电子教案(流体力学)

绪 论一、课程简介1、课程的研究对象——单元操作 （1）单元操作的概念指在各种化工过程中，遵守同一基本原理，所用设备相似，作用相同，仅发生物理变化过程的那些操作，称为单元操作。

（2）单元操作的特点①所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。

②单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。

③单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。

（3）单元操作的分类根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：流体动力过程、传热过程和传质过程。

2、课程性质：本课程是化工类专业学生的专业必修课。

3、课程特点：理论与经验相结合的工程研究方法。

二、单元操作中常用的基本概念和观点 1、物料衡算根据需要人为地划出一个封闭体系，那么有：输入物料=输出物料+（物料损失） 2、 能量衡算 同样对于一个体系有：输入能量=输出能量+（能量损失）在化工生产过程中的能量衡算大多为热量衡算。

3、平衡关系平衡是过程进行的极限状态。

通过讨论平衡关系，我们可以判断过程进行的方向及过程推动力的大小。

4、过程速率 过程速率与过程推动力成正比，与过程阻力成反比。

即：过程阻力过程推动力过程速率5、经济核算 三、单位及单位换算单位可分为二大类：基本单位和导出单位。

（1）基本单位基本单位只有几个，指定的几个独立的物理量。

由于同一物理量在不同的单位制中具有不同的单位和数值，象cm.g.s 制和工程单位制等给人类的计算和交流带来麻烦，为此规定使用统一的“国际单位制”，即SI 制。

SI 制有七个基本单位SI 制有以下两大优点：通用性：自然科学、工程技术以及国民经济中都采用； 一贯性：不需引入比例系数。

（2）导出单位其它物理量利用基本量从物理定律中导出，称为导出量，其单位称为导出单位。

基本单位与导出单位的总和称为单位制。

（3）单位换算经验公式（又称数字公式，根据实验结果整理而得）中各符号只代表物理量的数字部分，而它们的单位必须采用指定的单位。

须牢记：1atm=101.325kPa=1.033at(工程大气压kgf/cm2) =760mmHg=10.33mH2O1cal=4.2J , 1J=0.24cal 1kgf=9.81N结果换算因子数值=⨯第一章 流体流动与输送设备一、流体：可以流动的物体——物体的变形与时间有关的——液体与气体liquid &gas 。

二、 流体输送在化工生产中的应用在化工生产过程中，物料从一个设备到另一个设备、在设备中进行物理或化学加工过程等，一般都是在流动的过程中进行的。

适宜的流动条件能使过程进行的更加完善。

因此，我们有必要在此首先讨论流体输送，以解决化工生产中的最基本的问题： 1、管径的选择与管路布置；2、估算输送流体所需要的能量，选用输送机械；3、流速、流量、压强等的测定；4、提供适宜的流体流动条件，作为强化设备操作及设计高效能设备的依据。

第一节 流体静力学1-1-1密度（一）密度m Vρ=概念；表达式；单位；液体密度及其查取方法 （二）气体的密度一般可根据理想气体状态方程求得。

pMRTρ= 例题：求常压下、25℃时氧气的密度？ （三）混合物的密度1、 混合液体 混合前后总体积不变的原则12121nmnw w w ρρρρ=++⋯+例题：求25℃时40%（质量百分数）的苯、甲苯溶液的密度？ 2、 混合气体 1122m n n ρρφρφρφ=++⋯+ 或 mm pM RTρ= 1-1-2 压力1、定义，表达式，单位与其它常用压力单位，单位换算因子；p gh ρ=2、压强与压力3、用液柱高度表示压强单位的意义：该液柱作用于底部单位面积上的重力。

4、表压、绝压、真空度。

（1）概念（2）相互关系：① 表达式；② 关系图（3）说明：上报工艺文件时注意要注明是表压还是绝压，如不注明，则表明是绝压。

1-1-3流体静力学 hydrostatics一、静力学基本方程式及其讨论1、静力学基本方程式常数=+=+ρρ2211p g z p g z或 常数=+=+gpz g p z ρρ2211 或 常数=+=+2211p g z p g z ρρ 或 ()g h p g z z p p ρρ+=-+=01212 2、讨论（1）各项的物理意义 （2）修正压强：g z p ρ+（3）压强的传递性 （4）等压面的概念 （5）适用范围 二、静力学方程的应用（一）测压 1、U 形管压差计（1）结构：U 形玻璃管，标尺，指示液及其要求 （2）测压原理：等压面，压差计算公式。

（3）讨论：① 当压差一定时，读数R 与U 形管的粗细、长短无关；② 为了得到比较适中的读数R ，应根据压差选用指示液，常用的指示液； ③ 压差计可用于测量某一点的压力；④ 测量具有位差的两点间的压差时，U 形管压差计上的读数是修正压强差。

即：()()11220()p z g p z g R g ρρρρ+-+=-2、杯形斜管压差计——U 形管压差计的变形——创新 结构；测压原理；优点；使用注意事项 （二）测量液位1、用U 形管压差计来测量液位（1）特殊情况下（一侧指示液液位刚好与贮槽底部平齐）的液位计算：h Rρρ= （2）通过改进（设置“杯”）使特殊情况也适用于一般情况 2、远距离测量测量原理分析： （1）观察室的作用（2）氮气压力与H 点压力的关系从而与液位关联 （3）氮气压力计算 （三）计算液封的液位高度 1、液封的类型与作用（1）安全液封：维持正常生产用气压。

如需控制乙炔发生炉内压力P 采用上图装置。

（2）切断液封：在气体贮罐前后安装切断液封——安全作用，而且防漏，还可节省投资。

（3）溢流液封：在洗气塔液体溢流排放口为防气体带出设置的液封。

2、液封高度计算g h p ⋅⋅=ρ gph ρ=（p 为表压）第二节 流体动力学1-2-1流量与流速 一、流量体积流量v q 与质量流量m q（1）体积流量符号；概念；表达式；单位。

（2）质量流量符号；概念；表达式；单位。

（3）体积流量与质量流量之间的关系m v q q ρ= 二、流速流速u 与质量流速G（1）流速：符号；概念；平均流速；表达式；单位。

（2）质量流速：符号；概念；表达式；单位。

（3）流速与质量流速之间的关系 1-2-2 定态流动与非定态流动定态流动：流体流动系统中，各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化。

非定态流动：流体流动系统中，各截面上的温度、压力、流速等物理量既随位置变化，也随时间变化。

1-2-3定态流动系统的质量守恒—连续性方程 一、连续性方程式图示系统中，输入物料=输出物料 即：12m m q q =因为m v q q uA ρρ==，故上式可写为：111222m q u A u A ρρ==对于不可压缩流体：21ρ=ρ 则上式为：2211A u A u ⋅=⋅ 对于圆形管路：2d 4A π=则上式又为：222211d u d u ⋅=⋅ 即：212221d d u u =二、讨论：1、适用范围：连续稳定流动系统2、系统截面一定要具有连续性，而内部连不连续、发生什么过程可以不管3、分支管路的连续性方程式123m m m q q q =+m m qq =∑∑进出三、连续性方程式的应用——选用管径 1、初估管径 （1）计算公式 uq d v⋅=π4 （2）流速u 的确定 2、根据管子规格园整（1）管子规格：表示管子规格的方法主要有两种：n m ⨯φ 及公称直径g D （2）选管1-2-4 定态流动系统的机械能守恒—柏努利方程 一、流动流体所具有的机械能1、流体自身的能量类型：内能、位能、动能、静压能2、与环境交换的能量类型：外加能量、热能、损失能量 二、柏努利方程在图示系统中：输入机械能=输出机械能 即：2211221222e f p u p uz g W z g W ρρ+++=+++∑ 或：2211221222e f p u p uz H z H g g g gρρ+++=+++∑ 三、柏努利方程式的讨论1、适用范围：a 稳定流动系统；b 不可压缩流体；c 重力场中。

1 W e (H e ) 212H f (h f )2、守衡与变化3、各项的物理意义z ——设备plant 高低相对位置参数； p ——状态state 参数，由操作条件决定；u ——动力学dynamics 参数，这是最活跃的参数，一般可根据经验确定。

4、对于理想流体，流动无阻力，流动过程中也无需外加能量，则柏氏式为：g2u g p z g 2u g p z 22222111+ρ+=+ρ+5、对于静止流体，流速u =0 则柏氏式又为：gpz g p z 2211ρ+=ρ+或g )z z (p p 2112⋅ρ⋅-+=g h p 1⋅ρ⋅+= 此式就是静力学基本方程式。

所以说静力学基本方程式包括在柏努利方程式中 6、气体一般不可以使用柏氏式，但当压力变化不是很大（%20%100p p p 221<⨯-）时，可近似使用柏氏式，不过其中的密度ρ应用两截面的平均密度。

221ρ+ρ=ρ 7、分支管路的柏氏式：g2u g p z g 2u g p z g 2u g p z 233322222111+ρ+=+ρ+=+ρ+四、柏努利方程式的应用解题要求：①作图并在图上标出有关物理量；②取截面并确定基准水平面；③列柏氏式；④列已知条件；⑤代入方程求解；⑥结果讨论。

例1 在图示管路系统中，水槽液面维持不变，水可视为理想流体。

求（1）管路出口流速；（2）图中A 、B 、C 点的压强；（3）讨论流动系统中的能量转化关系。

解：（1） 取截面1-1和2-2，以2-2截面为基准水平面（说明取截面的要点）列柏氏式： g2u gp z g2u gp z 22222111+ρ+=+ρ+列已知条件： z 1=5m z 2=0p 1=0 p 2=0 (基准一致) u 1=0 u 2=? 代入求解得u 2=g 10 m/s（2）O mH m N g p A 22414)(/109.34=⨯=⋅⋅-=表ρ)(1/981022表O mH m N g p B ==⋅=ρ )(3/109.23224表O mH m N g p c -=⨯-=⋅⋅-=ρ（3）讨论能量转化关系 结果讨论：① A 点的压强与槽底的压强是否相等？A 点的气蚀现象。

② C 点是否会发生气蚀现象？③ u 2与哪些因表有关？能否用无限向下增加管长来提高出口流速成？C 点能否无限增高？例2：如图所示的水冷却装置中，处理量为60 m 3/h ，输入管路的内径为100mm 的钢管，喷头入口处的压强不低于0.5at （表压），管路阻力损失为88.3j/kg 。