程的内容和特点0.2 单位制度及单位换算23一 单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质量、长度、时间和温度速度、密度、加速度2、绝对单位制和重力单位制绝对单位制重力单位制长度、质量、时间长度、时间和力243、国际单位制（SI制）根据1960年10月国际计量大会通过的一种单位制。4、中华人民共和国法定计量单位在SI制基础上制定的。一 单位和单位制度25二、单位换算1、物理量的换算 基本物理量中为1m物理单位制中100cm英制3.2808ft2、经验公式（或数字公式）的单位换算（a）物理方程（b）经验方程换算方法见例02。26第一章流体流动 通过本章的学习，应掌握流体在管内流动过程的基本原理和规律，并运用这些原理和规律分析和计算流体流动过程中的有关问题。学习目的与要求27第一章流体流动1.1 流体的重要性质1.1.1 连续介质假定28连续介质假定假定流体是由连续分布的流体质点所组成，表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数。连续介质假定29第一章流体流动1.1 流体的重要性质1.1.1 连续介质假定1.1.2 流体的密度30流体的密度流体空间某点上单位体积流体的质量流体的密度是位置(x,y,z)和时间的函数密度31流体的密度纯物质的密度：液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。气体：密度随温度、压力改变。低压下可按照理想气体状态方程计算32气体混合物，混合前后质量不变液体混合物，混合前后体积不变组分的质量分数组分的体积分数混合物的密度：流体的密度33第一章流体流动1.1 流体的重要性质1.1.1 连续介质假定1.1.2 流体的密度1.1.3 流体的可压缩性与不可压缩流体34一、流体的可压缩性 或（1-4）（1-5）流体的可压缩性通常用体积压缩系数来表示。其意义为在一定温度下，外力每增加一个单位时，流体体积的相对缩小量体积压缩系数35二、不可压缩流体 值越大，流体越容易被压缩。可压缩流体0 的流体为可压缩流体不可压缩流体=0 的流体为不可压缩流体气体在一般情况下是可压缩流体大多数液体可视为不可压缩流体。36 需要指出，实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已。二、不可压缩流体 37第一章流体流动1.1 流体的重要性质1.1.1 连续介质假定1.1.2 流体的密度1.1.3 流体的可压缩性与不可压缩流体1.1.4 流体的黏性38一、牛顿黏性定律 流体在运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力称为剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性。黏性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有黏性。黏性39图1-1平板间黏性流体的速度变化 一、牛顿黏性定律 上板以恒定速度沿x的正方向运动40 实验证明：对于多数流体，任意两毗邻流体层之间作用的剪切力 与两流体层的速度差及其作用面积 成正比，与两流体层之间的垂直距离 成反比牛顿黏性定律：（1-7）一、牛顿黏性定律 41一、牛顿黏性定律 牛顿型流体(Newtonianfluid)遵循牛顿黏性定律的流体所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等。42凡不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体(non-Newtonianfluid)。某些高分子溶液、悬浮液、泥浆、血液等属于非牛顿流体。非牛顿型流体(non-Newtonianfluid)一、牛顿黏性定律 43二、流体的黏度一般以泊的1/100的厘泊（cp）来表示黏度。在SI单位制中，黏度的单位为Pas，在物理单位制上，其单位为P（泊），44运动黏度运动黏度 SI单位为m2/s；在物理单位cm2/s称为沲，以St表示。二、流体的黏度45 的流体称为理想流体。自然界不存在真正的理想流体。三、理想流体与黏性流体理想流体46练 习 题 目思考题作业题:1、21 何谓单元操作？如何分类？2.联系各单元操作的两条主线是什么?3.比较实验研究方法和数学模型的区别与联系。4.何谓单位换算因子?5.什么是连续性假设？质点的含义是什么？47第一章流体流动1.2 流体静力学48流体静力学 流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律 49第一章流体流动1.2 流体静力学1.2.1 流体的受力50 外界作用于流体上的力外界作用于流体上的力体积力表面力51一、体积力 体积力(bodyforce)又称为场力，质量力，是一种非接触力。地球引力，带电流体所受的静电力，电流通过流体产生的电磁力等均为体积力。本书只涉及重力：设流体密度为，体积为V，则其所受的重力为体积力52表面力（又称接触力或机械力）与流体元相接触的环境流体（有时可能是固体壁面）施加于该流体元上的力。表面力又称为机械力，与力所作用的面积成正比。二、表面力 53图1-2 作用在流体上的力 二、表面力 54二、表面力 切向应力切向应力 法向应力法向应力单位面积上的表面力称为表面应力。表面应力55第一章流体流动1.2 流体静力学1.2.1 流体的受力1.2.2 静止流体的压力特性56静止流体的压力特性 静止的流体内部没有剪应力，只有法线方向的应力，通常将该法向应力称为流体的静压力，以p表示。流体的静压力57静止流体的压力特性 在SI单位制中，压力单位是N/m2或Pa。其他单位还有：1atm101300 N/m2101.3kPa1.033kgf/cm210.33mH2O760mmHg不同基准压力之间的换算压力的单位表压力=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力真空度=-表压力58第一章流体流动1.2 流体静力学1.2.1 流体的受力1.2.2 静止流体的压力特性1.2.3 流体静力学方程59流体静力学方程 图1-3 流体静力学方程的推导 微元立方流体边长:dx、dy、dz密度:60流体静力学方程 z方向上的力（向上为正）仅为重力和静压力（2）作用整个微元体的重力为（1）作用于微元体上、下底面的表面力（压力）分别为61流体静力学方程 则z方向上力的平衡式为化简得 静止流体的欧拉(Euler)方程62 同理，在x，y方向上：y 轴轴 x 轴轴 流体静力学方程 63或或 当流体不可压缩（=常数）时，积分可得 流体静力学方程 或或 (1-11)(1-12)(1-14)总势能守恒等压面64静力学基本方程式可改写为 因此，压差的大小可用一定的液柱高度来表示 流体静力学方程(1-15)65不可压缩流体的静力学基本方程式反映重力场作业下，静止流体内部压力的变化规律流体静力学方程 66 应注意，液柱高度表示压差大小时必须指明是何种液体。图1-4 静止液体内部的压力分布流体静力学方程 67流体静力学方程 静力学方程式仅适用于连通着的同一种连续的不可压缩静止流体。68第一章流体流动1.2 流体静力学1.2.1 流体的受力1.2.2 静止流体的压力特性1.2.3 流体静力学方程1.2.4 流体静力学方程的应用69一、压力与压力差的测量1.U管压差计（U-tubemanometer）图1-5 U管压差计动画0470根据流体静力学基本方程式可得于是 一、压力与压力差的测量71上式化简，得 若被测流体为气体，由于气体的密度比指示液的密度小得多，气体的密度可以忽略，于是 若U管的一端与被测流体连接，另一端与大气相通，此时读数反映的是被测流体的表压力。一、压力与压力差的测量722.双液U管微压差计（two-liquidmanometer）图1-6 双液U管微压计一、压力与压力差的测量73如果双液压差计小室内液面差不可忽略时，式中 为小室的液面差；d U管内径；D 小室内径。一、压力与压力差的测量74如果双液压差计小室内液面差可忽略，则(1-17)一、压力与压力差的测量75二、液位的测量图1-7 压差法测量液位动画2976例1-5 附 图二、液位的测量动画3077三、液封高度的计算设备的液封也是过程工业中经常遇到的问题，设备内操作条件不同，采用液封的目的也就不同。流体静力学原理可用于确定设备的液封高度。具体见例1-6 78例1-6 附图三、液封高度的计算79练 习 题 目思考题作业题:3、41静压力有什么特性？2.不同基准压力之间的换算关系是怎样的。3.流体静力学方程式的应用有哪些方面。80第一章流体流动1.3 流体流动概述1.3.1 流动体系的分类81一、定态与非定态流动流体流速或其它物理量仅随位置变化而不随时间变化，即 流体流速或其它物理量不仅随位置变化而且随时间变化，即 定态流动非定态流动82 若物理量只依赖于一个曲线坐标，则称此流动为一维流动；依赖于两个曲线坐标称为二维流动；依赖于三个曲线坐标则称为三维流动。应予指出,过程工业中的流体输送因多在封闭管道内进行，故其流动以一维居多。二、一维与多维流动83三、绕流与封闭管道内的流动流体流动问题流体的绕流流动在封闭管道内的流动84绕流流动 流体绕过一个浸没的物体流过，故也称为外部流动。例如细颗粒物在大量流体中的沉降、填充床内的流动等。封闭管道内的流动 被输送的流体在管路中的流动。研究流体在管路中的流动规律是本章的重要内容。三、绕流与封闭管道内的流动85第一章流体流动1.3 流体流动概述1.3.1 流动体系的分类1.3.2 流率与平均流速86一、流量 单位时间内流过任一流通截面的流体体积称为体积流率(volumeflowrate)，习惯上亦称之为体积流量。87一、流量流量的表示方法：体积流量，以qv,s表示，单位为m3/s。质量流量，以qv,s 表示，单位为kg/s。体积流量与质量流量的关系为88二、平均流速 流速是空间位置的函数，我们称之为流体的点速度。例如当流体流经一段管路时，由于流体存在黏性，使得管截面上各点的速度不同。从而由壁面至管中心建立起一个速度分布。在工程计算时，通常采用平均速度来代替这一速度分布。89平均速度 平均速度(bulkvelocity)系指体积流量与流通截面积之比，以u 表示，其单位为m/s。二、平均流速 90二、平均流速 由于气体的体积流率随温度和压力变化，故采用质量平均流速更为方便，通常称之为质量通量(massflux)，以G表示，单位为kg/m2.s。质量通量91二、平均流速 管径、体积流量和之间关系管径、体积流量和之间关系 管路直径 以以d表示内径，则有表示内径，则有管内流速（1-24）（1-25）92二、平均流速 选择平均流速：流速选择过高，管径虽可以减小，但流体流经管道的阻力增大，动力消耗大，操作费用随之增加；流速选择过低，操作费用减小，但管径增大，管路的投资费用随之增加。适宜的流速需根据经济权衡决定。表1-1列出了一些流体在管道中流动时流速的常用范围。93例1-7 提示管径的选择管子规格壁厚外径附录十七附录十八二、平均流速 94第一章流体流动1.3 流体流动概述1.3.1 流动体系的分类1.3.2 流率与平均流速1.3.3 流动型态与雷诺数95一、雷诺实验 图1-9雷诺实验96图1-10 两种流动型态层 流（laminarflow）或 滞 流（viscousflow）湍 流 或 紊 流(turbulentflow)一、雷诺实验 动画0197反映流体流动状态的量纲为一数群。二、雷诺数（Reynolds number）雷诺数（Reynoldsnumber）黏度流速密度直径98对于流体在直管内的流动：当Re2000时属于层流；当Re4000时属湍流；当Re=20004000之间时，属不稳定的过渡流。工程上Re3000时按照湍流处理二、雷诺数（Reynolds number）99（1-26）式中 Lp流道的润湿周边长度，m；A流道的截面积，m2。三、当量直径的概念当量直径水力半径100第一章流体流动1.4 流体流动的基本方程101流体动力学主要研究流体流动过程中流速、压力等物理量的变化规律，研究所采用的基本方法是通过守恒原理（包括质量守恒、能量守恒及动量守恒）进行质量、能量及动量衡算，获得物理量之间的内在联系和变化规律。作衡算时，需要预先指定衡算的空间范围，称之为控制体，而包围此控制体的封闭边界称为控制面。一、概述 流体动力学102第一章流体流动1.4 流体流动的基本方程1.4.1 总质量衡算-连续性方程103二、总质量衡算-连续性方程的推导 图1-11 管路系统的总质量衡算 104 如图1-11所示，选择一段管路或容器作为所研究的控制体，该控制体的控制面为管或容器的内壁面、截面1-1与2-2组成的封闭表面。根据质量守恒原理可得（1-28）二、总质量衡算-连续性方程的推导 105对于定态流动，则或(1-29)二、总质量衡算-连续性方程的推导 106对于不可压缩流体，对于圆形管道(1-30)(1-31)(1-31a)推广到管路上任意截面二、总质量衡算-连续性方程的推导 107不可压缩流体圆形管道 二、总质量衡算-连续性方程的推导 管内定态流动的连续性方程注意：以上各式的适用条件108第一章流体流动1.4 流体流动的基本方程1.4.1 总质量衡算-连续性方程1.4.2 总能量衡算方程109一、流动系统的总能量衡算方程 选取如图1-12所示的定态流动系统作为衡算的控制体，控制体内装有对流体作功的机械（泵或风机）以及用于与外界交换热量的装置。流体由截面1-1流入，经粗细不同的管道，由截面2-2流出110图1-12 流动系统的总能量衡算1-换热器;2-流体输送机械111推导思路：总能量衡算机械能衡算不可压缩流体机械能衡算一、流动系统的总能量衡算方程112流出能量速率流入能量速率=从外界的吸热速率+作功机械对流体作功速率 一、流动系统的总能量衡算方程则热力学第一定律可表述为113一、流动系统的总能量衡算方程流体由1-1截面流入与由22截面流出控制体的能量速率包括：内能：由截面1-1进入 由截面2-2流出 位能：由截面1-1进入 由截面2-2流出(J/s)(J/s)(J/s)(J/s)114动能：由截面1-1进入 由截面2-2流出 压力能：由截面1-1进入 由截面2-2流出(J/s)(J/s)(J/s)(J/s)一、流动系统的总能量衡算方程115换热器向控制体内流体所加入的热量速率为 输送机械向控制体内流体所加入的外功速率为(J/s)(J/s)一、流动系统的总能量衡算方程116根据能量守恒定律，可得 上式经整理，可得一、流动系统的总能量衡算方程117（1-33）式1-33即为一、流动系统的总能量衡算方程定态流动过程的总能量衡算方程118动能校正系数 式1-33中的动能项为单位质量流体的平均动能，以单位质量流体由截面11进入控制体为例，应该按照下式计算一、流动系统的总能量衡算方程119则上式变换为令动能校正系数 ：一、流动系统的总能量衡算方程120因此，总能量衡算方程式可写成(1-33a)值与管内的速度分布形状有关。对于管内层流，=2（详见本章1.6节）；管内湍流时，值随Re变化，但接近于1。下面的讨论均令=1。一、流动系统的总能量衡算方程121二、流动系统的机械能衡算方程1.机械能的转换与损失式 1-33中 所包括的能量机械能动能位能压力能（流动功）外功内能和热122流体输送过程中各种机械能相互转换。由于流体的黏性作用，流体输送过程中还消耗部分机械能，将其转化为流体的内能。以流体在水平管道内的流动来说明。二、流动系统的机械能衡算方程123二、流动系统的机械能衡算方程假设流动为稳态过程，由热力学第一定律可知 1kg流体在截面1-1与2-2之间所获得的总热量 因此(1-35)克服流动阻力而消耗的机械能124将式1-35代入式1-33，可得(1-36)二、流动系统的机械能衡算方程定态流动过程的机械能衡算方程125对于不可压缩流体，为常数 (1-37)(1-37a)或二、流动系统的机械能衡算方程工程伯努利(Bernoulli)方程适用条件：不可压缩流体126对于理想流体的流动，又无外功加入 所以或二、流动系统的机械能衡算方程伯努利(Bernoulli)方程适用条件：不可压缩理想流体127练 习 题 目思考题作业题:8、9、101雷诺数的物理意义是什么？2湍流与层流有何不同，湍流的主要特点是什么？128第一章流体流动1.4 流体流动的基本方程1.4.1 总质量衡算-连续性方程1.4.2 总能量衡算方程129三、对伯努利方程的讨论式1-38表明，理想流体在管路中作定态流动而又无外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具有的总机械能相等，换言之，各种机械能之间可以相互转化，但其总量不变。1.(1-38a)能量转换06130三、对伯努利方程的讨论2.有效功率：输送机械在单位时间内所作的有效功称为有效功率，用下式计算(1-39)131三、对伯努利方程的讨论3.伯努利方程的其他形式：将的各项均除以重力加速度g 令式1-38变为或(1-40)(1-40a)132(1-40a)位头速度头动压头压力头压头损失总压头外加压头三、对伯努利方程的讨论1334.若流动中既无外加压头又无压头损失，则任一截面上的总压头为常数三、对伯努利方程的讨论1345.如果流体静止，流体静止仅是流体运动的特例。三、对伯努利方程的讨论135第一章流体流动1.4 流体流动的基本方程1.4.1 总质量衡算-连续性方程1.4.2 总能量衡算方程1.4.3 机械能衡算方程的应用136在应用机械能衡算方程与质量衡算方程解题时，要注意下述几个问题：1.衡算范围的划定2.控制面的选取3.基准面的确定4.单位一致性机械能衡算方程的应用137第一章流体流动1.5 动量传递现象1.5.1 层流分子动量传递本节目的：分析阻力产生的根源138层流分子动量传递 对于牛顿型不可压缩流体的层流流动，牛顿定律可以写成(1-43)考察式1-43各项物理量的因次：139单位时间通过单位面积的动量，称为动量通量(momentumflux)单位体积具有的动量，称为动量浓度 层流分子动量传递140为动量浓度梯度 称为动量扩散系数（momentumdiffusivity）层流分子动量传递141用文字表述为：分子动量通量=动量扩散系数动量浓度梯度(1-43)据此可将式1-43层流分子动量传递142第一章流体流动1.5 动量传递现象1.5.1 层流分子动量传递1.5.2 湍流特性与涡流传递143一、湍流的特点与表征1、质点的脉动 2、湍流的流动阻力远远大于层流3、由于质点的高频脉动与混合，使得在与流动垂直的方向上流体的速度分布较层流均匀。湍流的特点144图1-14 圆管中流体的速度分布一、湍流的特点与表征1451.时均量与脉动量图1-15 湍流中的速度脉动一、湍流的特点与表征146除流速之外，湍流中的其它物理量，如温度、压力、密度等等也都是脉动的，亦可采用同样的方法来表征。一、湍流的特点与表征从上图可知,以x方向为例脉动速度(fluctuationvelocity)瞬时速度(instantaneousvelocity)时均速度(timemeanvelocity)147 x方向的时均速度定义为：一、湍流的特点与表征1482湍流强度 湍流强度是表征湍流特性的一个重要参数，其值因湍流状况不同而异。例如，流体在圆管中流动时，I值范围为0.010.1，而对于尾流、自由射流这样的高湍动情况下，I值有时可高达0.4。湍流强度的定义：湍流强度的定义：一、湍流的特点与表征149二、雷诺应力与涡流传递湍流时的动量传递不再服从牛顿黏性定律。但仍可以牛顿黏性定律的形式表达(1-48)涡流动量通量涡流动量扩散系数 X 时均浓度梯度 湍流应力（雷诺应力）150湍流流动中的总动量通量可表示为（1-49）：涡流运动黏度(eddyviscosity)或涡流动量扩散系数(eddydiffusivity)，m2/s。涡流运动黏度不是流体物理性质的函数，而是随湍流强度、位置等因素改变。二、雷诺应力与涡流传递151第一章流体流动1.5 动量传递现象1.5.1 层流分子动量传递1.5.2 湍流特性与涡流传递1.5.3 边界层与边界层分离现象152一、边界层的形成与发展远离壁面的大部分区域壁面附近的一层很薄的流体层 实际流体与固体壁面间相对运动 速度变化很小可视为理想流体必须考虑粘性力的影响，由于流体的粘性作用，存在速度梯度153图1-17 平板壁面上的边界层 一、边界层的形成与发展154层流边界层过渡区湍流边界层 一、边界层的形成与发展边界层壁面附近速度梯度较大的流体层主流区边界层之外，速度梯度接近于零的区域边界层155湍流边界层层流内层或层流底层 缓冲层 湍流主体或湍流核心 速度梯度大居中小 一、边界层的形成与发展156一、边界层的形成与发展由层流边界层开始转变为湍流边界层的距离。临界距离依照雷诺数定义依照雷诺数定义临界雷诺数临界距离所对应的157对于光滑的平板壁面，临界雷诺数的范围为 一、边界层的形成与发展158管内流动边界层 图1-18 圆管内的流动边界层一、边界层的形成与发展159 可将管内的流动分为两个区域：一是边界层可将管内的流动分为两个区域：一是边界层汇合以前的流动，称之为汇合以前的流动，称之为进口段进口段流动；另一是边流动；另一是边界层汇合以后的流动，称之为界层汇合以后的流动，称之为充分发展了的流动充分发展了的流动。对于层流，进口段长度可采用下式计算(1-53)一、边界层的形成与发展进口段长度160二、边界层分离与形体阻力 边界层的一个重要特点是，在某些情况下，会出现边界层与固体壁面相脱离的现象。此时边界层内的流体会倒流并产生旋涡，导致流体的能量损失。此种现象称为边界层分离，它是黏性流体流动时能量损失的重要原因之一。产生边界层分离的必要条件是：流体具有黏性和流动过程中存在逆压梯度。161图1-19 边界层分离示意图 二、边界层分离与形体阻力分离点162第一章流体流动1.5 动量传递现象1.5.1 层流分子动量传递1.5.2 湍流特性与涡流传递1.5.3 边界层与边界层分离现象1.5.4 动量传递小结163动量传递小结 由于流体的粘性，当流体运动时内部存在着剪切应力。该剪切应力是流体分子在流体层之间作随机运动从而进行动量交换所产生的内摩擦的宏观表现，分子的这种摩擦与碰撞将消耗流体的机械能。在湍流情况下，除了分子随机运动要消耗能量外，流体质点的高频脉动与宏观混合，还要产生比前者大得多的湍流应力，消耗更多的流体的机械能。这二者便是摩擦阻力产生的主要根源。164 另一方面，当产生边界层分离时，由于逆压作用的结果，流体将发生倒流形成尾涡，在尾涡区，流体质点强烈碰撞与混合而消耗能量。这种由于局部产生倒流和尾涡以及压力分布不均所造成的能量损失称为形体阻力或局部阻力。动量传递小结 165练 习 题 目思考题作业题:12、13、151.在应用机械能衡算方程解题时需要注意哪些问题？2.湍流用那些量来表征？3.流体在固体壁面上产生边界层分离的必要条件时什么？试通过边界层分离现象分析形体阻力（局部阻力）产生的原因。166第一章流体流动1.6 流体在管内流动的阻力1.6.1 管流阻力计算的通式167一、压力降-管流阻力的表现 在定态下不可压缩流体在水平直管内流过。管的上下游各设一测压口，在测压口所在的1、2两截面间列机械能衡算方程，可得168管流阻力也常用所引起的压力降来表示，定义为单位体积流体流动产生的机械能损失：特别强调，与伯努利方程中两截面的压力差是两个截然不同的概念。一、压力降-管流阻力的表现169流动时产生的阻力摩擦阻力引起的压力降形体阻力引起的压力降总机械能损失直管阻力局部阻力一、压力降-管流阻力的表现170二、直管摩擦阻力与范宁公式图1-20 直管摩擦阻力通式的推导 171二、直管摩擦阻力与范宁公式设流体在水平直圆管内作定态流动取流体元：长为L、半径为r分析受力，得到 172可以推出（1-61a）（1-61）（1-60）二、直管摩擦阻力与范宁公式摩擦系数范宁（Fanning）公式173 从动量传递的角度，也可认为是动量传递的速率系数。将变换为（1-62）（1-60）对流动量传递速率(momentumtransferratebyconvection)动量传递的阻力动量传递的推动力二、直管摩擦阻力与范宁公式174 层流和湍流的动量传递机理不同，摩擦系数的求解方法也不同，下面分别予以讨论。二、直管摩擦阻力与范宁公式175第一章流体流动1.6 流体在管内流动的阻力1.6.1 管流阻力计算的通式1.6.2 管内层流的摩擦阻力176管内层流的摩擦阻力前面已求出，剪应力沿管径方向为线性分布（1-57）对于牛顿型流体的层流，则（1-63）将式1-63代入式1-57中，可得圆管定态层流的速度分布曲线，（1-65）抛物线177在管中心处流速最大 管内层流的摩擦阻力时在管壁处速度为0 管截面平均速度 178层流时的摩擦阻力层流时的摩擦系数（1-69）哈根泊谡叶（HagenPoiseuille）方程由管内层流的摩擦阻力179第一章流体流动1.6 流体在管内流动的阻力1.6.1 管流阻力计算的通式1.6.2 管内层流的摩擦阻力1.6.3 管内湍流的摩擦阻力与量纲分析180一、量纲分析1.量纲分析的概念与伯金汉定理 通过对描述某一过程或现象的物理量进行量纲分析，将物理量组合为量纲为一准数，然后借助实验数据，建立这些准数间的关系式。量纲分析法181 任何由物理定律导出的方程，其各项的量纲是相同的。基本量纲 在SI制中，将长度L，时间和质量m的量纲作为基本量纲，分别以L，和 M表示。量纲一致性原则一、量纲分析182一、量纲分析(1)、若影响某一物理过程的物理变量有n个(2)、经过量纲分析和适当的组合，上式可写成以N个量纲为一变量组成的关系式。(3)、设这些物理变量中有m个基本量纲。则有伯金汉(Buckingham)定理1832.管内流动摩擦阻力的量纲分析 影影响响 因因素素有有：管管径径d，管管长长L，平平均均流流速速u，流流体体密密度度 以以及及流流体体黏黏度度 ，写写成成普普遍遍函函数数关系式为关系式为一、量纲分析184经过量纲分析后，以量纲为一变量表达的函数方程为基本量纲为M、L和T 变量数一、量纲分析185 为量纲分析的方便，将函数关系式写成如下为量纲分析的方便，将函数关系式写成如下幂函数的形式幂函数的形式将各物理量的量纲代入上式将各物理量的量纲代入上式 即：即：一、量纲分析186根据量纲一致性原则 保留b、e 为已知量，将所求得的a、c、d代回原式，指数相同的物理量合并，写成更一般的函数形式可得，一、量纲分析187欧拉(Euler)数，表示压力与惯性力之比与管尺寸有关的比值，反映流动系统的几何特性 表示惯性力与黏性力之比 一、量纲分析188二、管内湍流的摩擦阻力 由于湍流运动的复杂性，迄今还不能完全用理论分析法建立湍流摩擦系数的计算式，此外，湍流时管壁的粗糙程度对摩擦系数亦有很大影响。表1-2列出了某些工业管道的绝对粗糙度值。绝对粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以e表示。相对粗糙度绝对粗糙度与管径的比值，即e/d。1891.管壁粗糙度对摩擦系数的影响图1-21 流体流过管壁面的情况 二、管内湍流的摩擦阻力190在分析湍流的摩擦阻力时还必须将壁面粗糙度这一重要因素包括进去。二、管内湍流的摩擦阻力1912.管内湍流的摩擦系数 a.光滑管（i）尼库拉则（Nikurades）式上式适用范围为 二、管内湍流的摩擦阻力192（ii）柏拉修斯（Blasius）式上式适用范围为其他公式见教材。二、管内湍流的摩擦阻力1933.摩擦系数图摩擦系数图有四个不同的区域：摩擦系数图有四个不同的区域：层流区层流区 过渡区过渡区 湍流区湍流区 完全湍流区（阻力平方区）完全湍流区（阻力平方区）虚线以外区域虚线以外区域二、管内湍流的摩擦阻力194图1-22 管流摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系 195第一章流体流动1.6 流体在管内流动的阻力1.6.1 管流阻力计算的通式1.6.2 管内层流的摩擦阻力1.6.3 管内湍流的摩擦阻力与量纲分析1.6.4 非圆形管的摩擦阻力196非圆形管的摩擦阻力1.层流 层流时，对简单几何形状的流道，如矩形截面、套管环隙截面等，可以通过理论分析获得流动阻力的计算式。2.湍流 流体在非圆形管内作湍流流动时，其摩擦系数可按圆管湍流的各式或图1-22进行近似估算。但要用管道的当量直径代替圆管直径。197第一章流体流动1.6 流体在管内流动的阻力1.6.1 管流阻力计算的通式1.6.2 管内层流的摩擦阻力1.6.3 管内湍流的摩擦阻力与量纲分析1.6.4 非圆形管的摩擦阻力1.6.5 管路上的局部阻力198一、阻力系数法或或该法是将局部能量损失表示成流体动能因子 的一个倍数，即的一个倍数，即：称为局部阻力系数 199突然扩大时的阻力系数计算式为：一、阻力系数法1.突然扩大细管内速度200突然缩小时的阻力系数计算式为:一、阻力系数法2.突然缩小细管内速度2013.管入口与管出口 管入口管出口4.管件与阀门常见管件与阀门的局部阻力系数参见表1-3 一、阻力系数法202二、当量长度法或或 管件与阀门的局部阻力亦可仿照写成如下形式管件与阀门的局部阻力亦可仿照写成如下形式 在湍流流动情况下，某些管件与阀门的当量长度可由图1-24的共线图查得。203204第一章流体流动1.6 流体在管内流动的阻力1.6.1 管流阻力计算的通式1.6.2 管内层流的摩擦阻力1.6.3 管内湍流的摩擦阻力与量纲分析1.6.4 非圆形管的摩擦阻力1.6.5 管路上的局部阻力1.6.6 管流阻力计算小结205管流阻力计算小结管路系统中的总阻力，应包括直管中的摩擦阻力、突然扩大、突然缩小以及管件与阀门的局部阻力，其计算通式可写为 局部阻力直管阻力206当量长度直管阻力局部阻力局部阻力系数管流阻力计算小结207或（1-95）管流阻力计算小结总阻力的计算式（1-94）208练 习 题 目思考题作业题:14、18、191.试通过流体进行动量传递的机理分析流体