化工原理總學(xué)分：5，學(xué)時數(shù)80；上冊學(xué)分：3，學(xué)時數(shù)：48；下冊學(xué)分：2，學(xué)時數(shù)：32；教材：《化工原理》，天津大學(xué)出版社；參考書：《化工原理課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)》，天津大學(xué)出版社；授課方式：講解為主，兼顧討論，適當(dāng)練習(xí)；作業(yè)；課程考核辦法理論課閉卷考試；有期中考試；總評成績構(gòu)成：平時成績10%，期中考試20%，期末考試70%。一化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)過程：對原料進(jìn)行化學(xué)加工，最終獲得有價值產(chǎn)品的生產(chǎn)過程高壓聚乙烯生產(chǎn)流程示意圖閥門的開度單元操作：構(gòu)成多種化工產(chǎn)品生產(chǎn)的物理過程按照原理都可以歸納為幾個基本過程，這些過程稱為化工單元操作。二單元操作與分類二單元操作與分類高壓聚乙烯生產(chǎn)流程示意圖各個單元操作基本規(guī)律：1、流體動力學(xué)基本規(guī)律，包括流體輸送、沉降、過濾、物料混合(攪拌)等；2、熱量傳遞基本規(guī)律，加熱、冷凝、蒸發(fā)等；3、質(zhì)量傳遞基本規(guī)律，蒸餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等；4、同時遵循熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的基本規(guī)律，氣體的增濕和減濕、結(jié)晶、干燥等；單元操作基本規(guī)律三化工原理課程的兩條主線1、傳遞過程（三傳理論）(1)動量傳遞過程（單相或多相流動）；(2)熱量傳遞過程——傳熱；(3)質(zhì)量傳遞過程——傳質(zhì)；四化工原理課程所要回答的幾個問題（1）如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟上的特點，進(jìn)行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟而有效地滿足工藝要求（2）如何進(jìn)行過程的計算和設(shè)備的設(shè)計。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實驗以取得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)。（3）如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時如何尋找故障的緣由。（4）當(dāng)生產(chǎn)提出新的要求，為研發(fā)新設(shè)備提供有用的借鑒。

1、要理論聯(lián)系實際

2、過程原理與設(shè)備并重3、掌握研究的方法4、著重培養(yǎng)自學(xué)能力、創(chuàng)新能力5、培養(yǎng)非智力因素（刻苦、勤奮、好學(xué)、多問、實干、毅力等）

學(xué)好本課程應(yīng)注意的問題及培養(yǎng)的能力單位制基本物理量：長度、時間、質(zhì)量基本單位：米(m)、秒(s)、克(g)導(dǎo)出單位：N、Pa、J、W單位制：國際單位(SI)、法定計量單位例0-1:常溫下苯的導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.0919BTU/(ft·h·?F)，試從基本單位開始，將苯的導(dǎo)熱系數(shù)單位換算為W/(m·?C)。解：長度單位：1m＝3.2808ft；熱量單位：1J＝9.486×10-4BTU;溫度差：1?C＝1.8?F時間：1h＝3600s某物質(zhì)的比熱容Cp=0.21BTU/(lb*?F)，試將單位轉(zhuǎn)換為KJ/(Kg*?C)。已知：熱量單位：1J＝9.486×10-4BTU;重量單位：1kg=2.20462lb；溫度單位：1?C＝1.8?F解：1BTU/(ft·h·?F)＝5.678W/(m2·?C)1kg=2.20462lb1h=3600s1ft=0.3048m所以有：對流傳熱系數(shù)：質(zhì)量速度：直徑：α對流傳熱系數(shù)，BTU/(ft·h·?F)T：熱力學(xué)溫度，K；u：水流速，ft/s；d：圓管內(nèi)徑，in；(1in=2.54cm)將α單位換算為W/(m2*K)，T單位為K，u單位為m/s，d單位為m；物料衡算本質(zhì)表征：質(zhì)量守恒式中：輸入物料的總和輸出物料的總和累積的物料量適合非穩(wěn)態(tài)過程適合穩(wěn)態(tài)過程例0-5第一章流體流動重點內(nèi)容：流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用；連續(xù)性方程、伯努利方程的意義與應(yīng)用；兩種流型的比較和工程處理方法；流動阻力的計算；管路計算和流量測量；流體流體包括液體和氣體；流體的特點：可流動性、易變性(隨容器形狀)；作用在流體上的力：(1)：質(zhì)量力：重力、離心力等；與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。（2）表面力與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為①垂直于表面的力P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強p。

1MPa（兆帕）＝106Pa（帕斯卡）注意：國內(nèi)許多教材習(xí)慣上把壓強稱為壓力。②平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力τ。

質(zhì)點質(zhì)點的特點：由分子或原子所組成；質(zhì)點間無空隙；其大小與管路或容器相比微不足道流體連續(xù)性假設(shè)符合大多數(shù)化工過程高真空稀薄氣體除外流體的物理性質(zhì)流體的密度：當(dāng)?V→0時，?m/?V表征的是流體某一點的密度

對于質(zhì)量一定的理想氣體，其體積、壓強和密度之間的關(guān)系為：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：定值則有：理想氣體的密度計算方法如下：M：氣體的摩爾質(zhì)量或：對于混合物的平均密度若各個組分在混和前后體積不變，則有：液體混合物中各純組分的密度液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于氣體混合物，混合物的平均密度為氣體混合物中各個組分的體積分?jǐn)?shù)若用公式計算氣體混合物的密度則M應(yīng)為氣體混合物的平均摩爾質(zhì)量Mm氣體混合物中各個組分的摩爾質(zhì)量氣體混合物中各個組分的摩爾分?jǐn)?shù)流體在兩板間流速分布圖板中心處流速最大板壁處流速最小流體的黏度流體的黏性：抗拒(阻礙)流體的流動流體的內(nèi)摩擦力產(chǎn)生流體速度梯度表征μ與y是直線關(guān)系表征μ與y是曲線關(guān)系黏度牛頓黏性定律導(dǎo)出流體與固體的力學(xué)特性兩個不同點不同之一：固體表面的剪應(yīng)力τ∝剪切變形（角變形）dθ;流體內(nèi)部的剪應(yīng)力τ∝剪切變形速率（角變形速率）不同之二靜止流體不能承受剪應(yīng)力（哪怕是非常微小的剪應(yīng)力）和抵抗剪切變形。固體可以承受很大的剪應(yīng)力和抵抗剪切變形。流體的黏度：黏度的單位：法定單位制黏度的物理意義：促使流體流動產(chǎn)生單位速度梯度的剪切力對于一定條件下的確定的流體，黏度為定值速度梯度最大的地方，剪切力最大；速度梯度為零的地方，剪切力為零。注意速度梯度與速度的差別流體流動速度越大，黏度不一定越大；靜止流體不考慮黏度；μ的變化規(guī)律液體：μ＝f（t），與壓強p無關(guān)，溫度t↑，μ↓氣體：p<40atm時，μ＝f（t）與p無關(guān)，溫度t↑，μ↑理想流體在縱向上無速度變化μ＝0，流體無粘性（理想流體，實際不存在）運動黏度常壓氣體混合物的黏度非締和液體混合物的黏度牛頓黏性定律為：設(shè)則有：流變方程a：牛頓型流體；b：假塑性流體c：漲塑性流體；d：賓漢塑性流體非牛頓流體流體靜力學(xué)基本方程式靜止流體的壓力壓強＝某一點的壓強在靜止流體內(nèi)部任一點的壓強方向與作用面垂直1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0333bar=1.0133×105Pa1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807×104Pa工程上常用大氣壓強，絕對壓強，表壓強(真空度)之間的關(guān)系表壓強＝絕對壓強－大氣壓強真空度＝大氣壓強－絕對壓強例1-2已知蘭州地區(qū)的大氣壓強為85.3×103Pa，蒸餾塔頂部真空表讀數(shù)為80×103Pa；天津地區(qū)的大氣壓強為101.33×103Pa，要求蒸餾塔維持相同絕對壓強；問在天津的蒸餾塔的真空表讀數(shù)為多少？某設(shè)備的表壓強為100kPa，則其絕對壓強為多少？若設(shè)備的真空度為400mmHg，則其絕對壓強為多少？(當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭姙?01.33kPa)流體靜力學(xué)靜壓強在空間的分布流體微元的受力平衡平衡方程在重力場中的應(yīng)用靜壓強在空間的分布（1）靜壓強空間各點p＝f（x,y,z）靜止流體某一點不同方向上的壓強在數(shù)值上相等，為什么？流體處于靜止?fàn)顟B(tài)的壓強稱為靜壓強。在單一連續(xù)靜止流體內(nèi)部，取一底面積為A，高度為dz的流體柱微元，此微元下底和上底的垂直坐標(biāo)為z和dz+z，作用于下底和上底的壓力為p和p+dp。流體密度為ρ靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)(方法1)靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)(方法1)由于流體處于靜止?fàn)顟B(tài)則有：移項整理可得：分離變量積分可得：常數(shù)在靜止流體中，任意兩點1和2存在如下關(guān)系：靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)(方法1)或：或：如果將1點移至界面0處，其上方壓力位p0：流體微元的受力平衡表面力：dxdy下底面上的壓強dxdy上底面上的壓強質(zhì)量力：重力，靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)(方法2)靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)(方法2)z軸方向力的平衡式可寫成：化簡得對于x軸和y軸，無重力作用則有流體平衡微分方程靜力學(xué)基本方程式的推導(dǎo)(方法2)將流體平衡微分方程分別乘以dz、dx、dy，并相加后得則有設(shè)流體不可壓縮，即密度ρ與壓力無關(guān)，可將上式積分得：對于靜止流體中任意兩點1和2，如右圖所示：

或：注意點：以上各式僅適用于在重力場中靜止的不可壓縮流體(密度ρ為定值)。常數(shù)靜壓強僅與垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。流體中，液體的密度隨壓強的變化很小，可以認(rèn)為是不可壓縮的流體；氣體則不然，具有較大的可壓縮性，原則上上式不成立，但是若壓強的變化不大，密度可近似地取其平均值而視為常數(shù)時，以上各式仍可用。1132244535p1p2p①等壓面：靜止、連續(xù)的均質(zhì)流體，處于同一水平面上的各點壓力相等關(guān)于靜力學(xué)方程的討論實例：等壓面的概念圖中哪兩點的壓力相等？②p0變化某一數(shù)值，則p改變同樣大小數(shù)值—壓力的可傳遞性③在靜止流體內(nèi)部，各不同截面上的壓力能和勢能兩者之和為常數(shù)。靜壓能勢能pozoh112p1p2z2z1說明對于特定的液體，壓強差可以由高度差來表示平衡方程的物理意義平衡方程的物理意義靜壓能勢能定值平衡方程的物理意義應(yīng)用：連通器例1-3開口容器內(nèi)盛有油和水，油層高度h1為0.7m，密度ρ1為800kg/m3水層高度h2為0.6m，密度ρ2為1000kg/m3問：(1)下列兩式是否成立？(2)計算水在玻璃管內(nèi)的高度h例1-4:為測定敞口油罐內(nèi)油面的高度，在罐底安裝一U形管壓差計。指示液為汞，密度為ρA，油的密度為ρ，U形管B側(cè)指示液面上充以高度為h1的同種油。當(dāng)罐內(nèi)油面高度為H1時，U型管內(nèi)指示液面差為R，試計算，當(dāng)油罐內(nèi)油面下降高度Hm時，U型管內(nèi)B側(cè)指示液面下降高度h為多少米？流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用U型管壓差計U管底部裝有指示液A，密度為ρA，U管兩側(cè)壁上部及連接管內(nèi)均充滿待測液體B，密度為ρB，圖中aa‘兩點均在連通著的同一種靜止液體內(nèi)，并在同一水平位置上，試求11’和22‘兩位置之間的壓強差1122p1p2z1z2RU形管壓差計0011p1paz1R00若U形管壓差計一端與大氣相通，則可測得表壓（或絕壓）。傾斜液柱壓差計R1Rp1p2傾斜液柱壓差計α微差壓差計p2RρcρA微差壓差計p1倒U形管壓差計倒U形管壓差計1122p1p2z1z2R00A容器內(nèi)盛有水，B容器內(nèi)盛有油，密度為810kg/m3，中間為U型壓差計，問：(1)當(dāng)Pa=29×103Pa(表壓)，R=0.25m，h=0.8m，求Pb(2)當(dāng)Pa’=20×103Pa時，Pb不變，求R。液位的測量2為平衡器，平衡器中液體與容器中液體相同，U型管中裝密度為ρA的指示液液位的測量12354壓縮氣體Pa=Pb在煤氣輸送中為排除煤氣中的少量積水，采用水封設(shè)備，水由支路中排除，已知煤氣壓力為1×105Pa(絕對壓強)，問水封管插入液面下的深度h為多少？大氣壓強為9.8×104Pa，水的密度為1000kg/m3流體流動基本方程單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量，稱為流量體積流量(Vs)流量質(zhì)量流量(ws)單位時間內(nèi)流體方向上流過的距離，稱為流速(u)管中心處流速最大，管壁處流速為零平均流速：對于內(nèi)徑為d的圓形管道則有：穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動穩(wěn)態(tài)流動：各截面上流體的流速、壓強、密度等物理性質(zhì)不隨位置變化；非穩(wěn)態(tài)流動：流體在各個截面上的物理性質(zhì)隨位置的改變而變化。連續(xù)性方程穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)輸入量與輸出量相等質(zhì)量守恒例1-11在穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)中，水連續(xù)的從粗管流向細(xì)管，粗管內(nèi)徑為細(xì)管內(nèi)徑的兩倍，求細(xì)管內(nèi)水的流速是粗管內(nèi)水流速的幾倍？應(yīng)用連續(xù)性方程時的注意點：在衡算范圍內(nèi)，流體必須是連續(xù)的，充滿管道；連續(xù)性方程描述的是流量一定時，管路各截面上流速的變化規(guī)律，與管路的安排、閥門的安裝以及位置無關(guān)對于不可壓縮流體，有當(dāng)流量一定并且流速適宜時，輸送流體的管路直徑為伯努利(Bernoulli)方程式流動系統(tǒng)總能量衡算1kg流體進(jìn)出系統(tǒng)時輸入與輸出的能量包括內(nèi)能:U1,U2位能:mgZ動能:(1/2)mu2靜壓能:p1v1熱能:Qe外力做功We分析1kg流體進(jìn)出系統(tǒng)時輸入與輸出的能量內(nèi)能物質(zhì)內(nèi)部能量的總和(分子平動能，轉(zhuǎn)動能，振動能)

以U1，U2表示：內(nèi)能是一個狀態(tài)函數(shù)，取決于流體本身的狀態(tài)。U1：1㎏流體輸入系統(tǒng)的能量，J/㎏；U2：1㎏流體輸出系統(tǒng)的能量，J/㎏單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能U＝f（t,p），J/kg位能位能：流體因受重力作用，在不同的高度處具有不同的位能，相當(dāng)于質(zhì)量為m的流體自基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所做的功：Ep=mgZ，J

單位質(zhì)量(1㎏)流體的位能mgZ/m=gZ，J/㎏；則：gZ1：1㎏流體輸入系統(tǒng)的位能gZ2：1㎏流體輸出系統(tǒng)的位能動能動能：流體以一定的速度運動時，便具有一定的動能，質(zhì)量為m，流速為u的流體具有的動能為：Ek=(1/2)mu2，J單位質(zhì)量流體輸入系統(tǒng)具有的動能單位質(zhì)量流體輸出系統(tǒng)具有的動能壓強能(靜壓能)流體自低壓向高壓對抗壓力流動時，流體由此獲得的能量稱為壓強能流體推進(jìn)到此截面所需的作用力為，位移為流體帶入系統(tǒng)的靜壓能為：1㎏流體帶入系統(tǒng)的靜壓能為1㎏流體帶出系統(tǒng)的靜壓能為熱：Qe：1㎏流體接受或放出的能量，J/㎏

Qe可為正可為負(fù)；吸熱，Qe則為正值放熱，Qe則為負(fù)值外功(凈功)：We：1㎏流體通過輸送設(shè)備(泵或風(fēng)機)所獲得或輸出的能量，J/㎏；We可為正可為負(fù)；令則有伯努利(Bernoulli)方程式流動系統(tǒng)的機械能衡算式根據(jù)熱力學(xué)第一定律伯努利方程對于不可壓縮流體，比體積和密度為常數(shù)，則有式對于理想流體伯努利方程的討論公式只適用于不可壓縮的理想流體做穩(wěn)定流動，并且無外功輸入的情況位能+動能+勢能=常數(shù)(機械能)位能動能勢能對于非理想流體，由于存在流動過程中的能量損失，如果無外功輸入，系統(tǒng)的總機械能沿流動方向逐漸減小對于實際流體，在管路流動中，上游的總機械能大于下游的總機械能伯努利方程的討論流體本身具有的能量流體在兩截面間獲得或消耗的能量伯努利方程的討論：有效功率，單位時間輸送設(shè)備所做的有效功：流體的質(zhì)量流量，單位為J/s伯努利方程的討論對于可壓縮性流體，兩截面間的壓強差小于原截面壓強的20%，可用伯努利方程計算；但是→伯努利方程的討論對于非穩(wěn)態(tài)流動系統(tǒng)的任意瞬間，伯努利方程任然適用伯努利方程的討論00靜力學(xué)基本方程式伯努利方程的討論以單位質(zhì)量流體為衡算基準(zhǔn)令則有：單位：m位壓頭動壓頭靜壓頭壓頭損失有效壓頭以單位體積流體為衡算基準(zhǔn)伯努利方程的討論各項表示單位體積所具有的能量單位為Pa伯努利方程的三種基本形式伯努利方程解題要點截面的選取，便于建立方程求解；

基準(zhǔn)水平面的選??；

兩截面的壓強，注意表壓和絕對壓強；伯努利方程的應(yīng)用在流動的流體中，流速大的地方壓強??；流速小的地方壓強大V1V0航空中，在速度較快的一側(cè)出現(xiàn)一個“負(fù)壓”，這樣使得物體兩側(cè)出現(xiàn)“壓力差”，對飛機就是一種升力。伯努利方程的應(yīng)用水在管道中由下向上自粗管內(nèi)流入細(xì)管，粗管內(nèi)徑0.3m，細(xì)管內(nèi)徑0.15m，已知1-1’和2-2’截面上的靜壓強分別為1.69*105Pa和1.4*105Pa(表壓)，兩測壓口的垂直距離為1.5m，流體流過兩測壓點的阻力損失為10.6J/kg，求水在管道中的流量。有一輸水系統(tǒng)，水箱內(nèi)水面維持恒定不變，輸水管直徑為60mm*3mm，輸水量為18.3m3/h，水流經(jīng)全部管道(不包括排出口)的能量損失為計算，式中u為管道內(nèi)水的流速(m/s)，求高度H；若輸水量增加5%，管徑不變，水箱內(nèi)水面升高多少？用泵將貯液池中常溫下的水送至吸收至塔頂部，貯液池水面維持恒定，各部分的相對位置如題所示，輸水管直徑為76mm*3mm，排水管出口噴頭連接處的壓強為6.15*104Pa(表壓)，送水量為34.5m3/h，水流經(jīng)全部管道(不包括噴頭)的能量損失為160J/kg，求泵的有效功率。水在虹吸管內(nèi)做穩(wěn)態(tài)流動，管路直徑?jīng)]有變化，水流在管徑內(nèi)流動時能量損失忽略不計，計算管內(nèi)截面2-2’,3-3’,4-4’和5-5’處的壓強。大氣壓強為1.0133*105Pa。圖中所標(biāo)示的尺寸均以mm計。有一敞口輸水系統(tǒng)，輸水管徑57mm*3.5mm，管內(nèi)阻力損失為hf為45*u2/2計算，式中u為管內(nèi)流速，求水的流量為多少立方米每秒。欲使水量增加20%，應(yīng)將水槽內(nèi)水面升高多少。用離心泵把20度的水從貯槽內(nèi)送至水洗塔頂部，槽內(nèi)水面維持恒定。管路直徑均為76mm*2.5mm，泵入口處真空表讀數(shù)為24.66*103Pa，水流經(jīng)吸入管與排出管(不包括噴頭)的阻力損失分別為hf1=2u2與hf2=10u2計算，式中u為吸入管與排出管的流速，排出管與噴頭連接處的壓強為98.07*103Pa(表壓)。求泵的有效功率。30度的水由高位水槽經(jīng)直徑不等的兩段管路，上部細(xì)管直徑為20mm，下部粗管直徑為36mm，不計所有阻力損失，管路中何處壓強最低？流體流動現(xiàn)象本節(jié)的目的時為了了解流體流動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以便為阻力損失計算打下基礎(chǔ)。1.4.1.流動類型與雷諾數(shù)1.4.2.流體在圓管中流動流速分布1.4.2.邊界層雷諾實驗水箱裝有溢流裝置，以維持水位恒定，箱中有一水平玻璃直管，其出口處有一閥門用以調(diào)節(jié)流量。水箱上方裝有帶顏色的小瓶，紅色液體經(jīng)細(xì)管注入玻璃管內(nèi)。

雷諾試驗裝置（a）層流；（b）過渡流；（c）湍流層流（或滯流）如圖（a）所示，流體質(zhì)點僅沿著與管軸平行的方向作直線運動，質(zhì)點無徑向脈動，質(zhì)點之間互不混合；湍流（或紊流）如圖（c）所示，流體質(zhì)點除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點的速度在大小和方向上都隨時變化，質(zhì)點互相碰撞和混合。過渡流是介于這兩種流型之間的流動。從實驗中觀察到，當(dāng)水的流速從小到大時，有色液體變化如圖所示。實驗表明，流體在管道中流動存在兩種截然不同的流型。影響流體流動狀況的主要因素管徑；管路粗糙程度；流體的黏度；密度；雷諾準(zhǔn)數(shù)

流體的流動類型可用雷諾數(shù)Re判斷。

Re準(zhǔn)數(shù)是一個無因次的數(shù)群。無量綱量雷諾數(shù)的物理意義單位時間通過單位質(zhì)量截面積流體的質(zhì)量單位時間通過單位質(zhì)量截面積流體的動量流體內(nèi)部的速度梯度與流體內(nèi)的粘滯力成正比慣性力與粘性力的比值大量的實驗結(jié)果表明，流體在圓形直管內(nèi)流動時，當(dāng)Re≤2000時，流動為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；當(dāng)Re≥4000時，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；當(dāng)2000<Re<4000時，流動可能是層流，也可能是湍流，與外界干擾有關(guān)，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過渡區(qū)。在生產(chǎn)操作中，常將Re>2000（有的資料中為3000）的情況按湍流來處理。uθ1θ2

θ點A處流體質(zhì)點的速度脈動曲線示意圖湍流的描述主要特征：質(zhì)點的脈動瞬時速度=時均速度+脈動速度湍流的描述層流與湍流的區(qū)別：(a)層流(b)過渡流(c)湍流湍流：主體做軸向運動，同時有徑向脈動；特征：流體質(zhì)點的脈動。層流：流體質(zhì)點做直線運動；流體分層流動，層間不相混合、不碰撞；流動阻力來源于層間粘性摩擦力。

過渡流：不是獨立流型（層流+湍流），流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。流體在圓管內(nèi)流動時的速度分布流體柱兩端壓強差：層流時剪應(yīng)力：作用在流體柱上的阻力：流體在圓管內(nèi)流動時的速度分布作用在流體柱上的阻力：流體等速運動時，推動力與阻力相等：公式變化即有：流體在圓管內(nèi)流動時的速度分布對于微分方程：邊界條件：時，時，積分得到：Re≤2000uumaxd層流時流體在圓管中的速度分布可見，層流流動的速度分布為一拋物線；壁面處速度最小，0管中心處速度最大，層流速度分布公式管截面平均流速厚度為dr的環(huán)形截面積dr層內(nèi)的流速為通過此截面的體積流量為對于邊界條件：問：為什么采用環(huán)形截面計算，而不采用圓形截面計算？如何得到管截面平均流速管截面平均流速將Vs與A帶入計算公式，可得：將ur帶入上式，可得：最大流速平均流速層流時，圓管截面平均流速與最大流速之間的關(guān)系umax=2u湍流流速分布Re值越大，曲線頂部越平坦靠近管壁處，質(zhì)點速度迅速下降，曲線較陡u/umaxReRemax1061051041031021070.90.80.70.60.5106105104103102107湍流流速分布邊界層的概念1904年，L.Prandtl指出，對于粘性很小的流體(如空氣、水），粘性對流動的影響僅限于貼近固體表面的一個薄層內(nèi)，這一薄層以外，粘性完全可以忽略。在固體壁面附近，顯著地受到粘性影響的這一薄層。邊界層：

形狀阻力（球體）邊界層的概念ususus層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0δ平板上的流動邊界層

①邊界層的形成條件流動；實際流體；流過固體表面。

②形成過程流體流經(jīng)固體表面；由于粘性，接觸固體表面流體的流速為零；附著在固體表面的流體對相鄰流層流動起阻礙作用，使其流速下降；對相鄰流層的影響，在離開壁的方向上傳遞，并逐漸減小。最終影響減小至零，當(dāng)流速接近或達(dá)到主流的流速時，速度梯度減少至零。③流動邊界層流體的速度梯度主要集中在邊界層內(nèi)，邊界層外，向壁靠近，速度梯度增大；湍流邊界層中，速度梯度集中在層流底層。ususus層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0δ平板上的流動邊界層ususus層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0δ平板上的流動邊界層δ為邊界層的厚度邊界層外沿流速平板上：流體最初接觸平板時，x=0處，u0=0;δ=0；隨流體流動，x增加，δ增加（層流段）；隨邊界層發(fā)展，x增加，δ增加。質(zhì)點脈動，由層流向湍流過渡，轉(zhuǎn)折點距端點處為x0；充分發(fā)展：x＞x0，發(fā)展為穩(wěn)定湍流。ususus層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0δ平板上的流動邊界層邊界層的發(fā)展ususus層流邊界層湍流邊界層層流內(nèi)層Ax0δ平板上的流動邊界層邊界層厚度δ隨x增加而增加層流：湍流：流體在平板上的流動流體在圓形直管的進(jìn)口段內(nèi)的流動u∞uu∞∞uu∞x0δδδd圓管進(jìn)口處層流邊界層的發(fā)展初始階段：速度分布均勻，邊界層很薄；中間階段：粘性加大，邊界層變厚，形成明顯的速度梯度；距入口X0處：邊界層占據(jù)圓管截面；對于層流流動層流時湍流時不管層流還是湍流，邊界層厚度等于圓管半徑。對于完全發(fā)展了的流動：邊界層的分離(現(xiàn)象)從靜止開始邊界層發(fā)展情況邊界層的分離(現(xiàn)象)圓柱后部：貓眼協(xié)和式客機著陸是的氣流場邊界層的分離A點：流速為0，動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，稱為駐點；A—B段：邊界層逐漸形成，流速逐漸增加，靜壓力逐漸減少；流體流經(jīng)圓柱形物體邊界層的分離B點：流速最大，靜壓能最?。籅—C段：流道逐漸增大，部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，部分動能用來克服流體內(nèi)摩擦帶來的流動阻力；流體流速迅速下降，在C點下降為0；邊界層的分離C點：流速為0，靜壓能很大，新的停滯點，后續(xù)流體離開壁面C—D段：流體空白區(qū)，流體發(fā)生倒流，形成漩渦，損失能量；邊界層的分離粘性流體流經(jīng)固體表面的阻力：摩擦阻力損失、形體阻力損失；實驗證實，在同種流體中相同來流速度流過相同迎流截面物體受到的阻力并不相同。容易誤認(rèn)為B物體的阻力大,但事實正好相反。VA

B

迎流截面相等為什么？

粘性流體流過物體時，物體受到的阻力由兩部分組成：摩擦阻力和形狀阻力。形狀阻力的產(chǎn)生與邊界層分離現(xiàn)象有密切關(guān)系園盤形狀阻力

大攻角下流線型體的形狀阻力

形狀阻力（球體）流線型物體的形狀阻力細(xì)長體阻力管路類型類

型結(jié)構(gòu)簡單管路單一管路單一管路是指直徑不變、無分支的管路串聯(lián)管路雖無分支但管徑多變的管路復(fù)雜管路分支管路流體由總管分流到幾個分支，各分支出口不同并聯(lián)管路并聯(lián)管路中，分支最終又匯合到總管流體在管內(nèi)的流動阻力簡單管路復(fù)雜管路流體在管內(nèi)的流動阻力管路180o回彎管三通四通異徑管90o彎頭法蘭卡箍活接頭管帽45o彎頭管件

閘閥

截止閥

止回閥

球閥

旋塞閥全啟式安全閥閥門流體在管內(nèi)的流動阻力uF0xu=0yYdudy平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度流體阻力形成的原因：根本原因：內(nèi)摩擦力形成條件：固體壁面流體粘性相對運動流體在管內(nèi)的流動阻力流體阻力的種類：直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時，內(nèi)摩擦力形成的阻力局部阻力：流體流經(jīng)管路中的管件、閥門、管截面的突然變化所引起的阻力?？偰芰繐p失：流體在管內(nèi)的流動阻力單位質(zhì)量流體流動損失的機械能單位重量流體流動損失的機械能單位體積流體流動損失的機械能流體在管內(nèi)的流動阻力根據(jù)伯努利方程有：流體流動壓力差成因？流體在直管中的流動阻力在1-1和2-2截面之間列機械能衡算式：up1p21122FFdd直圓管內(nèi)阻力公式的推導(dǎo)直圓管內(nèi)阻力計算公式推導(dǎo)因所以流體柱受到的與流動方向一致的推動力：流體柱受到的與流動方向相反的阻力：流體恒速流動時：又：所以J/kgmPa范寧公式計算流體流動阻力的一般公式摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)量綱為1對于層流和湍流，λ要分別討論；λ也受管壁粗糙度的影響管壁粗糙度對摩擦系數(shù)的影響管壁粗糙度絕對粗糙度，ε相對粗糙度，ε/d化工管道分類：光滑管：玻璃管、黃銅管、塑料管粗糙管：鋼管和鑄鐵管粗糙度對λ的影響：

層流時：繞過突出物，對λ無影響。

湍流時：◆當(dāng)Re較小時，層流底層厚，形體阻力小，突出物對λ的影響小；◆當(dāng)高度湍流時，層流底層薄，突出物充分暴露，形成較大的形體阻力，突出物對λ的影響大。層流時：λ與管壁粗糙度無關(guān)；只與流體流動狀態(tài)有關(guān)；即：λ與R