化工原理全册配套完整精品课件.ppt

1、化工原理全册配套完整 精品课件 化化 工工 原原 理理 绪绪 论论 化工原理化工原理 - 讲述讲述单元操作单元操作原理和设备的课程原理和设备的课程 承上启下承上启下的工程技术基础课的工程技术基础课 课程内容及学习方法课程内容及学习方法 绪绪 论论 化工原理化工原理 - 讲述讲述单元操作单元操作原理和设备的课程原理和设备的课程 承上启下承上启下的工程技术基础课的工程技术基础课 课程内容及学习方法课程内容及学习方法 常见的单元操作常见的单元操作 流体输送、沉降、过滤、流体输送、沉降、过滤、 混合、混合、 流态化流态化 换热、蒸发、制冷换热、蒸发、制冷 蒸馏、吸收、萃取、蒸馏、吸收、萃取、 吸附、吸

2、附、 干燥、膜分离干燥、膜分离 广泛应用在化工、动力、广泛应用在化工、动力、 医药、电子、建筑等行业医药、电子、建筑等行业 传递过程理论传递过程理论 v动量传递动量传递 v热量传递热量传递 v质量传递质量传递 一、化工原理的学科演变一、化工原理的学科演变 化学工程：化学工程： 1970年德国学者年德国学者D.Gelbin提出提出 研究化工生产过程的基本规律，应用于化工装研究化工生产过程的基本规律，应用于化工装 置的设计置的设计, 自动化和最优化自动化和最优化; 也称为也称为过程技术过程技术(Process technology) 以化工生产过程为例 化学反应 非化学反应(过程工程) 化工原理化

3、工原理-研究研究“单元操作单元操作”的原理和设备的原理和设备 化学工业及化学工程学的发展化学工业及化学工程学的发展 （1）萌牙时期（18世纪） （2）奠基时期-（19世纪），提出“单元操作” （3）化学工程学(20世纪)，建立“三传一反” （4）现代化学工程(20世纪60年代) 利用计算机技术，从利用计算机技术，从系统工程学系统工程学的观点全面研究原料、的观点全面研究原料、 能源、环保等诸方面的合理利用及其相互影响，化学工能源、环保等诸方面的合理利用及其相互影响，化学工 业可持续发展的战略，推动化学工程向更高阶段发展。业可持续发展的战略，推动化学工程向更高阶段发展。 临的三大挑战：临的三大挑战

4、： 原料、能源、环境保护原料、能源、环境保护 特点特点 * 都是物理性操作，不改变物料的化学性质都是物理性操作，不改变物料的化学性质 * 化工生产系统是多个单元操作的组合化工生产系统是多个单元操作的组合 * 原理基本相同，设备基本通用原理基本相同，设备基本通用 单元操作单元操作 在不同的生产过程中，遵循相同原理的在不同的生产过程中，遵循相同原理的 （物理）操作（物理）操作 化工原理承上启下化工原理承上启下 承上：承上： 高数、大学物理、物理化学、流体力学等高数、大学物理、物理化学、流体力学等 启下：启下： 化工系统工程、传递过程、各学科工艺学等化工系统工程、传递过程、各学科工艺学等 研究单元操

5、作的研究单元操作的 原理原理 典型设备典型设备 工艺计算工艺计算 化工原理课程内容化工原理课程内容 * 数学模型数学模型法；法； * 实验研究实验研究法法(以因次分析及相似论为依据以因次分析及相似论为依据)； * 注意注意工程经验工程经验的积累；的积累； （主要是对前人工程经验的继承）；（主要是对前人工程经验的继承）； * 工程观念工程观念的培养（工程实际出发考虑问题）的培养（工程实际出发考虑问题） 学习方法学习方法 理论的可行性理论的可行性 技术的可行性技术的可行性 安全与环境的可行性（生产裕度）安全与环境的可行性（生产裕度） 经济的可行性经济的可行性 培养分析和解决化工实际问题的能力培养分

6、析和解决化工实际问题的能力 培养的能力培养的能力 分析问题分析问题 动手实验动手实验 查阅基础数据及资料查阅基础数据及资料 计算机计算计算机计算 要求：按时、独立完成作业！要求：按时、独立完成作业！ 学习目的学习目的 授课教师授课教师：吴雪梅吴雪梅 联系方式联系方式： Cell phone-13940978991 1一年课程，其中划分三部分：一年课程，其中划分三部分： 化工原理的理论教学化工原理的理论教学 化工原理实验化工原理实验 课程设计课程设计 化工原理课程安排及要求化工原理课程安排及要求 2课程学时：课程学时： 本学期本学期 40 学时学时 第一章第一章 流体流动流体流动 12学时学时

7、第二章第二章 流体输送流体输送 7学时学时 第三章第三章 非均相分离非均相分离 8学时学时 第四章第四章 传热传热 12-13学时学时 第五章第五章 蒸发蒸发 0-1学时学时 3. 教学环节教学环节 课堂教学、讨论课、实验教学、课程设计课堂教学、讨论课、实验教学、课程设计 作业作业 答疑答疑 期中测验期中测验 期末考试期末考试 4. 答疑：答疑：地点地点 时间时间 5. 作业作业 ： 每周三交作业每周三交作业 6. 考试成绩：考试成绩： 期末成绩期末成绩 90 % 平时成绩平时成绩 10 % 国内各种化工原理教材、习题（如华东理工、国内各种化工原理教材、习题（如华东理工、 天津大学等）均可作为

8、参考天津大学等）均可作为参考 专著：流体力学、传热学、传质学专著：流体力学、传热学、传质学 Chemical Engineering，T. M. Coulson Elsevier, 2008. Unit Operation of Chemical Engineering W.Mccabe Tc Smith Transport processes and unit operations Christic geen koplis 参考书目参考书目 1.应用应用 *测定压强、流速、流量测定压强、流速、流量 *流体输送流体输送(机械能衡算机械能衡算) *流动阻力流动阻力 *管路计算管路计算 *为强化设

9、备提供适宜的为强化设备提供适宜的 流动条件流动条件 2.理论基础理论基础 流体静力学、流体动力流体静力学、流体动力 学学 、动量传递、动量传递 煤气洗涤塔煤气洗涤塔 FIC Pi1 Pi2 3-3 2-20 1-1 0-0 本章主要内容本章主要内容 1.1 概述概述 1.1.1 流体及其特性流体及其特性 1、定义：、定义： 2、特征：、特征： 液体、气体液体、气体 运动过程中，具有流动性。运动过程中，具有流动性。 流体运动规律，与流体流动性密切相关。流体运动规律，与流体流动性密切相关。 流体质点流体质点 含大量分子的流体微团，具有流体宏观特性含大量分子的流体微团，具有流体宏观特性 分子自由程分

10、子自由程流体质点尺寸流体质点尺寸气体气体 * 影响因素影响因素- =f(T,P)=f(T,P) P：压力很高或很低时才有影响：压力很高或很低时才有影响 T：气体气体-T， ； 液体液体- T， 。 三、流体的粘度三、流体的粘度 dy du 混合物粘度按经验规则确定混合物粘度按经验规则确定(书书P11) (5) 混合物的粘度混合物的粘度-按经验规则确定按经验规则确定(书书P11) 按一定混合规则进行加和按一定混合规则进行加和 对于分子不聚合的混合液可用下式计算对于分子不聚合的混合液可用下式计算 iim xloglog 常压下气体混合物的粘度，可用下式计算常压下气体混合物的粘度，可用下式计算 5

11、. 0 5 . 0 My My i ii m 说明：不同流体的粘度差别很大。例如：说明：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为在压强为101.325kPa、温度为、温度为20的条件下，空气、水和的条件下，空气、水和 甘油的动力粘度和运动粘度分别为：甘油的动力粘度和运动粘度分别为： 空气空气 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s 水水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s 甘油甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s SI 单位制单位制 工程常用单位工程常用单位 粘度Pa.sP(泊) cP(厘泊) 运动粘度 v m2/sSt (斯)

12、 cSt(厘斯) 3、粘度的常用表示法、粘度的常用表示法 * (动力动力)粘度粘度 * * 运动粘度（运动粘度（动量扩散率动量扩散率）： 组合物性，在传递过程中常用组合物性，在传递过程中常用 单位及换算单位及换算 smmsmStcSt/./10101 2262 sPaPcP.10101 32 非牛顿型非牛顿型 不服从牛顿粘性定律不服从牛顿粘性定律 曲线不过原点或曲线不过原点或-du/dy 非线性非线性 a：表观粘度：表观粘度 如：高分子溶液，胶体等如：高分子溶液，胶体等 牛顿型牛顿型 服从牛顿粘性定律服从牛顿粘性定律 如：气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体如：气体及大多数低分子量液体是牛顿型

13、流体 常数 4、流体按粘度分类流体按粘度分类 牛顿型流体牛顿型流体 非牛顿型流体非牛顿型流体 粘塑性流体粘塑性流体 假塑性流体假塑性流体 胀塑性流体胀塑性流体dy du D 特点：剪切变稠特点：剪切变稠 如：胶体如：胶体 时， dy du B 特点：剪切变稀特点：剪切变稀 油漆、高分子化合物等油漆、高分子化合物等 时， dy du C 一定屈服应力后，一定屈服应力后， 牙膏、纸浆、污泥牙膏、纸浆、污泥 无关与 dy du 非牛顿型流体非牛顿型流体 0 du/dy 粘塑性流体粘塑性流体 假塑性流体假塑性流体 胀塑性流体胀塑性流体 C B A D A - -牛顿流体；牛顿流体； B - -假塑性流

14、体；假塑性流体； C - -宾汉塑性流体；宾汉塑性流体； D - -胀塑性流体；胀塑性流体； 牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系 1）爬杆现象）爬杆现象 2）无管虹吸）无管虹吸 3）减阻效应）减阻效应 (汤姆斯效应汤姆斯效应) 非牛顿型流体的几种特殊现象非牛顿型流体的几种特殊现象 (a) (b) (c) 用红墨水观察管中水的流动状态 1-4-2 流体流动类型流体流动类型 1、雷诺实验、雷诺实验 （1883年英国年英国Reynolds） 装置：稳态流动系统装置：稳态流动系统 目的：测流型目的：测流型 稳定流型：层流稳定流型：层流 湍流湍流 不稳定

15、流型：过渡流不稳定流型：过渡流 D B A C 墨水流线墨水流线 玻璃管玻璃管 雷诺实验雷诺实验 (a) (b) (c) 用红墨水观察管中水的流动状态 2、流动类型、流动类型 湍流：湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动主体做轴向运动，同时有径向脉动 特征：流体质点的脉动特征：流体质点的脉动 层流层流： * 流体质点做直线运动流体质点做直线运动 * 流体分层流动，流体分层流动， 层间不相混合、不碰撞层间不相混合、不碰撞 * 流动阻力来源于层间粘性摩擦力流动阻力来源于层间粘性摩擦力 过渡流：过渡流：不是独立流型（层流不是独立流型（层流+湍流），湍流）， 流体处于不稳定状态（易发生流型转变）流体处于

16、不稳定状态（易发生流型转变） 生产中，一般避免过渡流型下操作。生产中，一般避免过渡流型下操作。 3、划分流型的意义、划分流型的意义 指导传递过程（动量、热量、质量传递）指导传递过程（动量、热量、质量传递） 例：例：1）对传递过程影响）对传递过程影响 层流：分子扩散，传递速度慢层流：分子扩散，传递速度慢 湍流：分子扩散湍流：分子扩散+涡流扩散，传递速度快涡流扩散，传递速度快 2） 分析流动阻力分析流动阻力 层流层流 ：流体粘滞力（牛顿粘性定律适用）：流体粘滞力（牛顿粘性定律适用） 湍流：总阻力湍流：总阻力=粘性阻力粘性阻力+湍流阻力湍流阻力 牛顿粘性定律不适用牛顿粘性定律不适用 3）指导工业生产

17、过程）指导工业生产过程 湍流时传热、传质，湍流时传热、传质， 代价：代价： 工业上，工业上， 传递阻力传递阻力，强化过程。，强化过程。 流动阻力流动阻力，动力消耗，动力消耗。 综合考虑，找到最经济、最优化的方案。综合考虑，找到最经济、最优化的方案。 4、影响流型的因素、影响流型的因素 流型流型= f（物性、流速、壁面几何尺寸）（物性、流速、壁面几何尺寸） 壁面几何尺寸：管道壁面几何尺寸：管道-直径直径d 平壁平壁-壁面长度壁面长度L 物性：物性：- - - 流速流速 ： 时，湍动程度 时，湍动程度 时，湍动程度u 判据判据：（圆形直管中的流动）：（圆形直管中的流动） 层流层流 湍流湍流 过渡流

18、过渡流(不稳定不稳定) 5、流型判据、流型判据 问题：是否流速大，湍流；流速小，层流？问题：是否流速大，湍流；流速小，层流？ du Re dG 扰动）粘滞力（ 扰动惯性力 )( 2 d u uRe 2000 e R 4000 e R 40002000 e R 单位：无因次数群，使用时注意各参数单位统一单位：无因次数群，使用时注意各参数单位统一 物理意义：惯性力与粘性力的比值物理意义：惯性力与粘性力的比值 雷诺数雷诺数(Reynolds) （1）剪应力分布（适用于层流和湍流）剪应力分布（适用于层流和湍流） rlrprp2 2 2 2 1 )( 2 21 pp l r 1.4.3 直圆管内流体的流

19、动直圆管内流体的流动 目的目的：研究流速分布、剪应力分布研究流速分布、剪应力分布 稳态流动稳态流动: 整理得：整理得： 适用于层流或湍流适用于层流或湍流 l d r R uy 流体在圆管中速度分布曲线的推导 p1 p2 h1 h2 )( 2 21max pp l R 管中心）(0r 管壁）(Rr 0 剪应力分布剪应力分布 max )( 2 21 pp l r dr dur rdrpp l dur)( 2 1 21 0, r uRr )( 4 22 21 rR l pp ur （2） 层流的速度分布层流的速度分布 流体在圆管内分层流动示意图流体在圆管内分层流动示意图 可见，层流流动的速度分布为一

20、抛物线；可见，层流流动的速度分布为一抛物线； 壁面处速度最小，壁面处速度最小，u uR R=0=0 管中心处速度最大管中心处速度最大 )1 ( 4 2 2 2 21 R r R l pp ur 2 21 max 4 R l pp u 或或 Re2000 u umax d 层流时流体在圆管中的速度分布层流时流体在圆管中的速度分布 1、层流流动、层流流动 1）剪应力）剪应力分布（分布（P34） 线性分布线性分布 r = R (壁面) ， r = 0 (管中心) ， max 0 1-4-3 圆直管内流体的流动圆直管内流体的流动 目的目的：研究流速分布、剪应力分布 2）速度分布（速度分布（P35） )

21、( 2 21 pp L r )1 ( 4 2 2 2 21 R r R L pp ur r 处，半径 层流流动的速度分布为一抛物线； r = R (壁面) , r = 0 (管中心) , max , 0u 0, max uumax 2 1 uu 2）湍流条件的速度分布）湍流条件的速度分布 湍流特征：湍流特征： 速度描述：速度描述： 质点的脉动质点的脉动 AAA uuu 脉动速度时均速度即：瞬时速度 脉动速度数值随机，无法用数学式表达脉动速度数值随机，无法用数学式表达 湍流：不符合牛顿粘性定律湍流：不符合牛顿粘性定律 动量传递是分子扩散和涡流扩散共同作用动量传递是分子扩散和涡流扩散共同作用 dy

22、 du e )( ：涡流粘度 e 不是流体的物性参数，与流动状况密切相关不是流体的物性参数，与流动状况密切相关 Re 4 0 0 0 um a x ur u r R d 湍 流 时 流 体 在 圆 管 中 的 速 度 分 布 2）湍流速度分布）湍流速度分布 获得方法：实验测定、经验公式获得方法：实验测定、经验公式 （P38） 特点：径向速度分布较平均，特点：径向速度分布较平均， 速度梯度分布不均匀。速度梯度分布不均匀。 湍流湍流 层流层流 max 2 1 uu 82. 0 max u u 常用指数分布公式常用指数分布公式： 其中， n r R r u u )1 ( max )( e Rfn 7

23、1102 . 3101 . 1 65 nRe时，： （常用公式）82. 0 max u u 1动能校正因子动能校正因子 rdru R dAu A u rrav 2 11 2 max 2 1 uu av 2 21 8 R l pp 0 .221 8 3 0 2 23 3 rdr R r RSu dsu R av r (1 2 max ） R r uur 因此因此 动能校正因子：动能校正因子： max uuav和 说明：圆管内层流流动时的几个重要关系说明：圆管内层流流动时的几个重要关系 壁面剪应力与平均流速间的关系壁面剪应力与平均流速间的关系 d l pp pp l R w 4 )( 2 21 2

24、1 d u R u avav w 84 2 21 8 R l pp uav 故：故： u/umax Re Remax 106105104103102107 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 106105104103102107 书书P39 图图1.4.12：给出算图，精确计算：给出算图，精确计算 坐标：坐标：uRe maxmax, uRe 问题：求平均流速的方法问题：求平均流速的方法 1、速度分布未知、速度分布未知 2、速度分布已知、速度分布已知 S q u V （层流） max 5 . 0 uu （湍流） max 82. 0uu 提出问题提出问题? 作业：作业：P85 13、15、16

25、、18、 FIC Pi1 Pi2 00 1 2 33 1、流体静力学方程；、流体静力学方程； 2、倾斜管道中、倾斜管道中U形压差计测压公式；形压差计测压公式； 3、柏努利方程；、柏努利方程； 4、实际流体机械能衡算式；、实际流体机械能衡算式； 5、计算泵的有效功率、轴功率；、计算泵的有效功率、轴功率； 6、如图，计算泵出口阀的压力，可以怎样、如图，计算泵出口阀的压力，可以怎样 选取截面列方程选取截面列方程 7、下面在、下面在1，1与与2，2截面间列方程是否正截面间列方程是否正 确，请改正？确，请改正？ 8、书、书P87第第10题题 21 2 11 1 2 22 2 22 R uP gZWe u

26、P gZ 1、流动阻力产生的外因和内因、流动阻力产生的外因和内因 判断：判断：* 牛顿型流体层流时所受的剪应力与法向牛顿型流体层流时所受的剪应力与法向 速度梯度成正比，与法向压力无关，其速度梯度成正比，与法向压力无关，其 粘度与法向速度梯度无关。粘度与法向速度梯度无关。 * 一般而言，气体比液体粘度小，且一般而言，气体比液体粘度小，且 随温度升高而增大。随温度升高而增大。 2、流动类型、判据、如何看待过渡流、湍流的、流动类型、判据、如何看待过渡流、湍流的 特征；特征； 稳定流型为层流和湍流，过渡流为不稳定流稳定流型为层流和湍流，过渡流为不稳定流 型，设计时应避免。流体质点的脉动型，设计时应避免

27、。流体质点的脉动 提出问题提出问题? 1.4 流体流动阻力流体流动阻力 3、强化传递过程的流动条件及其代价。、强化传递过程的流动条件及其代价。 提出问题提出问题? 湍流时传热、传质，传递阻力湍流时传热、传质，传递阻力，强化过程。，强化过程。 代价：代价： 流动阻力流动阻力，动力消耗，动力消耗。 工业上，综合考虑，找到最经济、最优化的方案。工业上，综合考虑，找到最经济、最优化的方案。 1.剪应力剪应力分布（分布（P31） 对流体做受力分析得到对流体做受力分析得到 线性分布线性分布, 适用于层流及湍流适用于层流及湍流 r = R (壁面壁面) ， r = 0 (管中心管中心) ， max 0 1.

28、4.3 圆直管内流体的流动圆直管内流体的流动 目的：研究流速分布、剪应力分布目的：研究流速分布、剪应力分布 2.速度分布（速度分布（P32） 1) 层流流动层流流动 )( 2 21 pp L r )1 ( 4 2 2 2 21 R r R L pp ur r 处，半径 抛物线抛物线 r = R (壁面壁面) , r = 0 (管中心管中心) , max , 0u 0, max uu max 2 1 uu 2）湍流条件的速度分布）湍流条件的速度分布 湍流特征：湍流特征： 速度描述：速度描述： 质点的脉动质点的脉动 AAA uuu 脉动速度时均速度即：瞬时速度 脉动速度数值随机，无法用数学式表达脉

29、动速度数值随机，无法用数学式表达 湍流：不符合牛顿粘性定律湍流：不符合牛顿粘性定律 动量传递是分子扩散和涡流扩散共同作用动量传递是分子扩散和涡流扩散共同作用 dy du e )( ：涡流粘度 e 不是流体的物性参数，与流动状况密切相关不是流体的物性参数，与流动状况密切相关 Re 4 0 0 0 um a x ur u r R d 湍 流 时 流 体 在 圆 管 中 的 速 度 分 布 2）湍流速度分布）湍流速度分布 获得方法：实验测定、获得方法：实验测定、 经验公式经验公式 （P34-35） 特点：径向速度分布较平均，特点：径向速度分布较平均， 速度梯度分布不均匀。速度梯度分布不均匀。 湍流湍

30、流 层流层流 max 2 1 uu 82. 0 max u u 常用指数分布公式：常用指数分布公式： 其中，其中， n r R r u u )1 ( max )( e Rfn 71102 . 3101 . 1 65 nRe时，： （常用公式）82. 0 max u u 书书P39 图图1.4.12：给出算图，查取平均流速：给出算图，查取平均流速 坐标：坐标：uRe maxmax, uRe 问题：求平均流速的方法问题：求平均流速的方法 1、速度分布未知、速度分布未知 2、速度分布已知、速度分布已知 S q u V （层流） max 5 . 0 uu 提出问题提出问题? （常用公式）82. 0 m

31、ax u u 边界层的产生边界层的产生 发展发展 分离分离 研究边界层目的研究边界层目的- 指导流动阻力的研究与计算指导流动阻力的研究与计算 1-4-4 边界层的概念边界层的概念 流动边界层流动边界层- 靠近固体壁面处，很薄的流体层靠近固体壁面处，很薄的流体层 本节主要内容本节主要内容- * 平板上平板上 * 圆管中圆管中 1、平板上流体的流动边界层、平板上流体的流动边界层 1）边界层的形成）边界层的形成 边界层理论是边界层理论是1904年普朗特提出年普朗特提出 边界层厚度边界层厚度 例：例： 20C的空气以的空气以10m/s流过平板时，在距离平板前流过平板时，在距离平板前 缘缘100mm处，

32、边界层厚度约为处，边界层厚度约为1.8mm uuu 层流边界层层流边界层 湍流边界层湍流边界层 层流内层层流内层 A x0 平板上的流动边界层平板上的流动边界层 uu99. 0 uuu 层流边界层层流边界层 湍流边界层湍流边界层 层流内层层流内层 A x0 平板上的流动边界层平板上的流动边界层 1、平板上流体的流动边界层、平板上流体的流动边界层 产生流动阻力认为是实际流体流动 ， , 0/ 0, 0 dydp dydu 无流动阻力看作是理想流体流动 ， , 0 0 dyduuuy x 00 x uy、 * 边界层外，边界层外， 0 uuy x ， * 壁面处，壁面处， 边界层意义：边界层意义：

33、 流动阻力及速度梯度，主要集中在边界层内流动阻力及速度梯度，主要集中在边界层内 边界层内，边界层内， 2） 边界层的发展边界层的发展 层流边界层层流边界层 湍流边界层湍流边界层 湍流边界层：湍流边界层： 湍流中心湍流中心 过渡层过渡层 层流内层层流内层 层流内层层流内层 层流内层很薄，但对传递过程影响很大；层流内层很薄，但对传递过程影响很大； 传递阻力，主要集中于层流内层中；传递阻力，主要集中于层流内层中； 湍动湍动，层流内层厚度，层流内层厚度，传递阻力传递阻力。 u u u 层流边界层层流边界层 湍流边界层湍流边界层 层流内层层流内层 A x0 平板上的流动边界层平板上的流动边界层 对平板对

34、平板，层流，层流 湍流的临界雷诺数湍流的临界雷诺数 v xu x Re 40002000Re 问题：问题： 圆直管内，流型判断圆直管内，流型判断 3） 边界层厚度边界层厚度 层流边界层，层流边界层， 湍流边界层，湍流边界层， 5 . 0 Re 64. 4 x x 8 . 0 Re 376. 0 x x 65 102105 xu 流动状态描述：流动状态描述： X：特征尺寸：特征尺寸 平板平板- 离开平板前沿的距离离开平板前沿的距离 l 圆管圆管- 直径直径d xu Re u uu uu x0 d 圆管进口处层流边界层的发展 2、圆形直管内的流动边界层、圆形直管内的流动边界层 问题问题：与平板流动

35、边界层的区别与平板流动边界层的区别 （1）边界层从）边界层从 壁面壁面 管中心管中心 发展；发展； （2）存在进口段（正在发展的边界层）存在进口段（正在发展的边界层） 问题问题：进口段对参数测量有何影响进口段对参数测量有何影响 测量参数时，应避开进口段。 u uu uu x0 d 圆管进口处层流边界层的发展 （3）稳定管段稳定管段 * 边界层充分发展后，在管中心处汇合边界层充分发展后，在管中心处汇合 * 截面上各点截面上各点、du/dydu/dy不再变化不再变化 * 稳定管段中，所有流体都处在边界层内稳定管段中，所有流体都处在边界层内 * 管内流动状态管内流动状态-取决于汇合点处流动状态取决于

36、汇合点处流动状态 * 稳定管段中边界层最大厚度稳定管段中边界层最大厚度-管道半径管道半径 dxent)10050(工程观点： e ent R d x 0575. 0 dxent50 进口段长度：层流，进口段长度：层流， 湍流，湍流， 层流时层流时 湍流时湍流时 不管层流还是湍流不管层流还是湍流，边界层厚度等于圆管半径。边界层厚度等于圆管半径。 充分发展的流动：充分发展的流动： (a）当流速较小时）当流速较小时 流体贴着固体壁缓慢流过 (爬流)。 流动边界层的分离流动边界层的分离 流体绕固体表面的流动。 (b) 流速不断提高，达到某一程度时，边界层分离流速不断提高，达到某一程度时，边界层分离。

37、指：指：流体流过曲面时，由于流道形状的改变，造成流体边界层脱 离壁面的现象。边界层分离产生形体阻力 BA ，顺压梯度、减小至、增加至0/xpppuu BAB ，逆压梯度、增加至、减小至0/xpppuu CBCB CB (c)边界层分离的条件边界层分离的条件 逆压梯度，流体动能耗尽逆压梯度，流体动能耗尽 壁面附近的粘性摩擦壁面附近的粘性摩擦 流体流过单球体 2）分离对流动的影响）分离对流动的影响 产生形体阻力，产生形体阻力， 使流动阻力损失使流动阻力损失。 形体阻力形体阻力 * 由于边界层分离，由于边界层分离， 造成的能量损失。造成的能量损失。 * 化工管路中常见，化工管路中常见， 如弯管、阀门

38、处如弯管、阀门处 形体阻力形体阻力直管阻力直管阻力 减少形体阻力的方法减少形体阻力的方法- 流线形、导向板流线形、导向板 如汽车、飞机、桥墩都是流线型 时，发生分离1210 x x p RkgJ / gRhf 液柱mNJ/ Rpf 3 /mJ 流体流动，流体有粘度 边界层理论 计算流动阻力的公式 1.4.5 流体流动阻力的计算流体流动阻力的计算 小结流体流动阻力：小结流体流动阻力： 产生原因产生原因： 重要理论重要理论： 本节介绍：本节介绍： 1、流体阻力的三种表示方法、流体阻力的三种表示方法 Ru p gzWu p gz e 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 的区别与问题：pp

39、 f ：阻力损失的一种表示 f p ：任意两点间的压力差p 2、总阻力、总阻力 直管阻力（粘滞力引起） 局部阻力（形体阻力） 总阻力总阻力=直管阻力直管阻力+局部阻力局部阻力 FIC Pi1 Pi2 一、圆形直管内的阻力损失一、圆形直管内的阻力损失 1、范宁公式范宁公式 公式推导：公式推导： 稳态流动流体 作受力分析 d l gzz pp w 4 )( 21 21 因此， 0 fGP FFFF AppFP)( 21 压力差： cos VG gpF重力：)( 21 zzgA dlF wf 剪应力： up 1 p 2 1 1 2 2 F F d d 直圆管内阻力公式 对比机械能衡算方程： Rgzz

40、 pp )( 21 21 d l R w 4 所以， 2 8 2 2 u d l u R w 改写为： 2 8 u w 令： 2 2 u d l R 范宁公式： g u d l h f 2 2 2 2 u d l p f 其它形式： 2、几点讨论、几点讨论 1）适用范围）适用范围 圆形直管，对管的位置、流型无要求 2）特例）特例： * 水平管中范宁公式的形式水平管中范宁公式的形式 2 2 u d l pp f 水平管， Rgzz pp )( 21 21 水平管中压差计读数 R， 直接反映管段阻力损失，也即压力差直接反映管段阻力损失，也即压力差 水平等径管 gRppp)( 21 2）特例）特例：

41、 * 变径管中范宁公式的使用变径管中范宁公式的使用 必须按照不同管径，分别使用 gRzzgpp)()()( 2121 由静力学： 提出问题提出问题? Ruugzz pp )( 2 )( 2 2 2 121 21 由动力学： 变径管中，压差计读数 R反映的信息 反映管段的总势能差、或者阻力损失与动能差反映管段的总势能差、或者阻力损失与动能差 倾斜变径管 2 2 u d l R 范宁公式： )( 2 )()( 2 1 2 2 21 uup gzgzpp f BA 静静 动动 R 倾斜等径管倾斜等径管倾斜变径管倾斜变径管 水平变径管水平变径管 2、不同管道中压差计读数、不同管道中压差计读数R反映的信

42、息反映的信息 gR pp BA )( fBA ppp )( 2 2 1 2 2 uup pp f BA gR pp BA )( f BA p gzgzpp )()( 21 gR gzgzpp BA )( )()( 21 gR gzgzpp BA )( )()( 21 )( 2 )()( 2 1 2 2 21 uup gzgzpp f BA 水平等径管水平等径管 压差及压差及 流动阻力流动阻力 压差压差流动阻力流动阻力 不直接反映压差不直接反映压差 及流动阻力及流动阻力 书书P77 第第10题题 重新分析重新分析 1、倾斜变为水平后，各种能量有何变化？ 2、考虑阻力损失时，结果又怎样？ 3、摩擦

43、系数、摩擦系数 1）层流）层流 代入范宁公式： e Rdu u6464 2 2 8 u w ) 8 ( d u w ),(udf 2 2 u d l pf 2 2 2 32 2 64 d luu d l du u 2 2 u d l R 范宁公式： 2 32 d lu p f 哈根哈根-泊谡叶方程泊谡叶方程 用于层流， up f 2 1 dp f p1 p2 流过突出物前后的压力分布 2）湍流条件下的摩擦系数）湍流条件下的摩擦系数 影响因素复杂，一般由实验确定。 影响因素影响因素： 利用量纲分析法： ),(udf mm：管壁绝对粗糙度， 湍流湍流的获得方法：的获得方法： * 摩擦因子图（莫狄图

44、）摩擦因子图（莫狄图） 书P47 图1.4.18 坐标坐标：双对数坐标 ),( d Re ：管壁相对粗糙度d 摩擦系数与Re、/l关系图 0.1 0.01 0.03 0.02 0.07 0.06 0.05 0.04 0.09 0.08 0.008 0.009 102104 107106105 103 0.01 0.05 0.02 0.015 0.03 0.04 0.008 0.0045 0.002 0.0008 0.006 0.0006 0.001 0.0004 0.0002 0.0001 0.00005 0.00001 Re e/l 根据实验，得到莫狄（Moody）摩擦系数图。 ),( d

45、Re e R64 )( d u d lu pf 2 32 2 2 2 u u d l p f 摩擦因子图（莫狄图）摩擦因子图（莫狄图） 分四个区域分四个区域： 层流区层流区 过渡流区过渡流区 e R642000 e R 40002000 e R 4000 e R ),( d Re )( d 完全湍流区完全湍流区 (阻力平方区) 工程操作及设计时常用 2 2 2 u u d l p f 不完全湍流区不完全湍流区 问题问题：1、过渡流，按哪种流型查、过渡流，按哪种流型查 按湍流查，安全系数大； 2、对待过渡流的工程观点、对待过渡流的工程观点 工程设计时，避免过渡流（不稳定） 湍流区湍流区 u d

46、lu pf 2 32 湍流湍流的获得方法：的获得方法： * * 计算计算公式公式 可参考有关资料，如书 P47-48。 粗糙度粗糙度对对的影响的影响 书书P48 层流时， 湍流时， 高度湍流时， 获得方法获得方法：查手册（书P47 表1.4.1） e R64 ),)(,(ddRe ),)(dd 对无影响。 二、流体在非圆形直管中的流动阻力二、流体在非圆形直管中的流动阻力 1、计算方法：、计算方法：实验归纳法 写成范宁公式的形式 2 2 u d l R e 当量直径当量直径 非圆管阻力非圆管阻力： 润湿周边长度 流通截面积 4 e d L S4 )(4水力半径 H r 2 2 u d l R e

47、 3）用于求摩擦系数 层流层流： （C取值，P50表1.4.2） ude Re e R C 湍流湍流：可查莫狄图 （计算时，把Re中dde） 2、当量直径的用途、当量直径的用途 1）计算阻力损失 2）计算非圆管中的Re，判断流型 非圆管中非圆管中， 2 2 u d l R e 3、几种常见流道的当量直径、几种常见流道的当量直径 1）圆管）圆管 2）矩形流道）矩形流道 3）环形流道）环形流道 d d d de 2 4 4 ba ab ba ab de 2 )(2 4 dD dD dD de )( )( )4( 4 22 4）三角形流道）三角形流道 d dt 2 1 ) 84 3 (4 22 d

48、dt 22 32 三、局部阻力三、局部阻力 指：指： 产生原因产生原因： 计算方法计算方法： 管件、阀门、测量接口、管进出口段 形体阻力 实验，归纳出经验公式 方法：把局部阻力折合成直管阻力 le：当量长度 其它参数：取直管数值 le 数据见P51-54 2 1 2 u d l R e 、当量长度法： FIC Pi1 Pi2 获得获得：见有关资料。书P51-53 特例特例：1、突然扩大、突然扩大 2、突然缩小、突然缩小 2 2 2 u R 、局部阻力系数法： 0 . 1 5 . 0 2 ) 5 . 0( 2 1 2 2 2 221 u d l ugzgz 管口内 管口外 2 ) 0 . 15

49、. 0( 2 2 21 u d l gzgz a ppu 22 , 0 a ppu 22 , 0 注意：选在管口内外压力相同注意：选在管口内外压力相同 根据实际情况选择管口内、外根据实际情况选择管口内、外 问题：问题：1、等径管总阻力计算、等径管总阻力计算 2 )( 2 u d ll R e g u d ll h e f 2 )( 2 2 )( 2 u d ll p e f 四、系统的总阻力四、系统的总阻力 系统总阻力系统总阻力=系统各直管阻力系统各直管阻力+局部阻力局部阻力 FIC Pi1 Pi2 20 C ccu、选在管口外， 管道内流速选在管口内，、 C ucc1 2、变径管总阻力计算、变径管总阻力计算 变径管变径管d,u,不同，需分段计算阻力不同，需分段计算阻力 例例：从A-C做衡算 BCABAC RRR其中， 2 2 A A AB AAC u d l R 2 5 . 0 2 C u 2 )( 2 21 C C BC C u d l AC C C CeA A A Ru p gzWu p gz 22 2 1 2 1 2 2 A A AB AAC u d l R 2 ) 0 . 1( 2 21 C C BC C u d l 三角形流道的当量直径三角形流道的当量直径 d dt 2 1 ) 84 3 (4 22 d dt 22 32 提出问题提出问题? 作业：作业：P80 24、