《食品工程原理》大纲(2014版 赵丹)

山西农业大学信息学院

《食品工程原理》教学大纲

课程名称：食品工程原理Food Process Engineering

课程编码：102D0007

课程类别：专业基础课

学时/学分：32

适用专业： 2.0

一、前言

1、课程性质

本课程讲述食品生产加工过程中的“三传理论”及常用单元操作中典型设备的工作原理、基本构造及设计计算等，三传理论包括动量传递(momentum transfer)、热量传递(heat transfer)、质量传递(mass transfer)；食品生产过程中共有的基本的物理操作过程称为单元操作。“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。同时，本课程是食品科学与工程专业的一门理论性和实践性很强的重要的专业基础课，是专业课程体系中的基本骨架课程之一。本课程讲述食品生产加工过程中的“三传理论”及常用单元操作中典型设备的工作原理、基本构造及设计计算等，培养学生运用各种技术手段，分析解决工程设计及生产操作中各类实际问题的能力。本课程作为食品科学与工程专业一门必修主干技术基础课，是一门以力学、动力学、热力学、传热学和传质学为理论基础的专业基础课程。本课程是高等数学、化学、机械制图等基础课的后继课程；同时，本门课程的学习也为食品机械、食品加工工艺学和食品工厂设计等专业课的学习打基础。在本专业课程教学中起着承前启后的作用，对自然学科和应用学科起到了搭桥作用。

2、教学目标

本课程的教学环节以讲授为主，辅助以电子教案和多媒体课件，同时对于课程中不属于基本原理、基本方法和基本概念范畴的内容，鼓励学生自学及讨论学生自学以及课外练习。本课程要求学生能够掌握各单元操作的基本原理；掌握各单元操作在食品工业中的应用；熟悉各单元操作涉及到的设备的构造、

工作原理、性能和操作注意事项；了解某些重要设备（如换热器、干燥器、蒸发器等）的简单设计并能够将以上学到的知识应用于食品新工艺的开发、新设备的研制和产品的生产中，使生产能得到改进。此外，在学习过程中，应注重对自学能力、分析问题解决问题的能力及认真负责的工作态度和严谨细致的工作作风的锻炼和培养。

3、教学要求

本课程要求学生重点掌握食品生产加工过程中的“三传理论”及常用单元操作中典型设备的工作原理、基本构造及设计计算等。

4、先修课程

高等数学、工程制图、基础化学

二、课程内容

第一章流体力学基础

教学内容及总体要求：流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体）现象以及相关力学行为的科学。可以按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学，还可按应用范围分为水力学，空气动力学等等。理论流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程，简称N-S方程。纳维-斯托克斯方程由一些微分方程组成，通常只有通过一些边界条件或者通过数值计算的方式才可以求解。它包含速度、压强p、密度、黏度，和温度T等变量，而这些都是位置(x,y,z) 和时间t的函数。

教学目标：本章要求了解食品工程原理中基础理论流体力学的概念；要求掌握牛顿流体的概念、特征及其在食品工程原理理论研究的基础地位；了解液体输送设备与简单管路的理论基础和基本技术；要求掌握简单管路的计算。

教学方式方法建议：以课堂多媒体教学为主，辅以相关试验与计

算，注意理论联系实际和启发式教育，开展习题、作业、讨论等教学方法。

学时：8

第一节牛顿流体及其黏度

一、粘性与粘度

由于粘性的耗能作用，在无外界能量补充的情况下，运动的流体将逐渐停止下来。粘性对物体表面附近的流体运动产生重要作用使流速逐层减小并在物面上为零，在一定条件下也可使流体脱离物体表面。

又称黏性系数、动力粘度，记为μ。牛顿黏性定律指出，在纯剪切流动中相邻两流体层之间的剪应力（或粘性摩擦应力）为式中dv/dy为垂直流动方向的法向速度梯度。黏度数值上等于单位速度梯度下流体所受的剪应力。速度梯度也表示流体运动中的角变形率，故黏度也表示剪应力与角变形率之间比值关系。

按国际单位制，黏度的单位为帕·秒。有时也用泊或厘泊(1泊=10-1帕·秒，1厘泊= 10-2泊）。英文表示式Pa·s(帕·秒) 或mPa·s(毫泊·秒)。

二、牛顿内摩擦定律

牛顿内摩擦定律表达式：τ=μγ

式中：τ--所加的切应力；γ--剪切速率（流速梯度）

μ--度量液体粘滞性大小的物理量，简称为黏度，物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。

从流体力学的角度来说，凡是服从牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。

所谓服从内摩擦定律是指在温度不变的条件下，随着流速梯度的变化，μ

值始终保持一常数。

水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体；高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体

第二节流体流动能量平衡

伯努利方程

丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”。这是在流体力学的连续介质理论方程建立之前，水力学所采用的基本原理，其实质是流体的机械能守恒。

即：动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。

伯努利原理往往被表述为p+1/2ρv^2+ρgh=C ，这个式子被称为伯努利方程。式中p 为流体中某点的压强，v 为流体该点的流速，ρ为流体密度，g 为重力加速度，h 为该点所在高度，C 是一个常量。它也可以被表述为

p1+1/2ρv1^2+ρgh1=p2+1/2ρv2^2+ρgh2。

需要注意的是，由于伯努利方程是由机械能守恒推导出的，所以它仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体。

第三节

管中流动

一、管中稳定流动连续性方程

稳定流动下，单位时间内流进体系的流体质量等于流出体系的流体质量： 不可压缩流体密度不变：

不可压缩流体的平均流速与管径平方成反比。

二、雷诺实验与雷诺数

雷诺实验装置如图所示：

层(滞)流：有条不紊，相互无混杂，一条平稳的直线；

湍(紊)流：杂乱无章，相互混杂。

如何区分这两种流动状态，由无量纲准数—雷诺数Re 来判断。

式中：d-管道内径，m ；

u-流体平均流速，m/s ；

ρ为流体密度，kg/m3；

μ为流体粘度，Pa·s。

第四节 简单管路计算

流体具有黏性，流动时存在着内摩擦，它是流动阻力产生的根源；固定的管壁或其他形状固体壁面促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力的大小与流体本身的物理性质，流动状况及壁面的形状等因素有关。

流体在管路中流动时的阻力有两种：

1、直管阻力——流体流径一定管径的直管时，因流体内摩擦而产生的阻力。表皮阻力或摩擦阻力。

222111A u A u ρρ=2211A u A u =