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1、 绪论绪论一、化工生产过程一、化工生产过程 原料原料化学反应化学反应产品产品 原料原料前处理前处理化学反应化学反应后处理后处理产品产品 反应工程（有化学反应参加）反应工程（有化学反应参加） 化工原理（纯物理过程）化工原理（纯物理过程）二、单元操作二、单元操作 前、后处理可归纳成一系列的单元操作前、后处理可归纳成一系列的单元操作 单元操作的内容：过程和设备单元操作的内容：过程和设备三、课程性质和特点三、课程性质和特点 性质：工程学科性质：工程学科特点：研究对象特点：研究对象实际工程问题实际工程问题 研究方法研究方法工程处理方法工程处理方法四、课程的两条主线四、课程的两条主线 1统一的研究对象统一
2、的研究对象 传递过程（动量、热量、物质）传递过程（动量、热量、物质） 2统一的研究方法统一的研究方法 实验研究方法（由此及彼、由小见大）实验研究方法（由此及彼、由小见大） 数学模型法（合理简化、建立模型）数学模型法（合理简化、建立模型）五、课程所回答的问题五、课程所回答的问题 选择、设计、操作、发展选择、设计、操作、发展六、单位和量纲六、单位和量纲 1单位：本书全部采用单位：本书全部采用SI单位制单位制 2量纲量纲 1）量纲：用若干符号的组合表示一物理量）量纲：用若干符号的组合表示一物理量 例：长度例：长度 时间时间 质量质量 力力 2）量纲系统：基本量纲与导出量纲的总和）量纲系统：基本量纲与
3、导出量纲的总和 3）量纲的一致性：物理方程中各项具有相）量纲的一致性：物理方程中各项具有相 同的量纲同的量纲 第第1章章 流体流动流体流动 1.1 概述概述1.1.1 流体运动的考察方法流体运动的考察方法一、连续性假定一、连续性假定 固体力学考察对象：单个固体固体力学考察对象：单个固体 流体力学考察对象：质点（流体微团）流体力学考察对象：质点（流体微团） 质点的定义：质点的定义： 连续性假定：流体是连续介质连续性假定：流体是连续介质 目的：可应用微积分和连续函数目的：可应用微积分和连续函数 适用性：绝大多数情况下适用适用性：绝大多数情况下适用二、两种考察方法二、两种考察方法 拉格朗日法、欧拉法
4、拉格朗日法、欧拉法三、定态过程三、定态过程 过程参数仅随空间变化，与时间无关过程参数仅随空间变化，与时间无关四、流线与轨线四、流线与轨线轨线：同一质点在不同时刻轨线：同一质点在不同时刻 所占空间位置的连线所占空间位置的连线流线：同一瞬时不同质点的流线：同一瞬时不同质点的 相同速率的方向连线相同速率的方向连线 流线不会相交流线不会相交定态下：流线与轨线重合定态下：流线与轨线重合五、控制体五、控制体 控制体是作考察对象的某一固定空间体积控制体是作考察对象的某一固定空间体积（欧拉法）（欧拉法）六、考察方法的选择六、考察方法的选择1.1.2 流体流动中的作用力流体流动中的作用力一、力的分类一、力的分类
5、体积力（质量力）：作用于质点与流体质量成体积力（质量力）：作用于质点与流体质量成 正比，如重力、离心力等正比，如重力、离心力等 表面力：与表面积成正比的力，可分为压力与表面力：与表面积成正比的力，可分为压力与 剪力剪力 二、剪应力二、剪应力对大多数流体，剪应力服从牛顿黏性定律：对大多数流体，剪应力服从牛顿黏性定律： 牛顿黏性定律说明：牛顿黏性定律说明：1）流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正）流体剪应力与法向速度梯度成正比，与正 压力无关压力无关 2）流体静止时，）流体静止时， ，则，则 3）相邻流体层的速度只能是连续变化，紧靠）相邻流体层的速度只能是连续变化，紧靠 壁面处的流体流速为壁面处的
6、流体流速为0 三、理想流体与实际流体三、理想流体与实际流体 理想流体理想流体: 实际流体实际流体: 四、黏度四、黏度 1）黏度的物理本质）黏度的物理本质分子间引力和分子分子间引力和分子 热运动、碰撞热运动、碰撞 2）黏度是流体的一个重要物性参数，温度）黏度是流体的一个重要物性参数，温度 对其有直接影响对其有直接影响 运动黏度运动黏度 ； 动力黏度动力黏度五、液体的表面张力五、液体的表面张力1.1.3 流体流动中的机械能流体流动中的机械能 流体流动时，除了位能、动能外，还具流体流动时，除了位能、动能外，还具 有压强能。有压强能。 1.2 流体静力学流体静力学1.2.1 静压强在空间的分布静压强在
7、空间的分布一、静压强的特性一、静压强的特性（1）静止流体中任意界面上只受大小相等）静止流体中任意界面上只受大小相等 方向相反的压力方向相反的压力（2）作用于某一点所有不同方位静压强在）作用于某一点所有不同方位静压强在 数值上相等数值上相等 （3）压强各向传递）压强各向传递二、流体微元的受力平衡二、流体微元的受力平衡（1）表面力）表面力设设A点压强为点压强为 ，作用于作用于 两表两表面上的压力面上的压力分别为：分别为：（2）体积力）体积力 设作用于单位质量流体上的体积力在设作用于单位质量流体上的体积力在 方向方向 上的分量为上的分量为 ，则微元所受的体积力在，则微元所受的体积力在 方向上的分量为
8、方向上的分量为: 流体静止：流体静止： 对对 方向有：方向有： 整理可得：整理可得： 同理：同理： 此式称欧拉平衡方程此式称欧拉平衡方程 以上三式经数学整理得：以上三式经数学整理得： 此式称流体平衡一般表达式此式称流体平衡一般表达式三、平衡方程在重力场中的应用三、平衡方程在重力场中的应用 重力场中重力场中 ， ， 若若 则对图中点则对图中点1和和2有：有： 或或静止流体内压强的分布规律：静止流体内压强的分布规律：静压强仅与垂直位置有关，与水平位置无关。静压强仅与垂直位置有关，与水平位置无关。等高面即为等压面。等高面即为等压面。四、静力学方程应用条件四、静力学方程应用条件静止的、连续（同一种）的
9、不可压缩流体，且静止的、连续（同一种）的不可压缩流体，且只受重力作用。只受重力作用。例：指出下图中例：指出下图中 哪些面为等哪些面为等 压面？压面？1.2.2静力学方程静力学方程的物理意义的物理意义静力学方程中：静力学方程中：单位质量流体具有的位能：单位质量流体具有的位能：单位质量流体具有压强能：单位质量流体具有压强能令令 , ：总势能：总势能该式反映静止流体内部势能分布规律：该式反映静止流体内部势能分布规律：静止流体内各点总势能相等静止流体内各点总势能相等, ：虚拟压强，与：虚拟压强，与 有关有关例：图中紧靠油水界面两侧的虚拟压强分别为例：图中紧靠油水界面两侧的虚拟压强分别为: 、 ，则，则
10、 （ ） 解解:1.2.3 压强的表示方法压强的表示方法一、压强的表示方法一、压强的表示方法1定义：定义：2液柱高度：液柱高度： ，3大气压：大气压： 相当于相当于二、压强的基准二、压强的基准1绝对真空：绝对压绝对真空：绝对压2大气压：表压、真空度大气压：表压、真空度 表压表压=绝对压绝对压大气压大气压 真空度真空度=大气压大气压绝对压绝对压1.2.4 压强的压强的静力学静力学测量方法测量方法一、简单测压管一、简单测压管二、二、U型测压管型测压管 1-2面为等压面面为等压面 当流体为气体时：当流体为气体时： 三、三、U型压差计型压差计 上式表明：当压差计两端的流体相同时，上式表明：当压差计两端
11、的流体相同时， 直接直接反映的是虚拟压强差反映的是虚拟压强差当当 时：时：一般情况：一般情况：例题例题1(P57,习题习题8): 例题例题2:图中，原图中，原 ，压差计读数，压差计读数为为 ，现改为，现改为 ，则，则 =？ 解：解：例题例题3：如图，水的流向如何？：如图，水的流向如何？ 1.3 流体流动中的守恒原理流体流动中的守恒原理1.3.1 质量守恒质量守恒一、流量：单位时间内流过管道某一截面的一、流量：单位时间内流过管道某一截面的 物质量物质量 体积流量体积流量 质量流量质量流量 注意：流量是一种瞬时的特性注意：流量是一种瞬时的特性二、平均流速二、平均流速1）点速度：单位时间流体质点在流
12、动方向上）点速度：单位时间流体质点在流动方向上 的位移的位移黏性流体在管内流动时，流速沿管截面各点的黏性流体在管内流动时，流速沿管截面各点的值不等而形成某种分布值不等而形成某种分布2）平均流速）平均流速:工程上常用一个平均速度来代替工程上常用一个平均速度来代替这一速度分布。在流体流动中常按流量相等的这一速度分布。在流体流动中常按流量相等的原则来确定平均流速原则来确定平均流速 ,3）质量流速）质量流速 注意：平均流速只在计算流量时才能代替速度注意：平均流速只在计算流量时才能代替速度 分布分布 三、质量守恒方程三、质量守恒方程定态流动时定态流动时 则则当当 时时: 或者或者当当 时时: 1.3.2
13、 机械能守恒机械能守恒一、理想流体沿流线的机械能守恒一、理想流体沿流线的机械能守恒 ，流体微元受力与静止流体相同：，流体微元受力与静止流体相同： 整理得：整理得：重力场中重力场中: , 当当 时：时： 或或流动流体中位能、压强能、动能可相互转换，流动流体中位能、压强能、动能可相互转换，但其和保持不变但其和保持不变 适用条件：重力场中，不可压缩的理想适用条件：重力场中，不可压缩的理想流体作定态流动流体作定态流动二、理想流体管流的机械能守恒二、理想流体管流的机械能守恒1）均匀流段）均匀流段流段内各流线相互平行且与流动截面垂直流段内各流线相互平行且与流动截面垂直图中截面图中截面1，2位于均匀流段位于
14、均匀流段2）管流时的能量守恒）管流时的能量守恒 将截面取在均匀流段，截面上各点总势能将截面取在均匀流段，截面上各点总势能 相等相等理想流体，截面上各点动能相等理想流体，截面上各点动能相等经过截面各点的每一条流线具有相同的机械能经过截面各点的每一条流线具有相同的机械能因而因而 可应用于管流可应用于管流均匀流段任一截面上单位质量流体的总机械能均匀流段任一截面上单位质量流体的总机械能相等相等三、实际流体管流的机械能衡算三、实际流体管流的机械能衡算1）动能因子）动能因子 实际流体实际流体 ，截面上各点动能不等，应，截面上各点动能不等，应 用平均动能代替用平均动能代替以总动能相等的原则求平均动能：以总动
15、能相等的原则求平均动能： ，令，令 , 工程上工程上2）机械能（阻力）损失）机械能（阻力）损失黏性流体流动时因内摩擦而导致机械能损耗，黏性流体流动时因内摩擦而导致机械能损耗，常称阻力损失常称阻力损失实际流体的机械能衡算为实际流体的机械能衡算为四、伯努利方程的几何意义四、伯努利方程的几何意义1） 的三种表达形式的三种表达形式 压头，压头， 位头，位头， 速度头速度头2） 的几何意义的几何意义理想流体在流动过程中三种能量形式可相互转理想流体在流动过程中三种能量形式可相互转换，但三头之和为常数。换，但三头之和为常数。五、五、 的应用举例的应用举例1、重力射流、重力射流 可略去可略去 孔流系数：孔流系
16、数：2马利奥特容器马利奥特容器求水面在面以上时小孔流速求水面在面以上时小孔流速解：在解：在 面至面至 面列面列 小孔处的流速为小孔处的流速为应用应用 时所应注意的问题时所应注意的问题1、是否符合应用条件（连续、定态、是否符合应用条件（连续、定态）2、画示意图、画示意图3、截面选取（均匀流段、已知量最多，大截、截面选取（均匀流段、已知量最多，大截 面面 ）1.3.3 动量守恒动量守恒一、管流中的动量守恒一、管流中的动量守恒牛顿第二定律牛顿第二定律:二、动量守恒定律的应用举例二、动量守恒定律的应用举例(1)弯管受力弯管受力三、动量守恒定律与机械能衡算定律的关系三、动量守恒定律与机械能衡算定律的关系
17、1二者均反映了流动流体各运动参数变化规二者均反映了流动流体各运动参数变化规律，流动流体应同时遵循这两个规律。律，流动流体应同时遵循这两个规律。2对二者的应用有不同的要求对二者的应用有不同的要求应用能量方程时，必须已知阻力损失；应用能量方程时，必须已知阻力损失；应用动量方程时，必须已知受力情况；应用动量方程时，必须已知受力情况；在研究流体与固体边界力的关系时，则必须用在研究流体与固体边界力的关系时，则必须用动量方程。动量方程。 1.4 流体流动的内部结构流体流动的内部结构1.4.1 流动的型态流动的型态一、两种流型一、两种流型层流和湍流层流和湍流层流：流体质点只作轴向直线运动，无径向运动层流：流
18、体质点只作轴向直线运动，无径向运动湍流：流体质点不仅作轴向直线运动，还作随机湍流：流体质点不仅作轴向直线运动，还作随机 的径向脉动的径向脉动 二、流型判据二、流型判据雷诺数雷诺数Re1判据判据实验表明：流型实验表明：流型将上述因素组合成无量纲数群将上述因素组合成无量纲数群Re2000 层流层流（层流区）（层流区）2000Re4000 湍流（湍流区）湍流（湍流区）2稳定性的概念稳定性的概念稳定性：抗外界干扰的能力稳定性：抗外界干扰的能力雷诺数雷诺数Re是稳定性的判据是稳定性的判据3 雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义1.4.2 湍流的基本特征湍流的基本特征出现了径向速度脉动出现了径向速度脉动一、时
19、均速度与脉动速度一、时均速度与脉动速度时均速度时均速度瞬时速度瞬时速度二、湍流的强度和尺度二、湍流的强度和尺度湍流：主体流动湍流：主体流动+各种大小、强弱的旋涡各种大小、强弱的旋涡湍流强度与旋涡旋转速度及所包含机械能有关湍流强度与旋涡旋转速度及所包含机械能有关湍流尺度与旋涡大小有关：湍流尺度与旋涡大小有关： Re 湍流尺度湍流尺度三、湍流粘度三、湍流粘度湍流基本特征：速度的脉动湍流基本特征：速度的脉动这种脉动加速了径向动量、热量和质量的传递这种脉动加速了径向动量、热量和质量的传递 层流时层流时 湍流时：湍流时： 湍流粘度。非物性参数，而是表达速度脉动湍流粘度。非物性参数，而是表达速度脉动的一个
20、特征，随不同流场及离壁的距离而变化的一个特征，随不同流场及离壁的距离而变化1.4.3 边界层及边界层脱体边界层及边界层脱体一、边界层一、边界层边界层：流边界层：流体流动受固体流动受固体壁面阻滞体壁面阻滞而造成速度而造成速度梯度的区域梯度的区域二、湍流时的层流内层和过渡层二、湍流时的层流内层和过渡层 层流内层是传递过程主要阻力所在层流内层是传递过程主要阻力所在三、边界层的分离现象三、边界层的分离现象 1.流道扩大时必造成逆压强梯度流道扩大时必造成逆压强梯度 2.逆压强梯度容易造成边界层的分离逆压强梯度容易造成边界层的分离 3.边界层分离产生大量旋涡造成较大能量损失边界层分离产生大量旋涡造成较大能
21、量损失1.4.4 圆管内流体运动的数学描述圆管内流体运动的数学描述一、流体的力平衡一、流体的力平衡两端面上压力两端面上压力: 外表面剪力外表面剪力:重力重力:二、剪应力分布二、剪应力分布此式与流体性质、流动类型无关此式与流体性质、流动类型无关管中心处管中心处: , 管壁处管壁处: ,三、层流时的速度分布三、层流时的速度分布力平衡方程力平衡方程特征方程特征方程 管中心处管中心处 管壁处管壁处 四、层流时平均速度和动能校正系数四、层流时平均速度和动能校正系数五、圆管内湍流的速度分布五、圆管内湍流的速度分布特征方程特征方程 中中 难以确定而无难以确定而无法解析求解法解析求解 ， 六、湍流时的平均速度及动能校正系数六、湍流时的平均速度及动能校正系数
