食品工程原理(全套课件366P).ppt

1、食品工程原理绪论Vm 以农林牧渔等行业的动以农林牧渔等行业的动植物产品为原料，进行一系列物植物产品为原料，进行一系列物理、化学、生物等方法的加工处理、化学、生物等方法的加工处理，制成人类及其生物类所需食理，制成人类及其生物类所需食用和饮用必需品的工业称为用和饮用必需品的工业称为食品食品工业工业，其生产加工过程称为，其生产加工过程称为食品食品工程工程。食品工程学科的技术基础。食品工程学科的技术基础理 论 就 是理 论 就 是 食 品 工 程 原 理食 品 工 程 原 理 。 食品工业原料广，产品种类多，食品工业原料广，产品种类多，是不断提高人们生活水平和推进农牧是不断提高人们生活水平和推进农牧业

2、产业化进程的一门新兴工业。业产业化进程的一门新兴工业。 食品加工科学化进展的一个重食品加工科学化进展的一个重要方面是在食品加工领域引入和应用要方面是在食品加工领域引入和应用了化工单元操作过程，它促使食品工了化工单元操作过程，它促使食品工业朝着大规模、连续化、自动化的工业朝着大规模、连续化、自动化的工业生产方向发展。业生产方向发展。 一、食品工程与单元操作一、食品工程与单元操作 将食品加工与化工单元操作将食品加工与化工单元操作过程科学而巧妙地结合起来，形成了过程科学而巧妙地结合起来，形成了食品科学与工程学科，食品工程的基食品科学与工程学科，食品工程的基础之一就是单元操作础之一就是单元操作食品加工

3、过食品加工过程中普遍采用的、操作原理相同、设程中普遍采用的、操作原理相同、设备相近、具有相同作用的一些物理性备相近、具有相同作用的一些物理性典型操作过程。典型操作过程。 本课程研究对象本课程研究对象: :食品加工过食品加工过程中单元操作的基本原理及其典型设程中单元操作的基本原理及其典型设备。备。二、食品工程原理课程的内容二、食品工程原理课程的内容 食品加工过程的操作目的主要包括：食品加工过程的操作目的主要包括：1 1、物料的粉碎、混合与输送；物料的粉碎、混合与输送；2 2、物料物理状态的改变；物料物理状态的改变；3 3、混合物料的分离。混合物料的分离。 食品加工过程的单元操作过程有十食品加工过

4、程的单元操作过程有十几种，根据其发生过程的本质和遵循的几种，根据其发生过程的本质和遵循的物理共性，按照其理论基础和特有的规物理共性，按照其理论基础和特有的规律分为：律分为：1 1、动量传递过程动量传递过程：讨论流体流动或流体与相接触的固体间发生：讨论流体流动或流体与相接触的固体间发生相对运动时的基本规律，及受其支配的若干单元操作过程。相对运动时的基本规律，及受其支配的若干单元操作过程。2 2、热量传递过程热量传递过程：研究传热过程的基本规律，及受其支配的若：研究传热过程的基本规律，及受其支配的若干单元操作过程。干单元操作过程。3 3、质量传递过程质量传递过程：探讨物质在相内和相间扩散迁移过程的

5、基本：探讨物质在相内和相间扩散迁移过程的基本规律，及受其支配的若干单元操作过程。规律，及受其支配的若干单元操作过程。 上述三种传递过程既有联系又有区别，而且可能同时上述三种传递过程既有联系又有区别，而且可能同时出现相互影响。食品工程原理课程的主要内容就是讨论动、出现相互影响。食品工程原理课程的主要内容就是讨论动、热、质量三种传递过程的基本规律，及受其支配的单元操作热、质量三种传递过程的基本规律，及受其支配的单元操作过程的原理、过程计算及其典型设备。过程的原理、过程计算及其典型设备。三、食品工程原理课程的性质和任务三、食品工程原理课程的性质和任务 讨论单元操作过程进行的基本原理、基本条讨论单元操

6、作过程进行的基本原理、基本条件、能量之间的关系、影响因素等，为一门件、能量之间的关系、影响因素等，为一门技术基础技术基础课课( (属于工程学科，具有工程性和实用性属于工程学科，具有工程性和实用性) )。 课程的主要任务是：课程的主要任务是：（1 1）掌握单元操作过程的基本原理，并能进行过程的）掌握单元操作过程的基本原理，并能进行过程的选择和计算；选择和计算；（2 2）据生产过程需要，进行设备工艺尺寸的计算和选）据生产过程需要，进行设备工艺尺寸的计算和选型；型；（3 3）依生产过程的不同要求进行操作和调节、控制；）依生产过程的不同要求进行操作和调节、控制；（4 4）掌握强化过程的途径，提高过程和

7、设备的生产能）掌握强化过程的途径，提高过程和设备的生产能力、效率。力、效率。四、学习本课程的基础四、学习本课程的基础 单元操作过程按操作方式的不同分为：单元操作过程按操作方式的不同分为：间歇操作过程间歇操作过程特点特点: :所有的工作步骤在同一位置而在不同所有的工作步骤在同一位置而在不同时间内完成；时间内完成；连续操作过程连续操作过程特点特点: :所有的工作步骤在同一时间而在不同所有的工作步骤在同一时间而在不同位置上完成。位置上完成。为进行过程和设备的计算，需要用到以下基础：为进行过程和设备的计算，需要用到以下基础：物料衡算物料衡算 热量衡算热量衡算物系的动平衡物系的动平衡 过程速率过程速率第

8、一章 流体流动 流体流体-液体和气体的通称。液体和气体的通称。流体特性：流动性、可压缩性、粘性等。流体特性：流动性、可压缩性、粘性等。食品加工过程所处理的原辅料、半成品、产品，很大一部分食品加工过程所处理的原辅料、半成品、产品，很大一部分以流体状态存在，操作过程往往是在流动条件下进行。因此以流体状态存在，操作过程往往是在流动条件下进行。因此流体的输送、流动的状态、流量的控制、过程进行的程度、流体的输送、流动的状态、流量的控制、过程进行的程度、操作效率等都与流体的流动有关，操作效率等都与流体的流动有关，本章讨论流体流动的基本本章讨论流体流动的基本原理，重点流体在管内流动时的规律及其应用。原理，重

9、点流体在管内流动时的规律及其应用。 讨论前提：流体为连续介质。讨论前提：流体为连续介质。 Vm 第一节第一节 流体静力学原理流体静力学原理 作用于流体的力可以分为：作用于流体的力可以分为：（1 1）质量力质量力作用于流体质点上的一种非接触力，与其质量作用于流体质点上的一种非接触力，与其质量成正比；成正比；（2 2）表面力表面力作用于流体表面上的一种接触力，与其接触面作用于流体表面上的一种接触力，与其接触面积成正比。垂直作用于流体表面上的接触力称为积成正比。垂直作用于流体表面上的接触力称为压力压力，平行，平行作用于流体表面上的接触力称为作用于流体表面上的接触力称为剪力剪力。 力与流体的某些物理性

10、质、运动状态有关。力与流体的某些物理性质、运动状态有关。流体静力学研究流体在外力作用下处于相对静止状态时的平流体静力学研究流体在外力作用下处于相对静止状态时的平衡规律，衡规律，在重力场中，讨论静止流体内部压力的分布规律。在重力场中，讨论静止流体内部压力的分布规律。 一、流体的密度一、流体的密度 = = （kg/mkg/m3 3）是物性参数之一，是物性参数之一， =f=f（种类、（种类、T T、p p）。）。1 1、液体的密度液体的密度 =f=f（种类、（种类、T T） ，纯液体或混，纯液体或混合液体的密度可查取，混合液体的密度也合液体的密度可查取，混合液体的密度也可用近似公式计算。可用近似公式

11、计算。2 2、气体的密度气体的密度 =f=f（种类、（种类、T T、p p） ，纯气体的，纯气体的密度可从有关手册查取，对于理想气体的密度可从有关手册查取，对于理想气体的密度计算式密度计算式: :Vm = 混合气体的密度也可以用上面公式计算，混合气体的密度也可以用上面公式计算，用用M Mm m代替代替M M即可。即可。 3 3、与密度有关的物理量：、与密度有关的物理量：相对密度（比重）相对密度（比重） 比容比容注意密度的大致范围注意密度的大致范围RTpM二、流体的压强二、流体的压强 垂直作用于流体单位面积上的力垂直作用于流体单位面积上的力称为流体的压强，俗称为压力，即：称为流体的压强，俗称为压

12、力，即： p=p=1 1、流体静压强的特性：、流体静压强的特性：压强的方向压强的方向与作用面垂直并指向作用面；与作用面垂直并指向作用面；在静在静止流体内部，任一点处流体静压强在止流体内部，任一点处流体静压强在各个方向上都相等。各个方向上都相等。AF2 2、压强的单位、压强的单位 SISI单位单位N/mN/m2 2，称帕斯卡，符号，称帕斯卡，符号PaPa。 1atm1atm=1=1033kgf/cm033kgf/cm2 2=760mmHg=760mmHg =10.33 =10.33mHmH2 2O O=1=10133013310105 5Pa=1Pa=10133bar0133bar 1at 1a

13、t=1kgf/cm=1kgf/cm2 2=735=7356mmHg=10mH6mmHg=10mH2 2O=9O=9818110104 4Pa=0Pa=0981bar981bar 3 3、压强的表示方法、压强的表示方法 大气压强，符号大气压强，符号papa，简称，简称大气压大气压。（1 1）绝对压强）绝对压强 以绝对零压计算的压强以绝对零压计算的压强(p)(p)（2 2）相对压强）相对压强 : :以当地大气压强为基准用测压仪表测出的压强，以当地大气压强为基准用测压仪表测出的压强，分为表压强分为表压强p pg g 和真空度和真空度p pvmvm。 其中：其中： p pg g = p = p p p

14、a a p pvmvm = p = pa a p p注意：注意：p pg g 、p p、p pa a、p pvmvm 的范围，而且的范围，而且p pvmvm = = p pg g p p p pg g p pvmvm P P三、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式1 1、流体静力学基本方程式：、流体静力学基本方程式： p p2 2 = p = p1 1 ghgh2 2、流体静力学基本方程式反映出：、流体静力学基本方程式反映出： （1 1）当）当p p1 1一定时，静止液体内部一定时，静止液体内部任一点处压强任一点处压强p p2 2只与其只与其和和h h有关，有关，而与容器的形状无关。在

15、而与容器的形状无关。在静止、连续静止、连续的的同一液体同一液体中，处于中，处于同一水平面同一水平面上的上的各点压强都相等，称为各点压强都相等，称为等压面。等压面。 （2 2）如果）如果p p1 1发生变化时，发生变化时，p p2 2也发也发生同样大小的变化，说明压强具有传生同样大小的变化，说明压强具有传递性。递性。（3 3）压强或压强差可用液体柱高度表）压强或压强差可用液体柱高度表示：示： h=h=（4 4）对气体，密度很小，当）对气体，密度很小，当h h不大时，不大时，可近似认为可近似认为p p2 2 = p = p1 1。（5 5）其它形式及扩展：）其它形式及扩展： gpp122211Zg

16、pZgp四、流体静力学基本方程式的应用四、流体静力学基本方程式的应用 1 1、压强或压强差的测量、压强或压强差的测量 解题步骤：选等压面；在等解题步骤：选等压面；在等压面上列流体静力学基本方程式；解方程式。压面上列流体静力学基本方程式；解方程式。 （1 1）U U型管压差计型管压差计（2 2）微差压差计）微差压差计 （3 3）斜管压差计）斜管压差计 2 2、液位的测量与控制、液位的测量与控制3 3、液封高度的计算、液封高度的计算 第二节第二节 管内流体流动的基本规律管内流体流动的基本规律 流体在管内沿轴向流动时，可按一维流动处理，且所取截流体在管内沿轴向流动时，可按一维流动处理，且所取截面与流

17、动方向垂直。面与流动方向垂直。一、流量和流速（描述流动过程的操作参数）一、流量和流速（描述流动过程的操作参数）1 1、流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量，反映流过流、流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量，反映流过流体的多少。具体分为：体的多少。具体分为：体积流量体积流量q qv v单位时间内流过管道任一截面流体的体积数，单位时间内流过管道任一截面流体的体积数，m m3 3/s/s。质量流量质量流量q qm m单位时间内流过管道任一截面流体的质量数，单位时间内流过管道任一截面流体的质量数，kg/skg/s。 q qm m = q = qv v2 2、流速：、流速：单位时间流体在流动方向

18、上流过的距离，反映单位时间流体在流动方向上流过的距离，反映流动的快慢，常用均值（流动的快慢，常用均值（m/sm/s） ： （m m3 3/m/m2 2s s） 对气体，体积流量随对气体，体积流量随T T、p p变化，导致流速发生变化，变化，导致流速发生变化，计算时常常采用质量流速计算时常常采用质量流速G G表示：表示： G = = u G = = u （kg/mkg/m2 2s s）AquvAqm3 3、圆管直径的选取、圆管直径的选取 d = d =方法：选择一个适宜的流速（见表方法：选择一个适宜的流速（见表1 11 1），计算出管内径，按照圆管的规格），计算出管内径，按照圆管的规格选 取 合

19、 适 的 管 子 （ 圆 管 规 格 表 示选 取 合 适 的 管 子 （ 圆 管 规 格 表 示1081084mm4mm）。）。 uqv4二、稳定流动和不稳定流动二、稳定流动和不稳定流动 在流动系统中，若在流动系统中，若任意截面上流体的流动参数任意截面上流体的流动参数（p p、u u、等）只随位置而变化，不随时间而变化的流动过等）只随位置而变化，不随时间而变化的流动过程，称为稳定流动。程，称为稳定流动。在流动系统中，若任意截面上流体的流动参数（在流动系统中，若任意截面上流体的流动参数（p p、u u、等）等）既随位置而变化，又随时间而变化的流动过程，称为不稳定既随位置而变化，又随时间而变化的

20、流动过程，称为不稳定流动。流动。 三、连续性方程式三、连续性方程式（描述管内流动的物料衡算式）（描述管内流动的物料衡算式） 在稳定流动系统中，取任意两截面之间进行流体的物料在稳定流动系统中，取任意两截面之间进行流体的物料衡算：衡算： 1 21 2 q qm1m1=q=qm2m2对于不可压缩流体，密度为常数，可得：对于不可压缩流体，密度为常数，可得： 称为称为连续性方程式，连续性方程式， 反映体积流量一定时，反映体积流量一定时， 流速与管内径的关系。流速与管内径的关系。 22112)(dduu四、柏努利方程式（管内流体流动的机械能衡算式）四、柏努利方程式（管内流体流动的机械能衡算式）1 1、理想

21、流体的机械能衡算式、理想流体的机械能衡算式 促使流体流动的能量称机械能促使流体流动的能量称机械能( (位能、动能、压强能位能、动能、压强能) )。 对理想流体（对理想流体（无粘性、压缩性，流动时无能量损无粘性、压缩性，流动时无能量损失失）的流动，任意两截面间流体的机械能守恒：）的流动，任意两截面间流体的机械能守恒： 称为理想流体的称为理想流体的柏努利（柏努利（BernoulliBernoulli）方程式，反映机械能的）方程式，反映机械能的守恒与转化。守恒与转化。 （J/kgJ/kg） 2222222111upgzupgz2 2、实际流体的机械能衡算式、实际流体的机械能衡算式 流体流动时，粘性的

22、存在产生摩擦使机械能不流体流动时，粘性的存在产生摩擦使机械能不守恒，其差值称为守恒，其差值称为机械能损失机械能损失，以，以hf hf （J/kgJ/kg）表）表示；为使流体流动，必须从外界示；为使流体流动，必须从外界补加机械能补加机械能w w（J/kgJ/kg），因此机械能衡算式为：），因此机械能衡算式为： （J/kgJ/kg） 称为实际流体的称为实际流体的柏努利（柏努利（BernoulliBernoulli）方程式，反映过程机械能的变化。方程式，反映过程机械能的变化。 fhupgzwupgz22222221113 3、柏努利方程式的应用、柏努利方程式的应用( (应用说明应用说明) )： （1

23、 1）是不可压缩流体稳定流动时的机械能衡算式，）是不可压缩流体稳定流动时的机械能衡算式，其中其中z z、u u、p p分别指分别指1kg1kg流体在两截面上的均值流体在两截面上的均值；hfhf 指指1kg1kg流体从流体从1 11 1面流到面流到2 22 2面过程面过程累积的能累积的能量消耗之和量消耗之和；w w表示输送设备在两截面间为表示输送设备在两截面间为1kg1kg流体流体提供的提供的有效能量有效能量。计算时要选具体截面（按流动方。计算时要选具体截面（按流动方向取，且与流动方向垂直）和水平基准面。向取，且与流动方向垂直）和水平基准面。 （2 2）对可压缩流体，当（）对可压缩流体，当（p

24、p1 1p p2 2）/p/p1 120%20%时，需时，需用用m m代替代替。（3 3）当系统静止时，）当系统静止时，u=0u=0，hf =0hf =0，w=0w=0，方程式简，方程式简化为静力学基本方程式。化为静力学基本方程式。（4 4）输送设备提供的能量，常用功率来描述，将）输送设备提供的能量，常用功率来描述，将w w换换算为有效功率算为有效功率PePe，Pe=wqPe=wqm m（kwkw）。实际过程输送设）。实际过程输送设备所作的功并未完全提供给流体，产生一定损耗，备所作的功并未完全提供给流体，产生一定损耗，用效率来衡量用效率来衡量=Pe/P=Pe/P，P P称为轴功率称为轴功率。

25、4 4、柏努利方程式的具体应用：、柏努利方程式的具体应用： 解题步骤解题步骤画图，选截面，基准面，列方程式画图，选截面，基准面，列方程式 （1 1）管路中流体流量的计算）管路中流体流量的计算: :食品厂用食品厂用45452 25mm5mm的钢管将水从水塔输送到某容器，已的钢管将水从水塔输送到某容器，已知水位到出口高度为知水位到出口高度为8m8m，管路摩擦损失，管路摩擦损失hf =2uhf =2u2 2，计算水的流量。计算水的流量。 解：解：选水塔液面为选水塔液面为1 11 1截面截面，管出口为，管出口为2 22 2截面截面，以，以2 22 2截面为截面为基准面基准面，在两截面间列柏努利方程式：

26、，在两截面间列柏努利方程式： hfhf其中：其中：z z2 2=0=0，p p2 2=0=0（表压），（表压），u u2 2=u=u，hf=2uhf=2u2 2 z z1 1=8m=8m，p p1 1=0=0（表压），（表压），u u1 1=0=0，w=0w=0 2 25u5u2 2=9=981818 8 u=5 u=56 m/s6 m/sq qv v=3600=36000 07857850 004042 25 56=256=253 m3 m3 3/h/h2222222111upgzwupgz（2 2）两容器间相对位置高度的确定）两容器间相对位置高度的确定 如上题中要求流量增加如上题中要求流量

27、增加30%30%，水塔水面应升高多少？，水塔水面应升高多少？ 解：选水塔液面为解：选水塔液面为1 11 1截面截面，管出口为，管出口为2 22 2截截面面，以，以2 22 2截面为截面为基准面基准面，在两截面间列方程，在两截面间列方程: : hfhf其中：其中：z z2 2=0=0，p p2 2=0=0（表压），（表压）， u u2 2=u=1=u=13 35 56 =76 =728 m/s28 m/s， hf=2uhf=2u2 2=2=27 728282 2 = 106 = 1060 J/kg0 J/kg z z1 1=h m=h m，p p1 1=0=0（表压），（表压），u u1 1=0

28、=0，w=0w=0h=13h=135 m, 5 m, 水塔水面比原来升高水塔水面比原来升高5 55 m5 m2222222111upgzwupgz（3 3）管路中流体压强的确定）管路中流体压强的确定 泵的送水量为泵的送水量为50 m50 m3 3/h/h，进口管为，进口管为1141144mm4mm的钢管，进口管路中全部能量损失为的钢管，进口管路中全部能量损失为10 J/kg10 J/kg，泵入，泵入口处高出水面口处高出水面4 45 m5 m，计算泵入口处真空表的读数。，计算泵入口处真空表的读数。 解：选水槽液面为解：选水槽液面为1 11 1截面，泵进口真空表处为截面，泵进口真空表处为2 22

29、2截面，以截面，以1 11 1为基准面，在两截面间列方程式：为基准面，在两截面间列方程式： hfhf其中：其中：z z1 1=0=0，p p1 1=0=0（表压），（表压），u u1 1=0=0，w=0, zw=0, z2 2=4=45 m 5 m ， p p2 2= =？（表压），？（表压），u u2 2=1=158 m/s58 m/s，hf= 10 J/kghf= 10 J/kg p p2 2= = （ gzgz2 2+0+0 5u5u2 22 2+ h f+ h f ） = = 1 0 0 01 0 0 0 （9 981814 45+05+05 51 158582 2+ 10+ 10）

30、= =55393 Pa55393 Pa 真空表读数：真空表读数：p pvmvm= =p p2 2=55393 Pa=55393 Pa2222222111upgzwupgz 2 1 1（4 4）输送设备功率的计算）输送设备功率的计算奶粉厂牛奶输送系统如图，真空度为奶粉厂牛奶输送系统如图，真空度为88kPa88kPa的蒸的蒸发器中的牛奶，用泵（效率发器中的牛奶，用泵（效率65%65%）输送到干燥间的）输送到干燥间的贮罐顶部（与大气相通），蒸发器液面至管出口间贮罐顶部（与大气相通），蒸发器液面至管出口间垂直高度垂直高度7 75 m5 m，输送管路为，输送管路为34342mm2mm的不锈钢的不锈钢管，

31、牛奶密度管，牛奶密度1080kg/m1080kg/m3 3，质量流量，质量流量4500kg/h4500kg/h，整，整个流动系统的能量损失为个流动系统的能量损失为50J/kg50J/kg，计算泵的轴功率。，计算泵的轴功率。（图见教材（图见教材1919页）页）解：选蒸发器液面为解：选蒸发器液面为1 11 1截面，泵出口管处为截面，泵出口管处为2 22 2截面，以截面，以1 11 1截面为基准面，在两截面间列柏努利截面为基准面，在两截面间列柏努利方程式：方程式：其中：其中：z z1 1=0=0，p p1 1= =88000 Pa88000 Pa（表压），（表压），u u1 1=0=0，w=w=？

32、z z2 2= 7= 7 5 m 5 m ， p p2 2= 0= 0 （ 表 压 ） ，（ 表 压 ） ， u u2 2= 1= 1 6 4 m / s6 4 m / s ， hf= 50 J/kghf= 50 J/kg w =206 J/kg w =206 J/kgP=Pe/= = P=Pe/= = =397 =397 （W W）hfpugzwpugz2222121122mwq65036004500206 第三节第三节 流体流动现象流体流动现象 流体具有流动性，但在运动时，还表现出抗流体具有流动性，但在运动时，还表现出抗拒内在向前运动的特性，称为拒内在向前运动的特性，称为粘性粘性。粘性的存

33、在使流。粘性的存在使流体间产生内摩擦作用，导致流体内部发生相对运动。体间产生内摩擦作用，导致流体内部发生相对运动。相对运动的结果将形成相互作用的剪应力，称为内摩相对运动的结果将形成相互作用的剪应力，称为内摩擦力或者粘性力。正是这种力的存在形成了流动阻力。擦力或者粘性力。正是这种力的存在形成了流动阻力。一、牛顿（一、牛顿（NewtonNewton）粘性定律）粘性定律实验证明：实验证明： 该式称为该式称为NewtonNewton粘性定律，表明粘性定律，表明流动时剪应力与流动时剪应力与速度梯度成正比。速度梯度成正比。 dyduyxu 二、流体的粘度二、流体的粘度 决定流体内摩擦力大小的性质称粘性，衡

34、量粘性大小决定流体内摩擦力大小的性质称粘性，衡量粘性大小的物理量称粘度，以的物理量称粘度，以表示（反映流体流动时单位速度梯度、表示（反映流体流动时单位速度梯度、单位接触面积产生的内摩擦力，只在运动时才表现出来）单位接触面积产生的内摩擦力，只在运动时才表现出来）是流体的物性参数之一，是流体的物性参数之一，愈大流动性愈差，其值由实验愈大流动性愈差，其值由实验测定。测定。液体的液体的随随T T升高而减小，气体的升高而减小，气体的随随T T升高而增大升高而增大。在在SISI中，中，的单位是的单位是PaPas s，习惯上采用厘泊（，习惯上采用厘泊（cPcP）表示：表示：1 Pa1 Pas=1000cP

35、1cP=1m Pas=1000cP 1cP=1m Pas s有 时 采 用 运 动 粘 度 表 示 ：有 时 采 用 运 动 粘 度 表 示 ： m m2 2/s/s 根据根据NewtonNewton粘性定律，将实际流体分为：粘性定律，将实际流体分为：NewtonNewton型型流体流体服从服从NewtonNewton粘性定律的流体，所有的气体和大部分液粘性定律的流体，所有的气体和大部分液体；体；非非NewtonNewton型流体型流体不服从不服从NewtonNewton粘性定律的流体，粘粘性定律的流体，粘稠状流体如奶油、果酱等。理想流体只是一种假设稠状流体如奶油、果酱等。理想流体只是一种假设

36、。三、流体流动中的动量传递三、流体流动中的动量传递 运动的流层间总会有分子的相互掺混，分子的运动的流层间总会有分子的相互掺混，分子的交换导致流层间的动量交换，动量传递的结果使流体交换导致流层间的动量交换，动量传递的结果使流体层间产生内摩擦力。其大小可据层间产生内摩擦力。其大小可据NewtonNewton定律表示：定律表示： （kgkgm/sm/s）/m/m2 2s s即表示即表示与流动方向相垂直的方向上的动量通量与流动方向相垂直的方向上的动量通量。而由而由NewtonNewton粘性定律表示：粘性定律表示：动量通量动量通量= =（动量扩散系数（动量扩散系数m m2 2/s/s）（动量浓度梯度）

37、（动量浓度梯度）因而因而表示动量传递的多少，表示动量传递的多少，是分子动量传递快慢是分子动量传递快慢的标志的标志。 AdtmudAF)(dyud)(四、流体流动的型态四、流体流动的型态NewtonNewton定律指出流体是分层流动的，但实际上并不总是分层状态。定律指出流体是分层流动的，但实际上并不总是分层状态。18831883年，年，Osborne Reyolds Osborne Reyolds 通过实验揭示了流动的型态。通过实验揭示了流动的型态。 1 1、Reyolds Reyolds 实验实验 2 2、流体流动的型态、流体流动的型态 层流：层流：质点沿流动方向呈层状向前流动，与质点沿流动方

38、向呈层状向前流动，与周围质点无混合；周围质点无混合； 湍流：湍流：质点总体上沿轴向向前流动，与周质点总体上沿轴向向前流动，与周围质点混合湍动剧烈围质点混合湍动剧烈。 3 3、流体流动型态的判据、流体流动型态的判据Reyolds NumberReyolds Number dGduduRe在圆形直管中流动时：在圆形直管中流动时： ReRe20002000，流动肯定是层流，流动肯定是层流，属于层流区；，属于层流区； ReRe40004000时，流动必然是湍流时，流动必然是湍流，属于湍流区；，属于湍流区； 20002000ReRe40004000时，流动不确定，属于过渡区。时，流动不确定，属于过渡区。

39、五、流动边界层五、流动边界层1 1、边界层的形成、边界层的形成流体具有粘性，并完全润湿壁面。流体具有粘性，并完全润湿壁面。 流动划分为：主流区、边界层区域流动划分为：主流区、边界层区域2 2、边界层的发展、边界层的发展流动的建立存在不稳定段，逐步形成。流动的建立存在不稳定段，逐步形成。3 3、边界层的分离、边界层的分离边界层与固体壁脱离，产生形体阻力。边界层与固体壁脱离，产生形体阻力。 六、流体在圆管内的速度分布六、流体在圆管内的速度分布1 1、层流层流时的速度分布时的速度分布 在管内取半径在管内取半径r r长长L L的流体柱，推动力的流体柱，推动力prpr2 2，摩擦力，摩擦力 F=2rL=

40、 F=2rL= 2rLdu2rLdur r/dr/dr 当过程达到稳态时，积分得：当过程达到稳态时，积分得： 为圆管内速度分布方程式。为圆管内速度分布方程式。 在 管 壁 处 ，在 管 壁 处 ， r = Rr = R ， u ur r= 0= 0 ； 管 中 心 ，； 管 中 心 ， r = 0r = 0 ，u ur r= = ；平均流速：平均流速： 由此由此得到：得到： 称为称为HagonHagonPoiseuillePoiseuille方程式方程式。 u u=0=05u5umaxmax )(422rRlpur2max4Rlpu28Rlpu232dlup2 2、湍流湍流时的速度分布时的速度

41、分布 uu（0 080800 08282）u umaxmax特点（特点（1 1）分布曲线不是严格的抛物线；）分布曲线不是严格的抛物线； （2 2）在近壁处存在一层层流底层。）在近壁处存在一层层流底层。 （3 3）根据管中心速度确定）根据管中心速度确定u u由图由图1-191-19。 第四节第四节 流体在流体在管内管内流动阻力的计算流动阻力的计算hfhf的产生：的产生：流体具有粘性流体具有粘性流动时产生内摩擦；流体与固壁接触流动时产生内摩擦；流体与固壁接触时会促使流体内部时会促使流体内部发生相对运动发生相对运动。 hf=fhf=f（流体的性质、流动类型、距离、壁面的形状（流体的性质、流动类型、距

42、离、壁面的形状等）等）hfhf指管路系统的总机械能损失，一般分为指管路系统的总机械能损失，一般分为直管阻力部分直管阻力部分hfhf和和局局部阻力部分部阻力部分hfhf，分别计算然后加和，分别计算然后加和， 即：即：hf = hf + hfhf = hf + hf。一、直管阻力一、直管阻力hfhf的计算的计算计算通式：计算通式： 称为称为FanningFanning摩擦公式，为摩擦公式，为直管阻力直管阻力hfhf的计算通式，的计算通式，称为摩擦称为摩擦因数，与流型和壁面状况（工业上使用的管子，可分为光滑因数，与流型和壁面状况（工业上使用的管子，可分为光滑管和粗糙管，用管壁粗糙度管和粗糙管，用管壁

43、粗糙度或或/d/d表示，见表表示，见表1-21-2）有关。）有关。 dlphf4)4(2dldp2224222udludluhf 二、摩擦因数的确定二、摩擦因数的确定（一）、层流时（一）、层流时的计算的计算 2Re6426432222udludldudluphfRe64（二）湍流时（二）湍流时的计算的计算 1 1、分析实验结果，寻找影响因素（确定变量）、分析实验结果，寻找影响因素（确定变量） p pf f =h=hf f =f=f（，d d，L L，u u） 用 函 数 关 系 表 示 为用 函 数 关 系 表 示 为 p pf f =Kd=Kda aL Lb bu uc ce ef fg g

44、 2 2、利用因次分析法，组合无因次数群、利用因次分析法，组合无因次数群（减少变量）减少变量） 依据：依据：因次一致性原则（由基本的物理规律因次一致性原则（由基本的物理规律导出的方程，各项的因次相等）；导出的方程，各项的因次相等）； 定理（因次一致的方程可表示为一组定理（因次一致的方程可表示为一组无因次数群的零函数，数目无因次数群的零函数，数目i i等于影响该过程的物理等于影响该过程的物理量数量数n n减基本因次数减基本因次数m m）。）。对湍流过程，对湍流过程，m=3m=3（质量（质量M M、长度、长度L L和时间和时间T T），），i=7-3=4i=7-3=4代入：代入： 据因次一致性原则

45、：据因次一致性原则：e+f=1e+f=1，a+b+g+ca+b+g+c3e=3e=1 1，c+f=2c+f=2 e=1e=1f f ，c=2c=2f f ，a=a=b bf fg g相当于相当于 Eu=fEu=f（ReRe，l/dl/d，/d/d）因次分析使原来的因次分析使原来的7 7个变量减少到个变量减少到4 4个，实验易于进行。个，实验易于进行。3 3、通过实验建立无因次数群关联式（确定待定系数）、通过实验建立无因次数群关联式（确定待定系数） 将将fecgbaLTMLMTLLLTM)()()(32gbffddlduKup)()()(22)(Re2udldKpgff 与与 相比较，得：相比较

46、，得： 因而，通过组织实验确定因而，通过组织实验确定与与ReRe、/d/d的关系。的关系。（1 1）BlasiusBlasius光滑管公式：，光滑管公式：，Re=3000Re=3000100000100000；（2 2）ColebrookColebrook公式：公式：（3 3）MoodyMoody摩擦因数图摩擦因数图 层流区：层流区： Re2000Re2000，=f=f（ ReRe）；）； 过渡区：过渡区： Re=2000Re=200040004000，按湍流区计算；，按湍流区计算； 湍流区：湍流区： Re4000Re4000， =f=f（ ReRe，/d/d）；）； 完全湍流区（虚线上）：完

47、全湍流区（虚线上）：=f=f（/d/d）。）。22udlpf)(Re,df三、局部阻力三、局部阻力hfhf的计算的计算 流体流经阀门、弯头、三通、进口、出口等位置流体流经阀门、弯头、三通、进口、出口等位置时，流速大小和方向发生急剧变化，湍动程度加强，时，流速大小和方向发生急剧变化，湍动程度加强，产生边界层分离等使机械能损失增大。由局部区域引产生边界层分离等使机械能损失增大。由局部区域引起的形体阻力称为局部阻力起的形体阻力称为局部阻力hfhf，采用两种计算方法。，采用两种计算方法。1 1、阻力因数法：、阻力因数法： 局部阻力因数，由实验测定，局部阻力因数，由实验测定，管进口管进口i i=0=05

48、 5，管管 出口出口o o1 10 02 2、当量长度法：、当量长度法： l le e管件的当量长度，由资料查取。管件的当量长度，由资料查取。四、管路总阻力的计算四、管路总阻力的计算22ufh22udlef h22udlelhf 第五节第五节 管路计算管路计算设计型计算：根据输送要求确定管路；设计型计算：根据输送要求确定管路；操作型计算：操作型计算：核算已有管路的输送能力或某指标。核算已有管路的输送能力或某指标。 计算内容计算内容包括：管径的选取；输送设备功率（或阻力）大包括：管径的选取；输送设备功率（或阻力）大小；输送能力。小；输送能力。一、简单管路的计算一、简单管路的计算 无分支、汇合，且

49、管径相同的管路，联立求解加试差法。无分支、汇合，且管径相同的管路，联立求解加试差法。二、串联管路的计算二、串联管路的计算无分支、汇合，但管径变化的管路，联立求解加试差法。无分支、汇合，但管径变化的管路，联立求解加试差法。 特点：（特点：（1 1）q qv v = q = qv1 v1 = q= qv2v2 = = = =常数常数； （2 2）hf = hfhf = hf1 1 + hf + hf2 2 + +三、并联管路的计算三、并联管路的计算 特点：（特点：（1 1）q qv v = q = qv1v1 + q + qv2v2 + + （2 2）hf = hfhf = hf1 1 = = h

50、fhf2 2 = =四、分支和汇合管路的计算四、分支和汇合管路的计算特点：（特点：（1 1）q qv v = q = qv1 v1 + q+ qv2v2 + + （2 2）E E1 1 + hf + hf1 1 = E = E2 2 + + hfhf2 2 其中：其中：pugzE22 第六节第六节 流量测量流量测量测量原理：测量原理：据流动时各种机械能相互转化而设计的装置据流动时各种机械能相互转化而设计的装置 一、测速管一、测速管 测速原理测速原理内管内管A A正对水流方向，正对水流方向，测压管读数代表压强能和动能之和，测压管读数代表压强能和动能之和，称为冲压能：称为冲压能： 外管外管B B与