页数：53页文件大小：1.82 MB来源： 化工原理ppt课件
本课件沿序言、绪论与第一章流体流动展开：先以虹吸现象说明理论学习的意义，再界定化工过程与单元操作、物理量的单位与量纲，随后系统讲解流体静力学、柏努利方程、流动现象与流动阻力。
序言以虹吸现象为例说明理论学习的重要性：水在虹吸中先越过一个高点再向低处流动，只有用流体动力学的理论才能解释。
课堂讲授围绕教学大纲进行，以教材为蓝本但对内容有所增减、自成体系。
学习要求：认真听课、做好笔记、即时复习、独立完成作业、有疑问即时问老师。
课程性质为技术基础课（专业基础课）。任务：介绍三传基本原理，介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计与实验研究方法，培养发现、分析、解决单元操作问题的能力。
常用计量单位制对照表：下表列出各主要单位制的简称与基本量。
| 单位制 | 简称 | 基本量与基本单位 |
|---|---|---|
| 英制 | FPS | 10世纪初由英国人创立，以英尺、磅、秒为基础 |
| 物理制 | CGS | 18世纪末由法国人发展，以厘米、克、秒为基础 |
| 米制 | MKS | 工程界由物理制发展而来，以米、千克、秒为基础 |
| 国际制 | SI | 1960年规范化，以长度、质量、时间为基本量 |
| 工程制 | 重力制 | 以长度、力、时间为基本量，1千克力等于9.80665牛顿 |
| 市制 | MS | 在米制基础上对我国旧市制修改形成 |
| 法定制 | 我国法定计量单位 | 1984年确定，以国际制为基础并含若干非国际制单位 |
单位换算要点：先查出换算关系，再代入原单位，全部换算成同一种单位制后再计算，可避免差错。
经验方程换算：方程中的符号只代表物理量的数值部分，可按需变换为计算者希望采用的单位。
量纲：某类物理量不同单位的统称，导出量的量纲可用长度、质量、时间等基本量量纲的组合表示；量纲为1的量称为无量纲量。
量纲一致性原理：任何理论方程两边的量纲必相等，经验方程则不一定满足。
物料衡算与能量衡算的一般式均为：进入量与离开量之差等于衡算范围内的累积量。当累积为零时为稳定（定态）过程。
青霉素规模生产的例子说明化学家与化学工程师的差别：工程师用大罐鼓入空气替代成千上万只烧杯，大幅降低成本。
流体流动的基本原理是本门课程及化学反应工程的重要基础，传热、传质与化学过程大部分在流体流动下进行。
液体压缩系数很小视为不可压缩流体，气体视为可压缩流体，但高压锅炉中的水与一般通风系统中的空气可作相反处理。
研究流体运动时把流体看成由流体质点组成的连续介质，而非由分子组成的间断介质。
理想混合液体：1千克混合液体的体积等于各组分单独存在时的体积之和，用各组分密度与质量分率计算。
低压气体密度由理想气体状态方程导出，与压力、摩尔质量成正比，与绝对温度成反比。
低压混合气体：1立方米混合气体的质量等于各组分质量之和，可用各组分的摩尔质量与摩尔分率，或用各组分密度与体积分率计算。
高压气体：用真实气体状态方程计算或查有关图表。
压力单位换算表：下表列出常用压力单位之间的换算关系。
| 基准单位 | 换算关系 |
|---|---|
| 1 atm | 101325 Pa = 1.01325 bar = 1.0332 kgf/cm2 = 10.332 mH2O = 760 mmHg |
| 1 kgf/cm2 | 10 mH2O = 735.56 mmHg = 9.807×10⁴ Pa = 0.9807 bar = 0.9678 atm |
压力基准：绝对压力以绝对真空为零点，表压以当地大气压为零点，真空度与表压计算方向相反，表压等于负的真空度。
在静止流体中取微元流体，分析上底面压力、下底面压力与重力，由z方向力平衡得微分关系；同理得x、y方向关系，三式分别乘以dx、dy、dz后相加即得微分静力学方程。
对不可压缩流体积分上式，即得静止液体内两点的压力关系。
气体密度随高度变化甚微，液体静力学方程在高度不大时也适用于气体；将理想气体状态方程代入即得气压方程。
指示液要求：与被测流体不互溶、不反应、密度大于被测流体密度；常用汞、水、四氯化碳、液体石蜡。
U形管压差计由静力学基本方程导出压差与指示液、被测流体密度及液柱高度差的关系；被测流体为气体时，因指示液密度远大于气体密度，公式可简化。
由流量与流速的关系可计算管径。流动状态分为稳定（定态）流动与不稳定（不定态）流动：前者各点物理量不随时间而变。
连续性方程：对连续稳定流动作物料衡算，得两截面的质量流量相等；对不可压缩流体得体积流量相等；对圆形管道得流速与管径平方成反比。
法向应力为单位面积上的法向力，切向应力（剪应力）为单位面积上的切向力；单位质量力在三个方向的分量记为X、Y、Z。
在实际流体中取微元流体，x方向所受外力包括质量力、法向力与切向力，将牛顿第二定律分别应用于x、y、z三个方向即得运动微分方程的基础形式。
由切向应力、法向应力与速度梯度的关系，引入平均法向应力；流体静止时切向应力为零，法向应力与静压力大小相等、方向相反。
将应力与速度梯度的关系代入运动微分方程，即得Navier-Stokes方程，它是分析流体运动与推导柏努利方程的出发点。
简写Navier-Stokes方程并代入流线方程，三个方向相加整理后，对重力场中的稳定流动或某一时刻沿流线定积分，即得流线柏努利方程。
设不可压缩流体在管道中作连续稳定流动，在等径直管处取两截面及一微元流束，将流线柏努利方程与连续性方程相乘并沿管截面定积分。
结论：在等径直管的截面上，压力分布规律与静止流体中的一样。
由层流速度分布方程可得层流的动能修正系数，由湍流速度分布方程可得湍流的修正系数，理想流体则为1。
由于动能占总机械能的分数往往很小，工程上流动类型一般为湍流，故柏努利方程统一取同一形式。
注意事项：压力仍为静压力；动能中流速取截面平均流速；截面应选在等径直管处；流动须连续稳定；压力可用绝对压力、表压或真空度但不能混用；可压缩流体密度取两截面平均值。
实验现象：板间液体形成上大下小的流速分布，说明相邻流体层之间存在相对运动并产生内摩擦力（粘滞力）。
牛顿粘性定律：两流体层之间单位面积上的内摩擦力（剪应力）与垂直于流动方向的速度梯度成正比，比例系数为动力粘度μ。
粘度的物理意义：单位速度梯度时单位面积上所产生的内摩擦力，粘度越大流动时的内摩擦力也越大。
内摩擦力产生的原因：分子的动量传递和分子间力。气体主要源于分子动量传递，液体主要源于分子间力。
内摩擦力的物理意义是单位时间通过单位面积的动量，故流体流动过程也称动量传递过程，牛顿粘性定律即定量描述动量传递的定律。
雷诺数是判别流动类型的无量纲数；湍流可分为层流底层、过渡流区（缓冲层）与湍流主体区。
边界层是壁面附近存在速度梯度的流体层，一般取流速等于主流速度99%处为边界层外缘；主流区则不存在速度梯度。
内摩擦力、摩擦阻力、流动阻力、能量损失、阻力损失含义相同，均以Σhf表示。
由直管中流动流体的受力平衡导出摩擦系数与剪应力的关系。管的分类：光滑管如玻璃管、铜管、塑料管；粗糙管如钢管、铸铁管。
垂直直管阻力与水平直管阻力相等，非水平直管可按同样方法分析。
层流时粗糙度对阻力没有影响；湍流时在一定条件下才有影响。由层流速度分布积分可得哈根泊肃叶公式，进而得出层流摩擦系数。
层流摩擦系数由哈根泊肃叶公式与阻力式对比得到。湍流摩擦系数需用量纲（因次）分析法：由实验确定相关物理量及其量纲，再由量纲相等解出各指数。
由量纲相等与因次相等列出方程组并求解，回代入原式；再由实验知压降与管长成正比，从而确定相应指数，整理即得湍流摩擦系数表达式。
经验关联式：光滑管有Blasius公式与顾毓珍公式；粗糙管有Colebrook公式与Nikuradse-Karman公式。
局部阻力计算：阻力系数法用局部阻力系数ζ计算；当量长度法把局部阻力折算为与其相等的直管长度。
突然扩大、突然缩小、进口与出口的局部阻力系数可由相关图查取；管件与阀门的阻力系数查有关手册。
总阻力为直管阻力与局部阻力之和，代入柏努利方程即为能量损失项。
简单管路计算由柏努利方程与阻力计算式联立求解；因摩擦系数与流速相关，一般需试差。
并联管路的特点：各支管的流量之和等于总流量，而各支管的能量损失（阻力损失）相等，即各支管单位质量流体的总机械能降相同。
由于摩擦系数与流速相关，并联管路的计算一般需要试差：先假设各支管的流量分配，再校核各支管阻力是否相等，反复迭代至一致。
分支管路中各支管的阻力与位能、压力能之和相等。进行管路设计时，应以阻力最大的支管确定输送设备的有效功率，阻力小的支管用阀门增加阻力。
测速管（皮托管）由两根同心管组成：正对流向的管口测得滞点压力（静压与动压之和），平行于流向的管口测得静压。
在流动流体中的滞点与同一流线上另一点之间列流线柏努利方程，两点位能差可忽略，即可由压差求出该点的流速。
在孔板上、下游两截面间列柏努利方程并忽略能量损失，由压差与流通截面积求得流量；实际计算中以孔口面积代替下游截面面积。
考虑能量损失后引入流量系数，测压口装在孔板两侧；对气体还需引入膨胀系数。文丘里流量计原理与孔板流量计类似，用流量系数CV计算。
转子流量计为截面式流量计，流量与环隙流通面积成正比，若流量系数为常数则流量与转子高度成正比。
书中未提及的几个基本问题，供复习思考：
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