化工流体流动与传热 17-18学时
《化工原理》授课计划
《化工原理》授课计划一、课程简介《化工原理》是一门重要的专业课程,旨在培养学生掌握化工过程中涉及的基本原理、方法和技术。
本课程涵盖了流体流动、传热、蒸发、过滤等多方面内容,对于化工、生物、环境等领域的应用具有重要意义。
本课程共有32学时,包括实验和课程设计。
授课对象为大学二年级学生。
二、教学目标1. 掌握化工原理的基本概念、原理和方法;2. 学会运用化工原理解决实际工程问题;3. 培养工程意识和创新思维。
三、教学内容与安排第一章流体流动基础第一节流体性质与流体静压强第二节流体流动现象与规律第三节流体流量测量与计算方法第四节流体在管内的流动阻力第五节流体输送设备的选择与计算教学安排:4学时(理论)+ 2学时(实验)第二章传热原理与应用第一节传热基本概念与方式第二节热传导与对流传热第三节热辐射与间壁式换热器第四节热量传递速率计算与设备选择教学安排:6学时(理论)+ 2学时(讨论)第三章蒸发原理与技术第一节蒸发基本原理第二节蒸发设备与选择第三节蒸发过程计算与优化教学安排:4学时(理论)+ 2学时(实验)第四章过滤与分离原理第一节过滤基本原理与过程描述第二节过滤设备与选择第三节过滤过程计算与优化教学安排:3学时(理论)+ 实验+2学时(实践)和指导/答疑时间(x 小时)为其他三部分安排适当的课外活动或实践指导时间。
2个课时建议每周一次或组织相关活动以保持学生的积极性和参与度。
此外,建议在课程结束前一周进行一次总结性的复习和答疑,以便学生更好地理解和掌握课程内容。
在实验部分,应注重安全教育,确保学生正确使用实验设备和器材,并确保实验过程的安全。
在实践环节,应提供必要的指导,帮助学生解决实际问题,并鼓励他们提出自己的见解和创新思路。
同时,应注重课程的考核方式,包括平时作业、实验报告、课堂表现和期末考试等多个方面,以全面评估学生的学习效果和实际应用能力。
最后,为了提高教学效果,建议采用多媒体教学、案例分析、小组讨论等多种教学方式,以激发学生的学习兴趣和积极性,促进他们的主动学习和思考。
化工原理(少学时)思考题答案
因为容器内壁给了流体向下的力,使内部压强大于外部压强。 问题 5. 图示两密闭容器内盛有同种液体,各接一 U 形压差计,读数分别为 R1、R2,两压差计间 用一橡皮管相连接,现将容器 A 连同 U 形压差计一起向下移动一段距离,试问读数 R1 与 R2有何 变化?(说明理由)
答 5.容器 A 的液体势能下降,使它与容器 B 的液体势能差减小,从而 R2 减小。R1 不变,因 为该 U 形管两边同时降低,势能差不变。 问题 6. 伯努利方程的应用条件有哪些?
问题 13. 图示的管路系统中,原 1, 2 ,3 阀全部全开,现关小 1 阀开度,则总流量 V 和各支管
流量 V1, V2, V3 将如何变化? 答 13.qV、qV1 下降,qV2、qV3 上升。 问题 14. 什么是液体输送机械的压头或扬程?
答 14.流体输送机械向单位重量流体所提供的能量(J/N)。
答 24.通风机施给每立方米气体的能量称为全压,其中动能部分称为动风压。离心泵 的丫头单位是 J/N(米液柱),全风压的单位是为 N/m2,两者单位不同,若按ΔP=ρgh表 示,可知高度h与密度ρ无关时,压差ΔP 与密度ρ成正比。
第二章 传热
问题 1. 传热过程有哪三种基本方式? 答 1.直接接触式、间壁式、蓄热式。 问题 2. 传热按机理分为哪几种? 答 2.传导、对流、热辐射。 问题 3. 物体的导热系数与哪些主要因素有关? 答 3.与物质聚集状态、温度有关。
化工原理(少学时)思考题答案
第一章 流体流动与输送机械
问题 1. 什么是连续性假定? 质点的含义是什么? 有什么条件? 答 1.假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。
质点是含有大量分子的流体微团,其尺寸远小于设备尺寸,但比起分子自由程却要大得 多。 问题 2 粘性的物理本质是什么? 为什么温度上升, 气体粘度上升, 而液体粘度下降? 答 2.分子间的引力和分子的热运动。
《化工原理》课程教学大纲
《化工原理》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码:260353课程名称:《化工原理》英文名称:Principles of Chemical Engineering课程类别:专业基础课学时:90学时,化工原理(上册)40,化工原理(下册)40,实验10学分:4个适用对象:环境工程专业考核方式:期末考试成绩(占70%)加平时成绩(占30%),其中期末考试为闭卷考试,平时成绩包括考勤,作业、实验和平时测验等。
先修课程:数学、物理、化学、物理化学二、课程简介中文简介:化工原理课程属化学工程技术科学学科,是理论性和实践性都很强的学科,是环境工程专业必修的一门专业基础课程。
本课程的总学时为90学时,其中80学时为课堂教学,而10个学时为实践教学。
其中课堂教学章节和实验教学内容都是按环境工程专业的专业特点而设定的,而与环境工程专业关系不为紧密的则建议自学。
英文简介:Chemical engineering is a technology of chemical engineering subdiscipline. This course specialize in strong theory, practice and is a compulsory courses to environmental engineering specialty. The total period is 90, including 80 period classroom teaaching and 10 period practice teaching. The content of this course is arranged according to the characteristics of environmental engineering. It is suggested that those content that has little relation with environmental engineering should be self-studied.三、课程性质与教学目的(一)课程性质《化工原理》是环境工程专业一门重要的专业基础课,它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。
化工原理课程教学大纲
《化工原理》课程教学大纲(2002年制订,2004年修订)课程编号:200042英文名:Principle of Chemical Engineering课程类别:专业主干课前置课:高等数学、物理学、物理化学后置课:化工设计与概算学分:6学分课时:108学时主讲教师:马云选定教材:姚玉英主编,化工原理,天津:天津科学技术出版社,2004年版课程概述:以化工生产中的物理加工过程为背景,按其操作原理的共性归纳成的若干“单元操作”,其中有流体流动与输送、沉降、过滤、传热、蒸发、蒸馏、吸收、萃取、干燥等,使学生通过学习,掌握单元操作的基本原理以及典型设备的构造与工艺尺寸的计算,以便在化工生产、科研和设计工作中达到强化生产过程,提高设备能力及效率,降低设备投资及产品成本,提高产品质量。
本教学大纲适用于应用化学专业学生。
教学目的:本课程是在学生学完预修课程: 高等数学、物理学和物理化学等课程学习的基础上开设的一门专业基础课,是一门工程学科的课程。
使学生掌握研究化工生产中各种单元操作的基本原理,过程设备和计算方法。
培养学生具有运用课程有关理论来分析和解决化工生产过程中常见实际问题的能力。
并为后续专业课程的学习打下必要的基础。
教学方法:本课程涉及的面较广,半经验和经验的东西较多,内容又比较庞杂,学生学起来有一定难度。
因此,需要合理继承传统媒体和恰当引入现代教学媒体,将不同的教学媒体类型进行优化组合,各展其长,让教学媒体发挥最大的效能。
并且采用开放式的教学方法:1、引导式教学的关键是提出问题,教师通过提出问题引出主题,解释相关概论,提出具体问题的重点。
提出问题可以激发学生学习的兴趣和活跃学生的思维。
2、讨论式教学是打开学生思维大门的钥匙,采用自学讨论式和启发讨论式,可以充分发挥学生的主体作用。
3、反馈式教学是教师挑那些既是重要概论又是学生易出错的题目,每章学完后让学生做练习,然后教师做讲评,使学生练得多、见得多,因而能够举一反三。
化工流体流动与传热
1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程 1.3 流体流动的基本概念 1.4 流体流动的基本方程 1.5 动量传递与流动阻力导论 1.6 流体流动的微分方程 1.6.1 概述
一、微分衡算方程与微分衡算方法
1. 微分衡算方程
连续性
对微单分组质分量流衡体算进方行程√微分质量衡方算程
f ( , r,, z)
时间 径向 坐标
方位角 坐标
轴向 坐标
直角坐标与柱坐标的关系
三、柱坐标与球坐标的连续性方程
柱坐标的连续性方程为
1 r
r
(rur
)
1 r
(u
)
z
( u z
)
0
轴对称
0
r
三、柱坐标与球坐标的连续性方程
2. 球坐标的连续性方程 柱坐标系的坐标分量
f ( , r,, )
Du
D
dFx
dxdydz
Du x
D
dF
dFy
dxdydz Du y D
动量守恒定 律表达式
dFz
dxdydz
Du z
D
一、运动方程的推导
(2)作用在流体微元上的外力 ① 体积力 作用在流体微元整体上的力 只考虑重力场的影响
设 dFg —流体微元所受的重力,N
dFgx Xdxdydz dFg dFgy Ydxdydz
方法1
偏导数表示观察者位置固定,此时测得的温度
随时间的变化率。 (2)全导数 dt
d
方法2
全导数表示观察者与流体各以任意的速度运动,
此时测得的温度随时间的变化率。
二、物理量的时间导数
由 t t(x, y, z, )
《化工单元过程及操作》课程标准
《化工单元过程及操作》课程标准一、课程性质(一)课程定位本课程是中等职业学校化学工艺专业必修的专业基础课,是具体体现和实现职业院校化学工艺专业人才培养目标的重要课程。
通过本课程的学习,使学生掌握化工单元过程及操作的相关知识,具备生产一线工艺设备使用、管理、维护保养的初步技能,进一步提升学生的职业岗位综合能力和职业素养。
本课程应与化工设备与机械、化工生产工艺同时开设,并为后续专业方向课程打好基础。
(二)设计思路本课程是依据"化学工艺专业相关工作任务和职业能力分析表"中的化学工艺专业工作领域设置的,主要是培养学生分析、解决化工生产实际问题方面的能力,在化学工艺专业的教学体系中处于承上启下、不可或缺的地位。
本课程采用了综合化、模块化的设计方法,每个模块均采用了理论实践一体化的思路,力求体现"学练一体、校训融合"的教学理念;本课程内容的选择上降低理论重心,突出实际应用,注重培养学生的应用能力和解决问题的实际工作能力;本课程的内容组织形式上强调学生的主体性,在每个模块实施时,先提出学习目标,再进行任务分析,使学生在开始就知道学习的任务和要求,引起学生的注意,利于学生在任务驱动下,自主学习、自我实践。
在企业调研的基础上,根据化工单元过程及操作这一工作任务对知识和技能的需要,对该课程的内容选择作了模块化的改革,打破以知识传授为主要特征的传统学科课程模式,基于工作过程系统化建设该课程。
以液体流动与输送、沉降与过滤、传热、蒸发、蒸馏、吸收、干燥、冷冻、萃取、结晶、膜分离的化工生产的操作单元为载体来设计教学情境,且每一载体均是一个相对完整的工作过程。
每一模块以化工过程单元操作为主线,结合化工生产常用设备的相关知识,包含每个化工单元操作的简介、技术应用、操作依据、设备构造、操作方法、常见故障分析处理等内容,从而培养学生单元操作的岗位技能和技术应用能力。
教学过程中突出能力训练,力求在实际工作环境中获得真正地职业能力,结合四级职业资格标准对知识、能力、态度的要求,充分运用任务引领、实践导向的课程思想进行项目设计,按照提出任务、制定方案、解决任务、总结与反馈、教学评价等步骤组织项目教学,每个项目在教学中根据企业工作实际情况,要求学生不仅能能正确操作典型化工单元操作设备还能掌握常见化工单元操作的操作要领,并能能处理化工单元操作过程中常见的故障。
《化工原理(上)》教学大纲
《化工原理(上)》教学大纲一、课程基本信息二、课程教育目标1.掌握流体流动及传热等化工过程的基本原理和典型设备的构造及性能;2. 通过本课程知识的系统学习,培养学生的工程观点和解决工程实际问题的能力,包括对化工单元操作进行工程计算的能力、正确运用工程图表的能力以及运用技术经济观点分析、解决工程实际问题的能力;3. 通过学习一些处理工程的基本方法,如因次分析法、数学模型法、过程分解法、试差计算法和图解计算法等,使学生具备在不同场合选用不同方法处理工程问题的能力;4. 通过对基本原理、工程计算和典型设备的讲授,培养学生从过程的基本原理出发,观察、分析、综合、归纳众多影响因素,从中找出问题的主要方面,运用所学知识解决工程问题的科学思维能力和创新思维能力;4、通过本课程学习,培养学生的自学能力和独立工作能力,能根据所处理问题的需要,寻找、阅读有关手册、参考书、文献资料并理解其内容。
三、理论教学内容与要求1. 绪论与流体流动概述(2学时)化工过程与单元操作;本课程性质和任务流体流动及输送问题;流体的连续性和压缩性;流体的物性2.流体静力学(2学时)压强的定义、性质、单位及表示方法;静力学方程及应用;液柱压差计3. 流体流动的守恒原理(5学时)流量与流速;定态流动与非定态流动;流体流动的连续性方程;流体流动的机械能衡算;伯努利方程及应用4.流体流动的内部结构(3学时)牛顿粘性定律;流体的粘度;牛顿型流体与非牛顿型流体;雷诺实验;两种流动型态及判据;层流与湍流的特征;管流剪应力分布和速度分布5.流体流动的阻力计算(3学时)直管内流动阻力与量纲分析;摩擦阻力系数;局部阻力损失;当量的概念(当量直径,当量长度);边界层概念;流动机械能损失计算6. 管路计算与流量测量(4学时)简单管路计算:复杂管路的特点及计算要点;毕托管、孔板流量计、文丘里流量计及转子流量计的测量原理和计算方法7.离心泵(5学时)流体输送机械的作用与分类;离心泵工作原理与主要部件;气缚现象;离心泵性能参数与特性曲线;管路特性方程;工作点的概念和流量调节;安装高度与气蚀现象;离心泵的类型、选用、安装与操作8.其它类型泵与气体输送机械(3学时)往复泵工作原理与结构、性能参数与流量调节、正位移泵特性;旋涡泵、计量泵与旋转泵;离心式通风机工作原理、性能参数与选型计算;罗茨鼓风机;离心式压缩机;真空泵与往复压缩机9.传热概述与热传导(3学时)传热过程在化工生产中的应用;传热的基本方式;工业换热过程;传热速率;傅立叶定律;导热系数及影响因素;一维定态热传导计算(单层与多层平壁、单层与多层圆筒壁)10. 对流传热(4学时)对流传热过程;牛顿冷却定律;对流传热系数及其影响因素;准数方程与准数的物理意义;管内强制对流传热;管外强制对流传热;自然对流传热;蒸汽冷凝传热;液体沸腾传热11. 热辐射(1学时)物体的辐射能力;斯蒂芬-波尔兹曼定律;克希霍夫定律;两灰体间的辐射传热12. 传热过程的计算(5学时)间壁传热过程;热量衡算式;总传热系数计算与分析;串联热阻与控制热阻;污垢热阻;总传热速率方程;平均温度差计算与分析;间壁换热过程计算13. 换热器(2学时)各类工业换热器结构及应用;列管式换热器的参数与流程的选择原则;列管式换热器的设计与选型计算;工业传热过程的强化14. 讨论课(4学时)流体流动计算;传热计算四.实验教学内容与要求1.绪论(2学时)介绍化工原理实验课的研究对象、一般研究方法、特点及数据处理方法2.柏努利演示实验(2学时)实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换;验证流体静力学原理和柏努利方程;实测流体流动压头变化及相应压头损失,确定两者相互之间关系3.雷诺演示实验(2学时)观测雷诺数与流体流动类型关系;观察层流中流体质点的速度分布4.流体阻力实验(4学时)掌握流体流动阻力测定方法,测定直管摩擦阻力系数及局部阻力系数;验证层流区摩擦阻力系数与雷诺数和管子相对粗糙度关系5.离心泵性能实验(4学时)测定离心泵性能曲线并确定最佳工作范围;测定孔板流量计的孔流系数6.强制对流传热膜系数的测定实验(4学时)通过实验确定传热膜系数准数关联式中的系数和指数;分析影响传热膜系数的因素;了解强化传热的途径五.作业每周布置和收交作业,作业每周4~7题,总计60道题左右。
(全) 学习指导:化工专业化工原理课程
化学工程与工艺专业化工原理课程学习指导课程教学内容结构层次、学时及知识点划分说明:化工原理课程是化工专业的一门主要技术基础课程,该课程的性质就是应用物理学、化学和数学等基础知识研究分析化工单元操作的原理及设备。
教学内容所涉及的知识广泛,学习内容多。
因此,将教学内容进行结构层次划分,各层内容进行知识点划分,教学时数规划,有助于教与学。
带※符号的为理论性较强的知识,带★符号的为知识点。
但要指出,在教与学中,均应对于课程的整体进行系统性的掌握。
绪论(2学时)化工生产过程与单元操作、化学工程与化工原理等概念及关系;课程的性质和任务;※课程内容的常用研究方法;★物料衡算和热量衡算;单位制和单位换算。
第1章流体流动(14学时)第1讲:流体的考察方法、流体流动的考察方法。
流体静力学:静压强的概念及其特性;流体流动中机械能的概念;※静压强在空间的分布(流体静力学方程式的导出)。
第2讲:静压强的表示方法及测定方法。
★流体静力学方程式的应用。
流体流动中的守恒原理:质量守恒(连续性方程)、※机械能守恒(流体动力学方程式的导出)。
第3讲:★机械能守恒式的基本应用。
★流体流动中的动量守恒。
流体流动的内部结构:★流动型态;边界层的形成与脱离现象。
第4讲:★圆管内流体层流流动的数学描述(速度分布、剪应力的分布)。
阻力损失的概念;★流体层流流动时阻力损失的计算式(范宁公式)。
第5讲:※圆直管内流体湍流流动时阻力损失的实验研究方法。
局部阻力损失的计算。
第6讲:★管路(包括串联管路、并联管路)的计算:设计型管路的计算;操作型管路的计算(管路中阻力变化对流体流动的影响);举例。
第7讲:★流体流速和流量的测定:毕托管;孔板流量计;转子流量计。
第2章流体输送机械(6学时)第1讲:流体输送机械的分类。
离心泵:构造、工作原理、性能参数、★特性曲线。
★管路的特性曲线。
第2讲:★离心泵的工作点;★离心泵的串联操作;★离心泵的并联操作。
离心泵的汽蚀现象;※汽蚀余量的概念。
《化工单元过程及设备的选择与操作》课程标准
《化工单元过程及设备的选择与操作》课程标准课程名称:《化工单元过程及设备的选择与操作》总学时数:250学 分 数:12开课单位:化学工程系课程类别:必修课适用专业:应用化工技术、石油化工生产技术、有机化工生产技术、高分子材料应用技术、精细化学品生产技术一、课程的性质《化工单元过程及设备的选择与操作》是我院的应用化工技术、石油化工生产技术、有机化工生产技术、精细化学品生产技术、高分子材料应用技术等化学工程与工艺类高职专业的一门专业核心课程,是学生修完化学物料的识用与分析、化工识图与绘图等方面课程后学习的一门专业技术课程,目的是使学生获得今后从事化工生产过程操作与生产过程技术管理等方面必备技能。
课程内容是在专业调研的基础上,以化工生产企业中工段长以上岗位职工所需的知识结构、必需的职业能力为依据进行组织的,其功能是使学生掌握常用化工单元操作过程和反应过程的相关原理以及相应设备操作与维护技能;会进行单元过程方案的选择、设备的选用及部分设备的简单设计,并为今后学习《无机化工生产运行与操控》、《石油炼制运行与操控》、《有机化工生产运行与操控》、《精细化工生产运行与操控》、《高聚物生产与操控》等专业课程打下扎实的基础。
同时注重培养学生的方法能力、社会能力,最终形成化工生产的职业综合能力。
二、课程设计思路本课程总体设计思路是以应用化工技术专业的工程技术人员的相关工作任务和职业能力分析为依据, 以工作过程为导向,构建的行动体系的工作过程系统化的课程。
按照“以能力为本位,以职业实践为主线,以项目课程为主体的模块化专业课程体系”的总体设计要求,该门课程以培养化工单元过程方案选择能力、设备选用与简单设计能力、装置的操作运行能力等为基本目标,打破学科课程的设计思路,紧紧围绕工作任务完成的需要来选择和组织课程内容,突出工作任务与知识的联系,让学习者在职业实践活动的基础上掌握知识,增强课程内容与职业岗位能力要求的相关性,提高学习者的就业能力。
化工原理上册化工流体流动与传热
绪 论一、本门课程的产生化学工业是对原料进行化学加工以获得有用的产品。
显然,其核心是化学反应过程及其设备,为使化学反应经济有效的进行,反应器内必须保持某些最佳反应条件,如适宜的压强、温度和物料的纯度。
这些过程统称为前处理。
反应后,产物与反应物必须分开,产物必须精制,这些过程称为后处理。
前后处理中,绝大多数过程是纯物理过程。
从诸多化学工业生产中如何找出规律性的东西。
解剖麻雀:碳酸氢氨的制造冷气热气Q HCO NH O H CO NH +⇔++34223首先制备原料 3NHQ NH N H +⇔+32223循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下,由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。
压强为[]a P k ⋅⨯310392.31 温度为 C C 520~480 。
①动量传递(冷气入塔)(物理学中:动量=质量⨯速度[]s N ⋅)②热量传递③质量传递(氨水吸收二氧化碳制造碳酸氢氨)④化学反应工程。
(合成炉)除化学反应外,其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。
共同的过程:传递过程(三传一反)共同的方法:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧建立数学方程。
映了过程的真实面貌,的主要因素,大体上反抓住影响过程—即半理论半经验方法)、数学研究模型方法(量之间的关系)。
、直接用实验测取各变(避免了方程式的建立验的方法)、实验研究方法即经(21 任何一个学科(或学科分支)之所以能成为一门学科,必须有统一的研究对象、统一的研究方法。
统一对象即传递过程,也是联系各单元操作的一条主线;各单元操作有着共同的研究方法,这样以单元操作为内容,以传递过程和研究方法为主线组成了“化工原理”这一门课。
共同的过程 共同的方法产生一门学科即:化工原理。
二、《化工原理》课程的性质、地位和作用《化工原理》是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门基础技术课程,其主要任务是研究化工单元操作的基本原理,典型设备的构造及工艺尺寸的计算或设备选型。
化工原理教学大纲
化工原理教学大纲化工原理I课程名称:化工原理 I英文名: Unit Operations of Chemical Engineering I课程号:0817********周学时:3学时学分:3教学目的和教学要求:化工原理课程是化学工程与工艺及其相近专业的一门主干课,是在学生具备了必要的高等数学、物理、物理化学、计算技术等基础知识之后,是一门工科必修的专业技术基础课,是一个承上启下的课程,并为各专业课程打下坚实的基础,起到由理及工的作用。
化工原理的主要内容是研究化工生产中的各主要单元操作及典型设备的基本原理和计算方法。
通过课堂教学、实验(包含多媒体仿真实验)等环节、强调工程观点,定量运算,实验技能和设计能力的训练.强调理论与实际的结合,培养学生分析和解决工程实际问题的能力。
本课程有如下基本要求:1、熟悉和掌握单元操作基本概念、基本原理、基本计算方法和典型设备。
2、学会根据生产、科研要求和物料性质,以及技术上可行、经济合理的原则去选择单元操作和设备。
3、根据所选定单元操作过程和设备进行过程的计算和设备设计,培养学生工程设计能力。
4、要了解化工单元操作过程的操作方法和参数调节,了解强化和优化单元操作过程的途径。
通过《化工原理 I》及实验的学习,使学生了解动量传递(流体流动)、热量传递的基本理论,掌握化工生产中常用的基于动量传递、热量传递的物理加工过程(单元操作)的基本原理,熟练进行相应单元操作的工艺计算,并了解相应单元操作的设备结构和特点。
一、教材信息《化工原理 I》:姚玉英、夏清、陈常贵编;天津大学出版社; 2005年1月第一版二、教学内容和课时分配教学安排共17周。
理论课每周3学时。
理论课主要内容:(一)绪论 0.5学时本课程的性质、内容和学习方法、学习要求。
(二)流体流动 17.5学时1、基本概念:流体的性质、连续介质模型。
2、流体静力学及其应用:静止流体所受的力、流体静力学基本方程、静力学原理在压力和压力差测量上的应用。
化工流体流动与传热
气体的密度随温度、压力改变。低压气体的密度(极低压力除外)可按理想气体状态方程计算
.2 流体混合物的密度
混合物的密度 可以通过纯态物质的密度进行计算。
*
对于气体混合物,其组成常用体积分率 来表示
01
以混合气体为基准,其中各组分的质量分别为
02
气体混合物的质量等于各组分的质量之和
密度场
速度场
温度场
定义、单位、影响因素(温度、压力),密度值是与流体所处的状态对应的。 工程设计时数据来源: 查手册(注意流体的状态,尤其气体); 计算(理想气体、实际气体及混合物); 实验测量。 液体的密度基本上不随压力变化(极高压力除外),随温度略有改变。
气体的密度随温度、压力改变。低压气体的密度(极低压力除外)可按理想气体状态方程计算。
3
单元操作分类
流体动力学过程:流体输送、沉降、过滤。 传热过程:加热、冷却、冷凝、蒸发。 传质过程:蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离。 热质同时传递过程:气体的增湿减湿、结晶、 干燥。
*
单元操作
三传理论
化工原理(单元操作)的研究内容包括“过程”和“设备”两个方面。
动量传递 热量传递 质量传递
=1
1
不可压缩流体
2
通常液体的压缩系数都很小,甚至某些液体的值近似为零,因而可压缩性可以忽略。液体常视为不可压缩流体 。
3
称 0 的流体为可压缩流体;
4
的流体为不可压缩流体,或密度为常数。
气体的密度随压力和温度变化,因此气体在一般情况下是可压缩流体;
实际流体都是可压缩的,不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已。
*
教 学 安 排
裕卿
化工原理课程标准
《化工原理》课程标准课程代码:课程学时:100 课程学分:6开设时间:第3学期课程类型:专业基础课一、课程概述1.课程定位《化工原理》是应用化工技术专业的一门专业核心课,其主要内容是以化工生产中的物理加工过程为背景,依据操作原理的共性,分成为若干单元操作过程,学习各单元操作的基本原理、基本计算、典型设备及选用原则和方法、设备在生产中的操作控制方法。
课程所涉的知识和技能在实际生产中具备很高的应用价值,是培养学生专业职业能力的一门必不可少的工程课程。
《化工原理》要求综合运用基础化学、物理化学、力学及物理学、工程制图及CAD、计算机技术等基础知识来分析和解决化工生产过程中的工程问题,在培养化工技术人才中担负着由理及工、由基础到专业的过渡,在培养学生运用工程观点分析、解决化工生产实际问题方面起着十分重要的作用,在应用化工技术专业的教学体系中处于承上启下、不可或缺的地位。
2.设计思路1.基本理念(1)以学生为本,注重素质培养在教学中,以学生为主体,以学生实践为基础,采用引探法教学,通过教师设置教学情境,引导学生积极主动地参与教学活动,把学生学习的主动性、探究性、参与性、创造性充分地融合到一起。
将学生置于一种开放、动态、主动、多元的学习环境中,培养学生的开放性思维、创新的合作精神,获取信息的能力,挖掘学生的内在学习潜能,使他们的素质得到全面和谐的发展。
(2)依据认知规律,提高教学效率课堂教学是由教学内容、教师、学生和教学环境整合而成的系统,是师生共同探求新知的过程。
因此课堂教学要遵循学生的认知心理发展规律,展现知识的生成、发展和形成过程;使学生的获得认知、参加活动、增加体验、发展情感态度和价值观在课程学习过程中和谐统一。
在教学中,要依据由浅入深、由表及里、由易到难的认知心理顺序,建立实践——理论再实践——再理论的教学活动过程,不断地、循序渐进地提高学生的认知水平、操作技能、工程素养,使学生进行有效的学习,提高学习效率。
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三、数学模型的求解
定义
u*= τs / ρ
摩擦 速度 摩擦 距离
ν ν y*= = τs / ρ u*
y y = y*
+
无因 次 距离
+ u u = u*
无因 次 速度
三、数学模型的求解
速度分布方程
u= f (r)
或
u= f (y)
r y ri
通用速度分布方程
y = ri −r
无因次 速度分 布方程
当 y = r u =um i ax r u* 5 um = (2.5ln i +5.5 u* um −ub =3.7 u* ) ax ax
ν
ν
三、数学模型的求解
对于圆管中的稳态湍流
柏拉休斯1/7 次方定律
r 1/7 u =um ( − ) ax 1 r i 1 由 ub = udA A
∫∫
A
积分得
五、边界层的分离
A→B 在 B点
p
u
克服摩擦阻力
= in u=um p= pm ax p B→P u
在 P点
停滞点
克服摩擦阻力和逆压力梯度
高 u = 0 p很
五、边界层的分离
由于流体是连续和不可 压缩的,后续流体到达 P 点 时,在较高压力下被迫离开 壁面沿新的流线向下游流去, 故发生边界层分离。 P 点下游 为空白区 边界层分离 倒流流体 进行补充 受 P 点高压 作用而退回
(0 ≤ y ≤5 )
u+ =5.0ln y+ −3.05
(5≤ y ≤30 )
u+ = 2 5ln y+ +5 5 . . + (y ≥30 )
湍流主体
三、数学模型的求解
2.平均速度 由 代入
1 ub = A
∫∫ udA
A
u =u+u*=(2.5ln y+ +5.5 u* ) r 积分得 ub = (2.5ln i u*+ .7 )u* 1 5
脉动量
一、时均量与脉动量
时均的定义
A=
θ ∫
1
θ1
1 0
Aθ d
θ1
瞬时量的时均值
ux =
脉动量的时均值 1 θ1 ′ ux = u′ dθ x
0 θ1 ∫
1
uxdθ
∫ 1 θ 1 θ = ∫ u dθ − ∫ u dθ =u −u = 0 θ θ
θ1
0
1 1
1 0
x
1 0
x
x
x
二、湍流强度
描述湍流湍动程度大小的物理量—湍流强度。
dux = 0 ~τ = 0 dy 只考虑惯性力的影响
y u u= f (y) 0
u0 ux u =0
x
三、边界层的形成和发展
1. 平板壁面 设 黏性流体以速度 u0 流过水平放置 的大平板,形成 速度边界层。
临界 距离 缓冲 层 湍 流 中 心
平板壁面上的边界层
三、边界层的形成和发展
平板壁面Re 定义
练 习 题 目
思考题 1.边层理论的要点是什么? 2.边界层是如何形成和发展的? 3.边界层厚度如何定义? 4.何为管道进口段长度,何为充分发展的流动? 5.何为管内湍流流动的三层模型? 作业题: 26、28
三、数学模型的求解
1.通用的速度分布方程 (1)通用速度分布方程的表达方式 由
1/ 2 2 2 τs (k /s )/m m g)(m = = 3 s ρ k g/m
(m2/s) ] ν = =[m τs / ρ (m ) /s
分离点
形成 旋涡 形体阻力
形体阻力
第一章 流体流动
1.7 连续性方程与运动方程应用示例 1.8 湍流 1.8.1 湍流的特点
湍流的特点
湍流具有以下特点 流体质点的高频脉动; 流动阻力急剧增加; 速度分布趋于均匀; 层流内层的存在。
圆管层流速度分布
ub = 0.5um ax ub = 0.817um ax
Rx= e
xu0ρ
µ
临界Re 定义
R xc = e
5
xcu0ρ
R xc = 5×105 e
通常情况
µ
2×10 < R xc < 3×10 e
6
三、边界层的形成和发展
2. 圆形管道 设 黏性流体以速度 u0流过水平放置 圆形管道,形成 速度边界层。
进口段 长度 湍 流 层 流
Lf
圆形管道内的边界层
三、边界层的形成和发展
u = f (y )
+
+
三、数学模型的求解
(2)通用速度分布方程 普兰德理论推导
u = f (y )
尼库拉则 (Nikurades) 莱查德 (Reichardt) 实验
+
+
圆管中湍流流动的通用速度分布
三、数学模型的求解
层流内层 水平圆管 稳态湍流 通用速度 分布方程 缓 冲 层
u =y
+
+
+
+
ub = 0.8 7um 1 ax
三、数学模型的求解
3. 摩擦系数 由 ub = (2.5ln
ub rub u* R u* e i = 2.5ln( ) +1.7 = 2.5ln( 5 ) +1.7 5 u* ν ub 2 ub
由
ν
r i
u*+1.7 )u* 5
f =
τ 2s
ρ2 ub f 2 τs ub = 2 ρ
x
0
通常 1×1 −4m≤δ ≤1×1 −3m 0 0
四、边界层的厚度
2. 边界层厚度的计算 对于平板壁面 层流边界层
− /2 1 δ = 4.64xR x e
湍流边界层
−1/5 δ =0.376xR x e
Rx= e
xu0ρ
µ
四、边界层的厚度
对于圆管管道 当
z < Lf
z ~δ
当
δ
管 径
δ
z ≥ Lf
第一章 流体流动
1.7 连续性方程与运动方程应用示例 1.7.1 圆管中的轴向稳态层流 1.7.2 套管环隙中的轴向稳态层流 1.7.3 平壁上的降落液膜流动 1.7.4 爬流流动 1.7.5 边界层理论简介
一、边界层问题的提出
对于爬流流动
R <1 惯 力< 黏 力 e 性 滞
惯性力可忽略,只考虑黏滞力的影响。 对于实际流体的流动
u*=ub
f 2
三、数学模型的求解
比较得
1 f 1 =1 7 8ln(R .6 e f −0 6 1 .0
λ
= 0.8 4 ln(R λ) −0.9 3 8 e 1
卡门公式 (半经验公式)
适用范围
R <3.4×1 6 e 0
三、数学模型的求解
4. 各层厚度 设 层流内层厚度为 δb 缓冲层厚度为 δm 湍流主体厚度为 δc 当
一、流动的物理模型
设 不可压缩流体在水平圆管内沿轴向作一维、稳 态湍流流动。
层 流 内 层 缓冲层 湍流 主体
应用示例 流体在水平圆管内高速流动。 层流内层 三层 模型 缓 冲 层 湍流主体
流向
圆管内的轴向湍流流动
二、数学模型的建立
基本思想 对连续性方程和运动方程进行雷诺转换,得出 湍流时的运动方程—雷诺方程。 建立雷诺应力与时均速度的关系—普兰德混合 长理论。 根据具体流动问题,对雷诺方程进行简化,确 定定解条件—数学模型建立。
δb = y1 =5
ν
u*
ν
u*
δm = y2 − y1 = 25
u* ν + + y =30 y2 = y y*=30 u*
y =5
+
y1 = y y*=5
+
ν
δc = ri −δb −δm
圆管 半径
第一章 流体流动
1.8 湍流 1.9 量纲分析(自学+选读)
自学提纲
通过自学应了解以下内容: 何为量纲分析法。 基本量纲的表示方法。 量纲分析法的原则。 伯金汉π 定理。
u′ u′ u′ ~ y x z
定义
湍动程度
I=
(u′2 +u′2 +u′2)/3 x y z ux
湍流 强度
对于圆管中的湍流
I = 0.01~0.1
第一章 流体流动
1.8 湍流 1.8.1 湍流的特点 1.8.2 湍流的表征 1.8.3 湍流时的运动方程与雷诺应力 (选读) 1.8.4 普兰德混合长理论(选读) 1.8.5 圆管中的轴向稳态湍流
δ = ri
进口段长度估算
Lf d
=0.0 7 R 55 e
五、边界层的分离
在某些情况下,会出现边界层与固体壁面脱离 的现象— 边界层分离。 设 不可压缩黏性流体以 速度 u0 绕过一水平放 置的长圆柱体,在圆 柱体表面形成速度边 界层。 驻点 在 A点
边界层分离示意图
u = 0 p= pm ax
对于圆形管道内的流动
z < Lf
进口段流动 速度边界层正在发展的流动 速度边界层充分发展的流动 充分发展的层流 充分发展的湍流
本课程讨 论的层流 或湍流
z ≥ Lf
四、边界层的厚度
1. 边界层厚度的定义 由平板边界层
x ~δ
ux →u0 ~ δ →∞
边界层厚度定义式
边界层外 缘的速度
δ
δ = y u =0.99u
层流 内层
圆管湍流速度分布
第一章 流体流动