《化工原理及实验》word版.doc

化工原理及实验化工原理课程介绍我系开设的化工原理课程坚持以党的教育思想为指导，在教学过程中坚持“解放思想、实事求是”开展调查研究，努力使教学过程符合教学规律，在教学建设、队伍建设、教学管理及组织实施等方面严格遵守工作规范。该课程作为我系本、专科教育的专业主干课开设几年来，整体教学效果优异。现就具体情况作如下报告：一、 教学建设（1） 根据学校本专科的培养目标要求，本课程经过充分研讨制订了教学大纲，选用姚玉英主编天津大学出版的化工原理作为主讲教材，并以国外名著CHEMICAL PROCESS DESIGN（留美博士 杨红群主讲）和教育部规划教材化工单元过程课程设计等作为辅助教材，基本体现了当代经济及社会发展的最新成果； 通过近几年的积累，我系还拥有了化工原理实践等一些校级奖励教材，并建立了教学资料库，拥有一批符合教学大纲和教学基本要求的教学资料；（2） 已建成化工原理实验室总面积 400，拥有流体力学综合试验台、离心泵综合实验台、换热器综合实验台、完全混合式活性污泥法实验装置等一大批实验设备，并将我系自行设计的污水处理厂作为实训场所，基本满足了教学需要；实验开出率完全符合教学大纲要求，高达100%；（3） 本课程部分环节采用多媒体教学，部分理论教学采用上机演示，实际效果良好；学校的教学辅助设备对本课程开放，满足了课程教学需要应用效果好；（4） 通过教研室的同志共同努力，我系现已积累了相当数量的国内外同类课程的教学资料，包括高教出版社、化学工业出版社出版的相关教学资料，并收集了天津大学、北京化工的自编材料，教研室还让专人负责通过网络收集国内外相关课程改革动态和科技动态；（5） 本课程已建立规范化的微机试题库，教师根据实际选择试题，在多次考试中学生成绩呈正态分布，实际应用效果良好。二、 师资队伍建设 本课程授课教师8人，其中拥有高级职称的教师3人，中高级职称教师占87.5%，硕士以上学历教师占87.5%；并且，其中还包括省级骨干教师曹文仲教授；教师整体水平较高。 教师中还拥有国家“八五”重点科技攻关项目直接法合成烷氧基硅烷及偶联剂，整体科研水平非常高，已有“悬浮溶出新工艺和新设备研究”等获奖科研成果。 通过中高级职称教师的共同努力，该课程的实验实践教学具备了综合性、开创性特点，尤其是开展了“化工原理实验教学在校园污水处理中的实践”的研究探索型教学，实际效果良好。 并且在实验室的通力配合下，实验室实现了不定期开放，教师经常鼓励或吸收本科生和优秀专科生参加科研活动。三、 教学实施及教学效果 通过严格要求并经常提醒，所有任课教师课堂教 学规范，授课质量评价优秀，学生对教师的教学水平普遍评价较高，学生欢迎程度很高。通过定期不定期的教学检查等形式，所得结果表现良好。教师在考试命题工作中，能按教学大纲要求，使试题覆盖范围合适，学生成绩基本呈正态分布。 整体上，该课程正按规划逐步建设，经常开展教学研究，并开创性的将我系自行设计的污水处理厂作为课程实训基地，收效甚好。 在教学过程中特别强调学生素质和创新能力的培养，学生的学习质量普遍较好，学生对教师的满意度高，相关课程教师反映衔接良好。 经过试点，本课程还实现了双语教学，由留美博士杨红群主讲CHEMICAL PROCESS DESIGN，学生普遍欢迎。师资梯队建设 本课程授课教师8人，其中拥有高级职称的教师3人，中高级职称教师占87.5%，硕士以上学历教师占87.5%；并且，其中还包括省级骨干教师曹文仲教授；教师整体水平较高。 教师中还拥有国家“八五”重点科技攻关项目直接法合成烷氧基硅烷及偶联剂，整体科研水平非常高，已有“悬浮溶出新工艺和新设备研究”等获奖科研成果。 教师政治、业务素质的提高有规划，有措施 。教师中党员超过一半，整体政治素质不断提高，并经常性组织政治学习和业务研讨，采取有效措施鼓励中青年教师提高学历和学术水平，收效良好。 通过中高级职称教师的共同努力，该课程的实验实践教学具备了综合性、开创性特点，尤其是开展了“化工原理实验教学在校园污水处理中的实践”的研究探索型教学，实际效果良好人员构成曹文仲 中共党员，九江学院化工系主任，教授,南方冶金学院硕士研究生导师。1999年被评为河南省普通高校优秀中青年骨干教师（豫教高字199907号），南阳市科技人才，2001年被评为江西省中青年骨干教师（赣教高字200194号）。杨红群 化学工程系副主任,副教授,博士，南方冶金学院硕士研究生导师。1988年9月至1992年7月于南京化工学院高分子专业进行本科学习，1992年9月至1995年5月于浙江大学化工系进行硕士阶段的学习，1998年8月至2002年8月于美国Iawa State University 攻读化学工程博士学位。伍 川 副教授，南方冶金学院硕士研究生导师，博士。1988.91992.7天津大学化工系工业催化专业获工学学士学位 ，1998.92003.1南京工业大学化学化工学院攻读硕士、博士学位（硕博连读）。李国朝 讲师，中共党员，硕士研究生。杨涛 讲师，中共党员，硕士研究生。曾湘晖 讲师，中共党员，硕士研究生。刘祥丽 讲师，中共党员，硕士研究生。张杨帆 助教，中共党员，教学成果优秀。曹文仲 1962年9月生，中共党员，九江学院化工系主任，教授,南方冶金学院硕士研究生导师。1999年被评为河南省普通高校优秀中青年骨干教师（豫教高字199907号），南阳市科技人才，2001年被评为江西省中青年骨干教师（赣教高字200194号）。 1992.91998.12负责完成了中国有色金属工业总公司重点科技项目“悬浮溶出新工艺及新设备研究”，由于研究阶段成果明显，1996年转为国家“九五”重点科技项目，1998年12月通过国家有色金属工业局鉴定，获国家有色金属工业局科技进步二等奖（省部级），成果论文被CA收录。 1995.21996.11主持完成中国有色金属工业总公司项目“氧化铝新型高效絮凝剂及其应用技术研究”，成果经鉴定达到国际水平，在山西铝厂和中州铝厂使用中，年节约费用200万元，获河南省冶金建材行业科技进步二等奖、中国有色金属工业总公司科技进步三等奖（省部级） 。 1989-1990.12负责完成了“河南铝土矿物质组成和特性及溶出赤泥相组成的研究”；1990.2-1991.10负责完成了“氧化铝生产中铝酸钠溶液分解过程添加剂的研究”;1995-1996.5在“八五”重点科技攻关项目“双流法”溶出新工艺半工业试验中，负责“沉降分离工序的试验研究”子项目；1991.2-1992.9在“八五”重点科技项目“常压氧化钙赤泥脱碱工艺研究及赤泥生产高标号水泥”研究中，负责工艺合成矿物及其显微结构方面的研究工作，项目通过中国有色金属工业总公司专家评议； 1989.2-1990.12 参加完成了河南省重点科技项目“氧化铝废渣(赤泥)路用性能研究”，获河南省科技进步三等奖，中国有色金属工业总公司四等奖。1998-1999完成了郑州市乳胶玻璃丝布厂两百吨絮凝剂厂的建设与开发。1999-2000负责完成了中国21世纪议程管理中心委托的“亚洲中小型企业环境与能源审计”项目。 在中国有色金属学报、化学工程、轻金属以及“有色金属及合金材料国际学术会议”(东北大学)、“全国第三届轻金属学术会议”论文集上发表论文十篇（第一作者），撰写试验报告十余份。第一章: 流体流动浏览字体设置：-10pt+10pt12pt14pt16pt放入我的网络收藏夹第一章: 流体流动流体流动是化工厂中最基本的现象。在化工厂内，不论是待加工的原料或是已制成的产品，常以液态或气态存在。各种工艺生产过程中，往往需要将液体或气体输送至设备内进行物理处理或化学反应，这就涉及到选用什么型式、多大功率的输送机械，如何确定管道直径及如何控制物料的流量、压强、温度等参数以保证操作或反应能正常进行，这些问题都与流体流动密切相关。流体是液体和气体的统称。流体具有流动性，其形状随容器的形状而变化。液体有一定的液面，气体则否。液体几乎不具压缩性，受热时体积膨胀的不显著，所以一般将液体视为不可压缩的流体。与此相反，气体的压缩民很强，受热时体积膨胀很大，所以气体是可压缩的流体。如果在操作过程中，气体的温度和压强改变很小，气体也可近似地按不可压缩流体来处理。流体是由大量的不断作不规则运动的分子组成，各个分子之以及分子内部的原子之间均保留着一定的空隙，所以流体内部是不连续而存在空隙的，要从单个分子运动出发来研究整个流体平衡或运动的规律，是很困难而不现实。所以在流体力学中，不研究个别分子的运动，只研究由大量分子组成的分子集团，设想整个流体由无数个分子集团组成，每个分子集团称为“质点”。质点的大小与它所处的空间在、相比是微不足道的，但比分子自由程要大得多。这样可以设想在流体的内部各个质点相互紧挨着，它们之间没有任何空隙而成为连续体。用这种处理方法就可以不研究分子间的相互作用以及复杂的分子运动，主要研究流体的宏观运动规律，而把流体模化为连续介质，但不是所有情况都是如此的，高真空度下的气体就不能视为连续介质了。液体和气体统称为流体。流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。化工生产的原料及产品大多数是流体。在化工生产中，有以下几个主要方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律： (1) 管内适宜流速、管径及输送设备的选定；(2) 压强、流速和流量的测量；(3) 传热、传质等过程中适宜的流动条件的确定及设备的强化。本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律,并运用这些原理与规律去分析和计算流体的输送问题。 在研究流体流动时,常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质。把每个分子集团称为质点，其大小与容器或管路相比是微不足道的。质点在流体内部一个紧挨一个，它们之间没有任何空隙，即可认为流体充满其所占据的空间。1-1-1 流体的密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度,其表达式为: (1-1) 式中 流体的密度, kg/m3； 流体的质量, kg； 流体的体积, m3。流体的密度一般可在物理化学手册或有关资料中查得。气体是可压缩的流体,其密度随压强和温度而变化。因此气体的密度必须标明其状态。从手册中查得的气体密度往往是某一指定条件下的数值，这就涉及到如何将查得的密度换算为操作条件下的密度。一般当压强不太高、温度不太低时,可按理想气体来换算：（1-2）式中气体的绝对压强, Pa(或采用其它单位);气体的绝对温度, K。(上标表示手册中所指定的条件)实际上,某状态下理想气体的密度可按下式进行计算: (1-3a)或 (1-3b)式中 气体的分子量, kg/kmol; 气体常数,其值为8.315 kJ/(kmol) (下标0表示标准状态)在化工生产中所遇到的流体,往往是含有几个组分的混合物。通常手册中所列出的为纯物质的密度,所以混合物的平均密度还得通过以下公式进行计算。对于液体混合物,各组分的浓度常用质量分率来表示。现以1 kg混合液体为基准,若各组分在混合前后其体积不变,则1 kg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和,即: (1-4) 式中 液体混合物中各纯组分的密度, kg/m3 液体混合物中各组分的质量分率。对于气体混合物,各组分的浓度常用体积分率来表示。现以1m3混合气体为基准,若各组分在混合前后其质量不变,则1 m3混合气体的质量等于各组分的质量之和,即: (1-5)式中 、 气体混合物中各组分的体积分率。气体混合物的平均密度也可按式（1-3a）或式（1-3b）计算,此时应以气体混合物的平均分子量代替式中的气体分子量： （1-6）1-1-2 流体的静压强流体垂直作用于单位面积上的压力,称为流体的静压强,简称压强,其表达式为: (1-7)式中 流体的静压强, ； 垂直作用于流体表面上的压力, N; 作用面的面积, 。 在SI中,压强的单位是,称为帕斯卡,以a表示。但习惯上还采用其它单位,如atm(标准大气压)、某流体柱高度、bar(巴)或等,它们之间的换算关系为: 1 atm=1.033 =760 mmHg=10.33 =1.0133 bar=1.0133105 流体的压强除用不同的单位来计量外,还可以有不同的计量基准。 以绝对零压作起点计算的压强,称为绝对压强,是流体的真实压强。流体的压强可用测压仪表来测量。当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时,所用的测压仪表称为压强表。压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值,称为表压强,即: 表压强绝对压强大气压强当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时,所用测压仪表称为真空表。真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值,称为真空度,即:真空度大气压强绝对压强显然,设备内流体的绝对压强愈低,则它的真空度就愈高。真空度又是表压强的负值,例如,真空度为600mmHg,则表压强是-600mmHg,绝对压强。 应当指出,外界大气压强随大气的温度、湿度和所在地区的海拔高度而改变。为了避免绝对压强、表压强、真空度三者相互混淆,在以后的讨论中规定,对表压强和真空度均加以标注,如2000(表压)、400mmHg(真空度)等。(1-6) 式中 气体混合物中各组分的分子量, kg/kmol； 气体混合物中各组分的摩尔分率。1-1-3 流体静力学基本方程式现讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律,这时流体处于相对静止状态。由于重力就是地心吸力,可以看作是不变的,起变化的是压力。所以实质上是讨论静止流体内部压力(压强)变化的规律。用于描述这一规律的数学表达式,称为流体静力学基本方程式。此方程式可通过下面的方法推导而得。在一静止容器中盛有密度为的静止液体（图1-2）。现于液体内部任意划出一底面积为的垂直液柱。若以容器底为基准水平面,则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为。在垂直方向上作用于液柱上的力有:(1) 作用于上底面的压力1；(2) 作用于下底面的压力；。(3) 作用于整个液柱的重力。 液柱处于静止状态时,在垂直方向上各力的代数和应为零,即: 把上式各项除以A,又因,于是上式便可整理为: (1-8)为讨论方便,对式(1-8)进行适当的变换，即将液柱的上底面取在容器的液面上，设液面上方的压强为,下底面取在距液面任意距离处,作用于其上的压强为。则（1-8a)由上式可见:（1) 当容器液面上方的压强 一定时,静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此,在静止的、连续的同一液体内,处于同一水平面上各点的压强都相等。(2) 当液面上方的压强有改变时,液体内部各点的压强也发生同样大小的改变。(3) 式(1-8a)可改写为：上式说明压强差的大小可以用一定高度的液体柱来表示。由此可以引伸出压强的大小也可用一定高度的液体柱表示,这就是前面所介绍的压强可以用mmHg、等单位来计量的依据。当用液柱高度来表示压强或压强差时,必须注明是何种液体,否则就失去了意义。 式1-8及1-8a适用于液体和气体,统称为流体静力学基本方程式。1-1-4 流体静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量测量压强的仪表很多,现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器。这种测压仪器统称为液柱压差计,可用来测量流体的压强或压强差,较典型的有下述两种。1. U管压差计U管压差计的结构如图1-1所示,它是一根U形玻璃管,内装有液体作为指示液。指示液要与被测流体不互溶,不起化学作用,且其密度应大于被测流体的密度。 当测量管道中1-1与2-2两截面处流体的压强差时,可将U管的两端分别与1-1及2-2两截面相连通,由于两截面的压强P1和P2不相等,所以在U管的两侧便出现指示液面的高度差R，R称为压差计的读数,其值的大小反映1-1及2-2两截面间的压强差(P1-P2)的大小。(P1-P2)与R的关系式，可根据流体静力学基本方程式进行推导。 图1-1所示的管底部装有指示液A，其密度为,管两侧臂上部及连接管内均充满待测流体B,其密度为。图中两点都在连通着的同一种静止流体内,并且在同一水平面上,所以这两点的静压强相等,即。根据流体静力学基本方程式可得于是: 上式简化后即得与的关系式为: (1-9) U管压差计不但可用来测量流体的压强差,也可测量流体在任一处的压强。若U管一端与设备或管道某一截面连接,另一端与大气相通,这时读数所反映的是管道中某截面处流体的绝对压强与大气压强之差,即为表压强。2. 微差压差计由式1-9可以看出,若所测量的压强差很小,U管压差计的读数R也就很小,有时难以准确读出值。为了把读数R放大,除了在选用指示液时,尽可能地使其密度与被测流体的密度接近外,还可采用如图1-4所示的微差压差计。其特点是:(1) 压差计内装有两种密度相接近、且不互溶的指示液和,而指示液与被测流体亦应不互溶。(2) 为了读数方便,使U管的两侧臂顶端各装有扩大室,俗称为水库。扩大室内径与U管内径之比应大于10。这样,扩大室的截面积比U管的截面积大得很多,即使U管内指示液的液面差很大,但两扩大室内的指示液的液面变化很微小,可以认为维持等高。于是压强差便可用下式计算,即: （1-10） 上式中的是两种指示液的密度差,而式1-9中的是指示液与被测流体的密度差。二、 液位的测量 R 图： 1-7化工厂中经常要了解容器里液体的贮存量,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。最原始的液位计的玻璃管内所示的液面高度即为容器内的液面高度。这种构造易于破损,而且不便于远处观测。下面介绍两种利用液柱压差计来测量液位的方法。如图1-6所示,于容器或设备1外边设一个称为平衡器的小室2,里面所装的液体与容器里的相同,平衡器里液面的高度维持在容器液面允许到达的最大高度处。用一装有指示液的U管压差计3把容器与平衡器连通起来,由压差计读数R便可换算出容器里的液面高度。容器里的液面达到最大的高度时, 压差计读数为零,液面愈低,压强差计的读数愈大。若容器离操作室较远或埋在地面以下,要测量其液位可采用图1-7所示的装置。其贮槽内的液位高度为：三、 液封高度的计算在化工生产中常遇到设备的液封问题。在此,主要根据流体静力学基本方程式来确定液封的高度。设备内操作条件不同,采用液封的目的也就不相同。如图1-8所示的为防止乙炔发生炉压强过高设置的安全液封，其液封高度为： 第一章流体流动前面我们讨论了静止流体内部压强的变化规律。但要了解流动着的流体内部压强变化的规律，或解决液体从低位流到高位、从低压流到高压需要输送设备对液体提供的能量，及从高位槽向设备输送一定量的料液时,高位槽应安装的高度等问题，必须找出流体在管内的流动规律。反映流体流动规律的有连续性方程式与柏努利方程式。1-2-1 流量与流速单位时间内流过管道任一截面的流体量,称为流量。若流量用体积来计量,则称为体积流量,以Vs表示,其单位为m3/s。若流量用质量来计量,则称为质量流量,以ws表示,其单位为kg/s。体积流量和质量流量的关系为: (1-11)单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，称为流速，以u表示,其单位为m/s。因流体流经管道任一截面上各点的流速沿管径而变化，故流体的流速通常是指整个管截面上的平均流速,其表达式为： (1-12)式中 A 与流动方向相垂直的管道截面积, m2。由式(111)与(112)可得流量与流速的关系,即: (1-13)由于气体的体积流量随温度和压强而变化，显然气体的流速亦随之而变。因此，采用质量流速就较为方便。质量流速的定义是单位时间内流体流过管道单位截面积的质量，亦称为质量通量，以G表示，其表达式为: (1-14)式中G的单位为kg/(m2s)。对内径为d的圆管，可将式(1-12)变为： (1-15)当已知流量，并选择了适宜的流速后，可根据上式求管内径，求得的内径需圆整到标准管径。1-2-2 稳定流动与不稳定流动在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变,但不随时间而变，这种流动称为稳定流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置而变，又随时间而变，则称为不稳定流动。本章着重讨论稳定流动的问题。 图1101-2-3 连续性方程式在稳定流动系统中，对直径不同的管段作物料衡算,如图1-10所示。以管内壁 、截面1-1与2-2为衡算范围。由于把流体视为连续介质，即流体充满管道，并连续不断地从截面1-1流入、从截面2-2流出。 WS1 WS2图3对于稳定流动系统，物料衡算的基本关系仍为输入量等于输出量。若以s为基准，则物料衡算式为: ws1=ws2。因ws=uA，故上式可写成:(1-16)若上式推广到管路上任何一个截面，即:常数 (1-16a)式(1-16a)表示在稳定流动系统中，流体流经各截面的质量流量不变，而流速u随管道截面积A及流体的密度而变化。若流体可视为不可压缩的流体,即:常数,则式(1-16a)可改写为:常数 (1-16b)式(1-16b)说明不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，它们的体积流量也等。式(1-16)至(1-16b)都称为管内稳定流动的连续性方程式。它反映了在稳定流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律。此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。1-2-4 能量衡算方程式一、 流动系统的总能量衡算在的稳定流动系统中，见图（类似教材1-13附图）流体从泵入口截面1-1流入，经粗细不同的管道，从泵出口截面2-2流出。管路上装有对流体作功的泵及向流体输入或从流体取出热量的换热器。衡算范围：内壁面、1-1与2-2截面间。衡算基准：1 kg流体。基准水平面：o-o平面。设u1、u2 流体分别在截面1-1与2-2处的流速, m/s；p1、p2 流体分别在截面1-1与2-2处的压强, N/m；Z、Z 截面1-1与2-2的中心至基准水平面o-o的垂直距离, m； A1、A2 截面1-1与2-2的面积，m2v1、v2 流体分别在截面1-1与2-2处的比容, m3/kg。1 kg流体进、出系统时输入和输出的能量有下面各项:能量形式意义kg流体的能量，J/kg输入输出内能物质内部能量的总和U1U2位能将1kg的流体自基准水平面升举到某高度Z所作的功gZ1gZ2动能将1kg的流体从静止加速到速度u所作的功静压能1kg流体克服截面压力p所作的功p1v1p2v2热换热器向1 kg流体供应的或从1kg流体取出的热量Qe外功1kg流体通过泵(或其他输送设备)所获得的能量We根据能量守恒定律，连续稳定流动系统的能量衡算是以输入的总能量等于输出的总能量为依据的，于是便可列出以kg流体为基准的能量衡算式，即:（1-17）二、 流动系统的机械能衡算式与柏努利方程式1. 流动系统的机械能衡算式为便于使用式(1-17)，可把U和Qe从式中消去，从而得到适用于计算流体输送系统的机械能变化关系式。根据热力学第一定律知:（1-18）式中 1 kg流体从截面1-1流到截面2-2的过程中，因被加热而引起的体积膨胀所作的功, J/kg； Qe 1 kg流体在截面1-1与2-2之间所获得的热, J/kg。实际上，Qe应当由两部分所组成：一部分是流体与环境所交换的热，即图1-12中换热器所提供的热量Qe ；另一部分是由于流体在截面1-1与2-2间流动时，为克服流动阻力而消耗一部分机械能，这部分机械能转变成热，致使流体的温度略微升高，而不能直接用于流体的输送。从实用上说，这部分机械能是损失掉了，因此常称为能量损失。设1 kg流体在系统中流动，因克服流动阻力而损失的能量为hf ，其单位为J/kg，所以Qe= Qe +hf又因为 故式（1-17）可整理成:（1-19）式(1-19)是表示1 kg流体流动时的机械能的变化关系，称为流体稳定流动时的机械能衡算式，对可压缩流体与不可压缩流体均可适用。2. 柏努利方程式不可压缩流体的比容v或密度为常数，故式1-19中的积分项变为:于是式(1-19)可以改写成: （1-20）或 （1-21a）若流体流动时不产生流动阻力,则流体的能量损失hf=0，这种流体称为理想流体。对于理想流体，又没有外功加入，即hf =0及We=0时，式(1-21)便可简化为：(1-22)式（1-22）称为柏努利方程式，式(1-20)及(1-21a)是柏努利方程式的引伸，习惯上也称为柏努利方程式。三、 柏努利方程式的讨论(1) (1) 式(1-22)表示理想流体在管道内作稳定流动，而又没有外功加入时，在任一截面上单位质量流体所具有的位能、动能、静压能之和为一常数，称为总机械能，以E表示，其单位为J/kg。常数意味着1 kg理想流体在各截面上所具有的总机械能相等,而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。例如,某种理想流体在水平管道中稳定流动,若在某处管道的截面积缩小时,则流速增大,动能增加,因总机械能为常数,静压能就要相应降低,即一部分静压能转变为动能；反之,当另一处管道的截面积增大时,流速减小,动能减小,则静压能增加。因此式(1-22)也表示了理想流体流动过程中各种形式的机械能相互转换的数量关系。(2) 式(1-21a)中各项单位为J/kg，表示单位质量流体所具有的能量。应注意gZ、与We、hf的区别。前三项是指在某截面上流体本身所具有的能量，而后两项是指流体在两截面之间所获得和所消耗的能量。式中We 是输送设备对单位质量流体所作的有效功,是决定流体输送设备的重要数据,单位时间输送设备所作的有效功称为有效功率,以Ne表示,即: (1-23)式中ws为流体的质量流量,所以Ne的单位为J/s或W。(3) 对于可压缩流体的流动，若所取系统两截面间的绝对压强变化小于原来绝对压强的2(即(p1-p2)/ p120)时,仍可用式(1-21)与(1-22)进行计算,但此时式中的流体密度应以两截面间流体的平均密度m来代替。这种处理方法所导致的误差,在工程计算上是允许的。对于不稳定流动系统的任一瞬间,柏努利方程式仍成立。(4) 如果系统里的流体是静止的，则u=0；没有运动，自然没有阻力，即hf=0；由于流体保持静止状态，也就不会有外功加入，即We =0，于是式(1-21)变成：上式与流体静力学基本方程式无异。由此可见,柏努利方程式除表示流体的流动规律外,还表示了流体静止状态的规律,而流体的静止状态只不过是流动状态的一种特殊形式。(5) 如果流体的衡算基准不同,式(1-21a)可写成不同形式。 以单位重量流体为衡算基准。将式(1-21a)各项除以g,则得: 令 （1-21b）上式各项的单位可简化为m，m虽是一个长度单位，但在这里却反映了一定物理意义，它表示单位重量流体所具有的机械能，可以把它自身从基准水平面升举的高度。常把，Hf分别称为位压头、动压头、静压头与压头损失，而He则称为输送设备对流体所提供的有效压头。 以单位体积流体为衡算基准。将式(1-21a)各项乘以流体密度,则：上式各项的单位为Pa ,表示单位体积流体所具有的能量,简化后即为压强的单位。1-2-5 柏努利方程式的应用应用柏努利方程式解题要点：作图与确定衡算范围根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向。定出上、下游截面，以明确流动系统的衡算范围。截面的选取两截面均应与流动方向相垂直，并且在两截面间的流体必须是连续的。所求的未知量应在截面上或在两截面之间，且截面上的Z、u、p等有关物理量，除所需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其它关系计算出来。两截面上的u、p、Z与两截面间的hf都应相互对应一致。基准水平面的选取选取基准水平面的目的是为了确定流体位能的大小,实际上在柏努利方程式中所反映的是位能差(Z=Z2-Z1)的数值。所以，基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。Z值是指截面中心点与基准水平面间的垂直距离。为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任一个截面。如该截面与地面平行，则基准水平面与该截面重合，Z=0；如衡算系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线，Z=0。单位必须一致在用柏努利方程式之前，应把有关物理量换算成一致的SI单位,然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。从柏努利方程式的推导过程得知，式中两截面的压强为绝对压强，但由于式中所反映的是压强差(p=p2-p1)的数值，且绝对压强大气压表压，因此两截面的压强也可以同时用表压强来表示。第三节 流体的流动现象1-3-1产生流动阻力的原因 内摩擦 为了更好地了解流动阻力的来源及其性质，可以用两个固体的相对运动来说明。设于圆管内放一根直径与管内径十分接近的圆木杆，在杆的一端施以一定的推力来克服杆的表面与管壁间的摩擦力，木杆才能在管内通过，这种摩擦力就是两个固体壁面间发生相对运动时出现的阻力。又如，水在圆管内流过时也有类似现象，但也有特殊地方，木杆是作为一个不可分割的整体向前滑动，杆内部各点的速度都相同，摩擦阻力作用于木杆的外周与管内壁接触的表面上。水在管内流过时，由实测知任一截面上各点水流速度并不相同，管子中心速度最大，越接近管壁速度就越小，在贴近管壁处速度为零。所以，流体在管内流动时，实际上被分割成无数极薄的一层套着一层的“流筒”，各层以不同速度向前流动，如图114所示。速度快的“流筒”对慢的起带动作用，而速度慢的“流筒”对快的又起拉曳作用“流筒”间的相互作用形成了流动阻力，因为它发生在流体内部，故称为内摩擦力，内摩擦力是液体粘性的表现，所以又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时由于要克服摩擦力，而将一部分机械能转为热能而损失。一、牛顿粘性定律流体具有流动性，即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。另一方面,在运动的状态下,流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。以水在管内流动时为例,管内任一截面上各点的速度并不相同,中心处的速度最大,愈靠近管壁速度愈小,在管壁处水的质点粘附于管壁上,其速度为零。其他流体在管内流动时也有类似的规律。所以,流体在圆管内流动时,实际上是被分割成无数极薄的圆筒层,一层套着一层,各层以不同的速度向前运动。由于各层速度不同,层与层之间发生了相对运动,速度快的流体层对与之相邻的速度较慢的流体层发生了一个推动其向运动方向前进的力，而同时速度慢的流体层对速度快的流体层也作用着一个大小相等、方向相反的力,从而阻碍较快的流体层向前运动。这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力,称为流体的内摩擦力,是流体粘性的表现,所以又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体在流动时的内摩擦,是流动阻力产生的依据,流体流动时必须克服内摩擦力而作功,从而将流体的一部分机械能转变为热而损失掉。流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关，可通过下面情况加以说明。如上所讨论,设有上下两块平行放置且面积很大而相距很近的平板,板间充满了某种液体。若将下板固定,而对上板施加一个恒定的外力,上板就以恒定速度u沿x方向运动。此时, 两板间的液体就会分成无数平行的薄层而运动,粘附在上板底面的一薄层液体也以速度u随上板而运动,其下各层液体的速度依次降低,粘附在下板表面的液层速度为零。实验证明,对于一定的液体,内摩擦力F与两流体层的速度差u成正比；与两层之间的垂直距离y成反比,与两层间的接触面积S成正比，即:若把上式写成等式，就需引进一个比例系数，即:式中的内摩擦力F与作用面S平行。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力,以?表示,于是上式可写成:（1-24）式(1-24)只适用于u与y成直线关系的场合。当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是如图 1-14所示的曲线关系。则式(1-24)应改写成：(1-24a)式中 速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率； 比例系数，其值随流体的不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。式(1-24)或(1-24a)所显示的关系,称为牛顿粘性定律。二、 流体的粘度式(1-24a)可改写成:所以粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯相联系,只有在运动时才显现出来。分析静止流体的规律时就不用考虑粘度这个因素。粘度是流体物理性质之一,其值由实验测定。液体的粘度随温度升高而减小,气体的粘度则随温度升高而增大。压强变化时,液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强增加而增加得很少,在一般工程计算中可予以忽略,只有在极高或极低的压强下, 才需考虑压强对气体粘度的影响。某些常用流体的粘度,可以从本教材附录或有关手册中查得,但查到的数据常用物理单位制表示,而本课程采用SI,故下面对粘度在两种不同单位制中的换算加以介绍。在SI中, 粘度的单位为:在物理单位制中,粘度的单位为: 因为P的单位比较大,以P表示流体的粘度数值就很小,所以通常采用P的百分之一,即cP(厘泊)作为粘度的单位,而1 cP=0.01 P此外,流体的粘性还可用粘度与密度的比值表示。这个比值称为运动粘度,以表示，即：(1-25)运动粘度在SI中的粘度单位为m/s；在物理制中的单位为cm/s,称为斯托克斯,简称为沲,以St表示,1 St=100 cSt(厘沲) =10m2/s。在工业生产中常遇到各种流体的混合物。对混合物的粘度,如缺乏实验数据时,可参阅有关资料,选用适当的经验公式进行估算。如对于常压气体混合物的粘度,可采用下式计算,即:(1-26)式中 m 常压下混合气体的粘度；y 气体混合物中组分的摩尔分率； 与气体混合物同温下组分的粘度； 气体混合物中组分的分子量。(下标i表示组分的序号)对分子不缔合的液体混合物的粘度,可采用下式进行计算,即:(1-27)式中 m 液体混合物的粘体;x 液体混合物中组分的摩尔分率; 与液体混合物同温下组分的粘度。 (下标i表示组分的序号)最后，还应指出，在推导柏努利方程式时，曾假设一种理想流体，这种流体在流动时没有摩擦损失，即认为内摩擦力为零,故理想流体的粘度为零。这仅是一种设想，实际上并不存在。因为影响粘度的因素较多，给研究实际流体的运动规律带来很大的困难。因此，为把问题简化,先按理想流体来考虑,找出规律后再加以修正,然后应用于实际流体。而且在某些场合下，粘性并不起主要作用，此时实际流体就可按理想流体来处理。所以，引进理想流体的概念，对解决工程实际问题具有重要意义。1-3-3 流动类型与雷诺准数为了直接观察流体流动时内部质点的运动情况及各种因素对流动状况的影响,可安排如教材1-17所示的实验。这个实验称为雷诺实验。在水箱3内装有溢流装置，以维持水位恒定。箱的底部接一段直径相同的水平玻璃管4,管出口处有阀门5以调节流量。水箱上方有装有带颜色液体的小瓶1,有色液体可经过细管2注入玻璃管内。在水流经玻璃管的过程中,同时把有色液体送到玻璃管入口以后的管中心位置上。实验时可观察到,当玻璃管里的水流速度不大时,从细管引到水流中心的有色液体成一直线平稳地流过整根玻璃管,与玻璃管里的水并不相混杂,如图1-18(a)所示。这种现象表明玻璃管里水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动。若把水流速度逐渐提高到一定数值,有色液体的细线开始出现波浪形,两种流种动类型再增,细线便完全消失,有色液体流出细管后随即散开,与水完全混合在一起,使整根玻璃管中的水呈现均匀的颜色,这种现象表明水的质点除了沿着管道向前运动外,各质点还作不规则的杂乱运动,且彼此相互碰撞并相互混合。质点速度的大小和方向随时发生变化。 这个实验揭露出流体流动有两种截然不同的类型。一种相当于图1-18(a)的流动,称为滞流或层流；另一种相当于图1-18(b)的流动,称为湍流或紊流。若用不同的管径和不同的流体分别进行实验。从实验中发现,不仅流速u能引起流动状况改变,而且管径d、流体的粘度和密度也都能引起流动状况的改变。足见,流体的流动状况是由多方面因素决定的。通过进一步的分析研究，可以把这些影响因素组合成为的形式。称为雷诺(Reynolds)准数或雷诺数，以Re表示，这样就可以根据Re准数的数值来分析流动状态。雷诺准数的因次为：可见,Re准数是一个无因次数群。组成此数群的各物理量,必须用一致的单位表示。因此,无论采用何种单位制,只要数群中各物理量的单位一致,所算出的Re值必相等。凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的数群,称为准数或无因次数群。这种组合并非是任意拼凑的,一般都是在大量实践的基础上,对影响某一现象或过程的各种因素有了一定认识之后,再用物理分析或数学推演或二者相结合的方法定出来的。它既反映所包含的各物理量的内在关系,又能说明某一现象或过程的一些本质。如流体的流动类型,可以用雷诺准数来判断。实验证明，流体在直管内流动时，当Re2000时,流体的流动类型属于滞流；当Re4000时，流动类型属于湍流；而Re值在20004000的范围内，可能是滞流，也可能是湍流，若受外界条件的影响，如管道直径或方向的改变、外来的轻微震动，都易促成湍流的发生，所以将这一范围称之为不稳定的过渡区。在生产操作条件下，常将Re3000的情况按湍流考虑。1-3-4 滞流与湍流的比较滞流与湍流的区分不仅在于各有不同的Re值，更重要的是它们的本质区别，即:1. 1. 流体内部质点的运动方式流体在管内作滞流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰撞，产生大大小小的旋涡。由于质点碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的阻力大得多，所以碰撞将使流体前进阻力急剧加大。管道截面上某一固定点的流体质点在沿管轴向前运动的同时，还有径向运动，而径向速度的大小和方向是不断变化的，从而引起轴向速度的大小和方向也随时而变。即在湍流中，流体质点的不规则运动，构成质点在主运动之外还有附加的脉动。质点的脉动是湍流运动的最基本特点。图1-17所示的为截面上某一点i的流体质点的速度脉动曲线。同样，点i的流体质点的压强也是脉动的，可见湍流实际上是一种不稳定的流动。尽管在湍流中，流体质点的速度和压强是脉动的，但由实验发现，管截面上任一点的速度和压强始终是围绕着某一个“平均值”上下变动。如图1-17所示，在时间间隔内，点i的瞬时速度ui，其值总是在平均值i上下变动。平均值i为在某一段时间内，流体质点经过点i的瞬时速度的平均值,称为时均速度，即: （1-31）由图1-17知: （1-32）式中 ui 瞬时速度，表示在某时刻，管道截面上任一点的真实速度，m/s； 脉动速度，表示在同一时刻，管道截面上任一点i的瞬时速度与时均速度的差值， m/s。在稳定系统中，流体作湍流流动时，管道截面上任一点的时均速度不随时间而改变。在湍流运动中，因质点碰撞而产生的附加阻力的计算是很复杂的，但引入脉动与时均值的概念，可以简化复杂的湍流运动，为研究带来一定的方便，有关这一内容已超越本教材的范围。二、 流体在圆管内的速度分布无论是滞流或湍流，在管道任意截面上，流体质点的速度沿管径而变，管壁处速度为零，离开管壁以后速度渐增，到管中心处速度最大。速度在管道截面上的分布规律因流型而异。理论分析和实验都已证明，滞流时的速度沿管径按抛物线的规律分布，如教材1-18(a）所示。截面上各点速度的平均值等于管中心处最大速度umax的0.5倍。湍流时，流体质点的运动情况比较复杂，目前还不能完全采用理论方法得出湍流时的速度分布规律。经实验测定，湍流时圆管内的速度分布曲线如教材1-18(b)所示。由于流体质点的强烈分离与混合，使截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，所以速度分布曲线不再是严格的抛物线。实验证明，当e值愈大时，曲线顶部的区域就愈广阔平但靠管壁处质点的速度骤然下降，曲线较陡。既然湍流时管壁处的速度也等于零，则靠近管壁的流体仍作滞流流动，这一作滞流流动的流体薄层，称为滞流内层或滞流底层。自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞流流动亦非完全湍流流动的区域。这区域称为缓冲层或过渡层。再往中心才是湍流主体。滞流内层的厚度随Re值的增加而减小。滞流内层的存在，对传热与传质过程都有重大影响，这方面的问题，将在后面有关章节中讨论。上述的速度分布曲线，仅在管内流动达到平稳时才成立。在管入口附近处，外来的影响还未消失，以及管路拐弯、分支处和阀门附近，流动受到干扰，这些局部地方的速度分布就不符合上述的规律。此外，流体作湍流流动时，致电发生脉动现象，所以湍流的速度分布曲线应根据截面上各点的时均速度来标绘。三、流体的摩擦阻力流体在直管内流动时，由于流型不同，则流动阻力所遵循的规律亦不相同。滞流时，流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦，对牛顿型流体，内摩擦应力的大小服从牛顿粘性定律。而湍流时，流动阻力除来自于流体的粘性而引起的内摩擦外，还由于流体内部充满了大大小小的旋涡。流体质点的不规则迁移、脉动和碰撞，使得流体质点间的动量交换非常剧烈，产生了前已述及的附加阻力。这阻力又称为湍流切应力