化工原理-教案-第二章-流体流动

授课时间第周课次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验实训课□习题课□其他□课时安排2授课题目（教学章、节或主题）：第一章绪论教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）了解课程的性质、地位和作用，单元操作与“三传”过程熟悉化工过程物料衡算的基本概念与计算步骤掌握化工过程的构成与特征分类，单元操作的概念，量纲与量纲的一致性教学重点及难点：重点：单元操作的概念、物料、能量衡算的基本概念和步骤。难点：量纲、单位的一致性，物料、能量衡算的步骤。教学基本内容新课导入思考：1.化工过程的特点是什么。2.化工单元操作计算的基本内容是什么？3.物料衡算和热量衡算的依据是什么？第一章绪论新课教授教学基本内容教学基本内容教学基本内容作业和思考题：课后小结：授课时间第周课次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验实训课□习题课□其他□课时安排2授课题目（教学章、节或主题）：第二章流体流动第一节概述第二节流体静力学教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握牛顿黏性定律，流体静力学方程；熟悉流体的主要物性（密度、黏度）和压强的定义、单位及换算；了解牛顿型流体和非牛顿型流体；教学重点及难点：重点：流体静力学方程及其应用；难点：对流体黏性的理解和压强的定义及换算；教学基本内容新课教授第一节概述一、流体的密度1.密度单位体积流体所具有的质量称为密度，以ρ表示，单位为kg/m3。ρ=m/v2.相对密度指流体的密度与某一标准物质的密度之比，s标3.混合液体的密度12121...nn（以1kg混合液为基准）4.混合气体的密度1122...nnxxx（以1m3混合物为基准）例2-1由A、B组成的某理想混合溶液，其中A的质量分数为0.4。已知常压、20℃下A和B的密度分别为879和1106kg/m3.试求该条件下混合液的密度。二、流体的黏度1.黏度反映流体发生运动时或存在运动趋势时，抵抗运动或均势的能力。以μ表示，单位Pa·s。2.牛顿黏性定律由于流体具有黏性，运动着的流体内部相邻流动层间存在着方向相反、大小相等的相互作用力，称为流体的内摩擦力（τ）。=dudy对一定的流体，内摩擦力与两流体层的速度差成正比；与两层之间的垂直距离成反比。3.牛顿型流体：满足牛顿黏性定律的流体，如气体、水及大多数液体。非牛顿型流体：如油墨、泥浆、高分子溶液及高固体含量的悬浮液等。教学基本内容第二节流体静力学一、流体的压强1.压强在流体内部由于流体本身的重力而产生的垂直作用在单位面积上的力称为流体的压强，以p表示，单位N/m2PpA2.压强的表达方法（1）绝对压强以绝对真空为基准测得的流体压强（2）表压强用测压仪表以当地大气压为基准测得的流体压强。表压强=绝对压强-大气压强（3）真空度被测流体的绝对压强小于当地大气压强的真空表读数。真空度=大气压强-绝对压强二、流体静力学方程1.方程推导液柱在垂直方向上受到的力有：重力12GgAzz作用在上表面压力11PpA作用在下表面压力22PpA液柱处于静止状态，垂直方向合力为零：1122pAgAzzpA静力学基本方程为：21ppgh2.讨论（1）适用于密度为常数的静止单相连续液体。（2）静止流体内部某处压强仅与所处位置有关，与水平位置无关。（3）液面上方压强改变量能以同样大小传递到液体内部任一点。教学基本内容三、静力学方程的应用流体静力学原理的应用很广泛，它是连通器和液柱压差计工作原理的基础，还用于容器内液柱的测量，液封装置，不互溶液体的重力分离（倾析器）等。解题的基本要领是正确确定等压面。1.压强与压强差的测定（1）U管压差计指示液的选择依据;指示液要与被测流体不互溶，不起化学反应，且其密度应大于被测流体的密度。12ABppgR（2）倾斜U管压差计被测压差值很小时，放大压差计读数。'12ABppgR'sinRR（3）双液柱微差计当流体被测压差非常小，所得读数太小而不够精确时，在压差计顶部增加两个扩大室，装入指示液C。12ACppgR例2-2压差计中以油和水为指示液，其密度分别为920kg/m3及998kg/m3，U管中油、水交界面高度差R=300mm。两扩大室的内径D均为60mm，U管的内径d为6mm。试求与微压差计相连接的管截面上气体的表压强。2.液位的测定化工厂中经常要了解容器里物料的贮存量，或要控制设备里的液面，因此要进行液位的测量。大多数液位计的作用原理均遵循静止液体内部压强变化的规律。（1）液柱压差计式教学基本内容在容器外边设一个平衡器小室，用一装有指示液A的U管压差计将容器与平衡器连通起来，小室内装的液体与容器内的相同，其液面的高度维持在容器液面允许到达的最大高度处。（2）鼓泡式液柱测量装置容器离操作室较远或埋在地面以下。3.夜封高度的计算（1）液封：利用液柱高度封闭气的一种装置。它是生产过程中为了防止事故发生，为了安全生产而设置的一种装置。（2）安全液封Lphg表例2-3：控制乙炔发生器内的压强不大于80mmHg(表压)，求水封中水应比气体出口管高出多少米？作业和思考题：课后小结：本节重点介绍了流体静力学方程及其应用，要求学生应掌握流体静力学方程的物理意义，并对流体的主要物性（密度、黏度）以及压强的定义等有一定的认识。授课时间第周课次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验实训课□习题课□其他□课时安排2授课题目（教学章、节或主题）：第三节流体动力学教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握连续性方程和伯努利方程及其应用；，熟悉流体流量、流速的定义，流体的流动形态；了解圆管内速度的分布；教学重点及难点：重点：对连续性方程和伯努利方程的理解。难点：应用伯努利方程解决工程中的实际计算问题。教学基本内容复习导入1.流体静力学基本方程2.静力学基本方程的物理意义3.静力学基本方程的应用第三节流体动力学一、流量与流速1.流量：单位时间内流经管路任一截面的流体量体积流量qvm3/sm3/h质量流量qmkg/skg/hqm=ρqv2.流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离u=qv/A=qm/ρA3.流量和流速——流量方程式qv=uA；qm=uρA二、连续性方程稳定流动系统中，流入任一控制体的流体质量必然等于流出控制体的流体质量。连续性方程：12...immmmqqqq在圆管中流动时：221122()()44udud212221udud即流速与管径的平方成反比。三、伯努利方程1.流体自身的能量（1）位能流体质量中心因偏离基准面而具有的能量。位能=mgz，单位质量流体具有的位能为mgzgzm，单单位位：：JJ//kkgg。。新课教授1122教学基本内容（2）动能流体因具有一定的速度所具有的能量。单位质量流体的动能为22122muum，单单位位：：JJ//kkgg。。（（33））静静压压能能流流体体因因具具有有一一定定的的压压力力而而具具有有的的能能量量。。单单位位质质量量流流体体具具有有的的静静压压能能为为pmpm，单单位位：：JJ//kkgg。。位能、动能及静压能三种能量均为流体在截面处所具有的机械能，三者之和称为某截面上的总机械能。22..流流体体与与环环境境交交换换的的热热量量（（11））外外功功流流体体与与外外部部机机械械所所交交换换的的能能量量。。用用WWee表表示示，，单单位位：：JJ//kkgg。。（（22））流流体体阻阻力力由由于于流流体体具具有有粘粘性性，，流流体体流流动动过过程程中中要要克克服服自自身身内内部部质质间间及及其其与与管管路路设设备备间间的的摩摩擦擦力力而而消消耗耗的的能能量量为为流流体体阻阻力力。。单单位位质质量量流流体体的的流流体体阻阻力力用用EEff表表示示，，单单位位为为JJ//KKgg。。33..伯伯努努利利方方程程的的推推导导如如图图22--33选选截截面面11--11和和22--22之之间间的的管管路路为为控控制制体体，，根根据据能能量量守守恒恒得得：：流流体体在在截截面面11--11处处的的机机械械能能++输输入入系系统统的的功功==流流体体在在截截面面22--22处处的的机机械械能能++流流体体阻阻力力22112212+22efpupuzgWzgE伯努利方程1.对伯努利方程的讨论（1）理想流体理想流体由于不具有黏性，因而在流动过程没有摩擦力，没有能量损失，没外加功，伯努利方程可写成：2211221222pupuzgzg对流体做功教学基本内容此此式式表表明明，，理理想想流流的的体体机机械械能能是是守守恒恒的的。。任任一一截截面面上上单单位位质质量量流流体体的的位位能能、、动动能能、、静静压压能能之之和和（（总总机机械械能能））为为一一常常数数。。（（22））静静止止流流体体流流体体处处在在静静止止状状态态，，无无外外加加能能量量和和能能量量损损失失，，伯伯努努利利方方程程可可写写成成：：1212ppzgzg流流体体静静力力学学方方程程表表明明静静止止连连续续均均质质的的流流体体内内部部，，位位能能和和静静压压能能之之和和为为常常数数，，并并且且同同一一水水平平面面上上各各点点压压力力相相等等。。四、伯努利方程的应用1.伯努利方程解题要点（1）作图与确定衡算范围（2）截面的选取（3）基准水平面的选取基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。（4）两截面上的压强两截面的压强除要求单位一致外，还要求基准一致。（5）单位必须一致2.应用举例例2-4某车间用一高位槽向喷头供应液体，液体密度为1050kg/m3。为了达到所要求的喷洒条件，喷头入口处要维持4.05×104Pa的压强（表压），液体在管内的速度为2.2m/s，管路阻力估计为25J/Kg（从高位槽的液面算至喷头入口为止），假设液面维持恒定，求高位槽内液面至少要在喷头入口以上多少米？解：取高位槽液面为1－1'截面，喷头入口处截面为2－2'截面，过2－2'截面中心线为基准面。在此两截面之间列伯努利方程，因两截面间无外功加入（We＝0），故：22112212+22efpupuzgWzgE其中，z1待求值，Z2＝0，u10，u2＝2.2m/s，ρ＝1050kg/m3，p1表＝0，p2表＝4.05×104Pa，Ef＝25J/Kg，将已知数据代入，8.65252.26.3822122121fhuuppgz解出z1＝6.73m。教学基本内容五、流体流动形态11..雷雷诺诺数数：：eduduR22..层层流流----------质质点点沿沿管管轴轴作作有有规规则则的的平平行行运运动动，，各各质质点点互互不不碰碰撞撞，，互互不不混混合合。。33..湍湍流流----------其其质质点点作作不不规规则则的的杂杂乱乱运运动动，，并并互互相相碰碰撞撞混混合合，，产产生生大大大大小小小小的的旋旋涡涡。。作业和思考题：课后小结：本节重点介绍了伯努利方程的推导和应用，该方程对解决流体输送中的问题具有重要意义，因此使学生在理解的基础上记忆并掌握如何应用伯努利方程进行相应计算。授课时间第周课次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验实训课□习题课□其他□课时安排2授课题目（教学章、节或主题）：第四节管内流动阻力教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）掌握流体在圆形直管内部的阻力和局部阻力及其计算；熟悉非圆形管内阻力的计算和当量直径；了解化工管路的构成；教学重点及难点：重点：流体在直管内的流动阻力的计算；难点：层流时和湍流时的摩擦系数的获取以及局部阻力的计算；教学基本内容复习导入1.对伯努利方程的讨论。2.伯努利方程解题要点。第四节管内流动阻力一、化工管路的构成1.常用管子（1）铸铁管：规格内径×壁厚。（2）无缝钢管：规格外径×壁厚。（3）塑料管：常温、常压下酸、碱液的输送。（4）有色金属管：铜、铅、铝管。2.管子的连接形式（1）焊接连接（2）法兰连接（3）螺纹连接（4）承插连接3.管件（1）改变管路方向（2）连接支