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1、绪 论1.课程性质前承基础学科，后启专业学科。2.单元操作化工过程中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生预期物理变化的基本操作的总称。20世纪初(1900)：第一次抽象出单元操作流体输送,搅拌,过滤,沉降,流态化 动量传递换热，蒸发热量传递吸收，精馏，萃取，吸附等 质量传递干燥，结晶质量传递+热量传递20世纪50年代：第二次抽象出三传过程传递过程3.课程主要内容和任务内容：各单元操作(以传递过程为主线)任务：认识过程和设备的规律;应用于化工设计、生产调节、优化操作;选择合理的过程、设备；强化化工过程；过程放大；发展新技术、新设备。4.基本的研究方法数学分析法（静力学方
2、程推导等）量纲分析实验研究法（阻力、给热系数等）数学模型法（过滤等）要能“由小见大”，“由此及彼”。自然学科：简单问题,严格处理。工程问题：复杂问题,简化处理。工程问题处理方法（经验法如逐级放大等）5.若干工程观点衡算（物料、能量）：输入+生成=输出+积累平衡：热力学平衡指四大平衡力平衡：高压-低压，极限P相等；热平衡：高温-低温，极限T相等；相平衡：高逸度相-低逸度相，极限f相等；化学平衡：化学反应工程研究，此略。速率：经济核算第1章 流体流动1.概述1.1 连续性假定与流体流动的考察方法1.1.1 连续性假定固体力学：考察对象-单个固体，离散介质。流体力学：考察对象-无数质点，连续介质。例
3、如点压强的考察 p(正压力/面积)质点含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子平均自由程。连续性假定流体是由无数质点组成的，彼此间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质。目的：可用微积分来描述流体的各种参数。流体运动考察方法-拉格朗日法与欧拉法二者区别：前者描述的同一质点不同时刻的状态，后者描述空间各点的状态及其与时间的关系。轨线 流线二者考察方法不同！流体运动空间各点的所有运动状态不随时间变化，此流动为定态流动。1.1.2 流体受力体积力作用于体积中的各个部位，力的大小与体积（质量）有关。如：重力，惯性力，离心力。表面力垂直于作用面，压力；压强p；平行于作用面，剪力；剪应力；压
4、强单位及换算！可压缩流体和不可压缩流体。压强单位及换算！可压缩流体和不可压缩流体。剪应力与黏性黏性物理本质：分子间引力和分子热运动、碰撞。牛顿黏性定律流体受剪应力必运动；牛顿型与非牛顿型流体=f(物性，温度)t,气，液（式（式1-3）理想流体:假定=0；实际流体：0，实际流体运动时内部的剪应力也称内摩擦力。表面张力界面上液体受力不对称，受到指向内部的力简称表面张力。1.1.4 流体流动机械能单位质量流体的动能单位质量流体的位能gz单位质量流体的压强能J/kg1.2 流体静力学1.2.1 静止流体的压强分布1.2.1.1 静压强的特性任意界面上只受到大小相等方向相反的压力；作用于任意点不同方位的
5、静压强数值相等；压强各向传递。静力学方程推导（数学分析法）流体平衡方程（式（式1-7）1.2.1.2 静力学方程 X=0,Y=0,Z=-g 不可压缩流体，重力场下同种流体等高等压等压面（式（式1-10）静力学方程应用条件同种流体且不可压缩；静止流体；重力场；单连通。虚拟压强表达：静止流体内部势能处处相等！1.2.2 流体的总势能总势能（式（式1-12）（式（式1-13）1.2.3 压强的表示方法1.2.3.1 单位 N/m2=Pa 106Pa=1MPa1 atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O1 bar=105Pa，1 at=1kg(f)/cm2=9.81104Pa1
6、.2.3.2 基准表压=绝对压-大气压（正值）真空度=大气压-绝对压（负表压）1.2.4 静力学方程的工程应用测压（等压面的应用）如图已知：R=180mm,h=500mm。求：pA=?(绝压)，(表压)解：根据等压面知识解：根据等压面知识pB=pa+汞汞gRpB=pA+水水ghpA=pa+汞汞gR-水水gh=1.013105+136009.810.18-10009.810.5=1.204105Pa(绝压绝压)pA=1.204105-1.013105=1.91104Pa(表压表压)液封设备中压力要保持，液体要排出，须用液封。应用时注意阀开、阀关型结构流向判别如图管路接通后流向？判据：看z大小，还
7、是p大小？同一水平高度比压强p左=pA+gzA=P Ap右=pB+gzB=P B比较P 的大小！1.3 流体流动中的守恒原理1.3.1 质量守恒质量流量 qm=qV 平均流速 定态，不可压缩流体u1A1=u2A2控制体：守恒范围质量流速（式（式1-25）1.3.2 机械能守衡（式（式1-31）（式（式1-32）（式（式1-33）J/kgJ/N或应用条件：（1）重力场，定态流动，不可压缩的理想流体；（2）无外加机械能或机械能输出。（3）截面处均匀流、截面处流速均匀分布。（式（式1-35）关于加速度：图a图b点1有当地加速度、有迁移加速度；点2只有当地加速度；点3有迁移加速度；点4没有加速度。均匀
8、流段均匀流段均匀分布均匀分布图图a a图图b b图图c c图图d d图图e e有外加能力的实际流体机械能衡算式：流量关系u1A1=u2A2+u3A3能量关系呢？截面的选择图a图b图c解题步骤：选截面、选基准面、根据流向选衡算范围、画示意图、解题1.3.3 工程应用(1)测风量由1-1至2-2排方程 压差计：(2)虹吸从1-1至2-2排方程(3)马利奥特容器求：水面在a-a面以上时的放水速度。由a-a面至出口小孔截面2-2排方程实际:机械能衡算应用时应注意的问题：看是否符合应用条件（连续流，满流）；画示意图；截面选取；均匀流，已知量最多，大截面u=0 1.4 流体流动的内部结构1.4.1 流动的
9、类型 雷诺实验雷诺实验揭示出：层流与湍流两种流型！流型判据Re2000 层流2000Re4000 湍流 只有两种流型！1.4.2湍流的基本特征时均化描述方法1：时均速度（式（式1-54）脉动速度描述方法2：脉动速度脉动速度时均值为0！强度描述法3：脉动速度的均方根值或脉动速度的均方根与平均流速的比值表示湍流强度 尺度描述法4尺度与旋涡大小有关！两点脉动速度的相关性来度量湍流尺度（式（式1-56）（式（式1-57）1.4.3边界层及其脱体普朗特的边界层理论边界层 层流边界层 湍流边界层 层流内层边界层的分离分离原因：逆压强梯度和内摩擦共同作用结果！本质：流体黏性！分离后果：产生漩涡，造成机械能损
10、失！1.4.4管流运动数学描述受力：上、下截面压力P2、P1；外表面剪切力；重力力平衡剪应力分布剪应力分布层流时速度分布层流时速度分布（式（式1-60）（式（式1-61）层流时的抛物线分布层流时的平均流速是管中心最大流速的一半！（式（式1-66）湍流速度分布完全发展的湍流层流和湍流的区别（式（式1-67）层流 湍流(1)(2)(3)无微团作径向运动 有微团作径向运动(4)层流层从中心到管壁 层流内层附壁(5)(6)hf与 无关 hf与 有关(7)(8)传热、传质慢 传热、传质快层流和湍流的本质区别:是否存在速度、压强的脉动性对于水平直管阻力损失表现为势能差1.5阻力损失1.5.1两种阻力损失阻
11、力损失 根本原因黏性划分：直管阻力损失（沿程阻力损失）局部阻力损失（管件、阀件的阻力损失）直管阻力损失 影响因素：物性因素，；设备因素 d,l,；操作因素 u层流阻力损失条件：牛顿流体；层流状态；圆直管速度分布稳定段。层流直管阻力也可写成 湍流直管阻力损失记摩擦系数以不同的Re(方便地调节u)，不同的人工粗糙管,以水或空气就可做实验。1.4.3 摩擦系数1.4.3.1 莫迪图层流时，管内全部为层流，与/d无关;湍流时，完全湍流粗糙管,与Re无关,与/d有关。（式（式1-80）查Re=3105,/d=0.0005=0.018查Re=104,/d=0.0001时的=0.03。1.5.4 局部阻力损
12、失管件阀件处流道变化大，多发生边界层脱体,产生大量旋涡，消耗了机械能。局部阻力计算式工程上 ，阻力系数 或 ，le当量长度实测的和le已成图表，供设计使用。近似但实用！查截止阀全开,接管内径d=100mm时的当量长度le近似37米查管道出口损失值例题：工程计算(一)水平管输油在250kPa的压差下输送=800kg/m3,=0.1Pas的油品，管长l+le=10km,管内径d=300mm。求:流量为多少m3/s？解：画简图，从1至2排机械能守恒式 因较大，可先设Re2000，层流验原设成立，计算有效。例题：工程计算(二)高位槽送液由一高位槽向搅拌反应器送料，料液性质同20的水，流量1.3L/s,
13、镀锌铁管423mm,管长10m，90弯头4个，闸阀(全开)1个。试求：Z应为多少m。解：取=0.2mm,/d=0.0056,查=0.033。查90弯头=0.75,闸阀全开=0.17,出口=1由高位槽液面至反应器液面作机械能衡算1.6 管路计算1.6.1 变量分析1.6.1.1 变量质量守恒式机械能衡算式摩擦系数计算式 （式（式1-87）其中物性参数、已知 设备参数 l、d、操作参数 qV、u、P1、P2 中间变量 9个变量，需给定6个，求其它3个按计算目的可分为设计型计算:给定 qV、P2、l、选择 最优 u 求 P1、d操作型计算:给定 d、P1(或qV)、P2、l、，求 qV(或P1)结论
14、：管路状况一定，qV,hf hf(P)一定,qV qV一定,hf1.6.1.2 阻力损失管路流量关系图中，,则hfAB_,pA_,pB_,为什么？若水流方向相反呢，,则hfAB_,pA_,pB_ 结论：阀门关小，上游压强上升，下游压强下降，压差增大；阀门开大，上游压强下降，下游压强上升，压差减小！判断1：B不变，A，h1_,h2_,(h1-h2)_；A不变，B，h1_,h2_,(h1-h2)_判断2：发生了什么问题？如何判断上游、下游？如何判断泄漏与阻塞？判断3：今1,qV_,qV1_,qV2_,qV3_ 湍流状态常要试差求解常可先设在阻力平方区，再根据计算所得Re修正（迭代计算）。1.6.2
15、 简单管路计算层流可直接求解；（式（式1-80）管路特点：阻力损失加和 hf总=hf1+hf2+hf3 同一流量 qV=qV1=qV2=qV3（各段阻力计算的 u、l、d、的不同）1.6.2.1 串联管路计算1.6.2.2 复杂管路计算并联管路分流或合流有能量的损失或交换！管路特点：流量加和：qV总=qV1+qV2同阻力损失工程计算(一)原有一长输油管路,直径d1=1m,流量为qV1,现为了增加输油量的50%,在原来的长管旁并接一根直径为d2的长管。已知油在原管道中为层流，增加的流量由并接管输送。求：d2=?解：hf 1=hf 2,qV2qV1,则 d2d1,u2u1,Re2Re1,小管中也为
16、层流得 ，或工程计算(二)已知：泵提供给流体的能量 he=150J/kg,lAB=20m,lBC=20m,lBD=30m(均已含le),dAB=38mm，dBC=25mm，dBD=25mm，各管=0.025。求：qVC,qVD(m3/s)解：B-C截面间机械能衡算B-D截面间机械能衡算因zC=zD,pC=pD=pa，两式相减整理得得 uC=1.21uD，dC=dD,qVC=1.21qVD qV=qVC+qVD=2.21qVD0-D截面间机械能衡算和回代入衡算式得150=69.81+(2.5+6.43)107q2VD解得 qVD=1.0110-3 m3/s，故有 qVC=1.21qVD=1.22
17、10-3 m3/s1.7 流速和流量的测量1.7.1 皮托管 沿流线从1至2排 伯努利方程 u2=0 根据h1,h2的指示可算出点速度 1.7.2 孔板流量计分析处理方法：(1)先作=0处理(2)再考虑的影响由1至2截面作能量衡算质量守恒 A1u1=A2u2整理后考虑的影响；A2难以实测，用A0计（式（式1-109）（式（式1-112）C0=f(Red,m),m=A0/A1流量系数的确定1.7.3 转子流量计转子受曳力：力平衡：重力 =浮力 +曳力（式（式1-118）刻度换算：出厂标准：液体 气体 20、1atm（式（式1-120）（式（式1-121）毕托管：测得点速度，流量须计算孔板流量计：测得锐孔平均速度，A0恒定,u0变化,p变化,不易阻塞转子流量计：测得的流量读数需换算 p恒定,u0恒定,A0变化,易阻塞 流量计比较用转子流量计计量乙醇流量，已知：，测量范围内CR为常数，现读数为5 m3/h，实际流量为多少？解：出厂标定 转子流量计刻度换算弯管流量计 阻力流量计 狭缝流量计涡轮流量计 其它流量计介绍