1、教师授课教案课程名称： 化工原理 课程号： 03010300 授课教师： 庞金钊、张建伟等 所属教研室： 化工原理 材料科学与化学工程学院化工原理课教案（第一章）12007 年 6 月 制第一授课单元第一章 流体流动 第一节 流体静止的基本方程式教 案 内 容 备 注*一、教学目的了解 静力学基本方程除 U 管压差计外其它的应用熟悉 流体的特点、性质掌握 流体静力学基本方程及其应用二、教学内容流体的特点及其物理性质(密度和压力)流体静力学基本方程的推导、讨论和应用三、教学重点、难点及其处理重点 流体静力学基本方程及其应用难点 压力的表示方法U 管压差计：举例说明(3 种不同情况)以加深理解四、
2、教学方法、手段 课堂教学，板书五、板式设计第一节 流体静止的基本方程式一、流体的特征流动性，易变形；在外力作用下其内部发生相对运动；二、流体流动1、密度 Density ；3/,mkg(1)气体的密度(2)液体的密度2、压力 Pressure 2/,Np(1)压力的定义(2)压力的单位教材：谭天恩等编著 化工原理第三版上册 2006参考书：姚玉英编著化工原理新版 2003 年王志魁 主编 化工原理第二版 2003年刘佩茹 编著化工过程与设备化工原理课教案（第一章）2(3)压力的表示方法图1-1 表压和真空度示意图三、流体静压力的特点四、静力学基本方程的推导 p p+( yzxdzmgdzdxy
3、 流体静力学方程ghp0五、流体静力学方程的应用条件静止的、连通着的同一种连续流体的内部。六、静力学基本方程的讨论1、总势能守恒2、等压面：在静止连续的同一液体内，水平面必为等压面。3、传递定律巴斯噶定理：压力可传递4、可以用液柱高度来表示压力差或压力七、静力学基本方程的应用1、压差计 manometer(1) U 管压差计利用 U 管压差计测量管道任意两点间的压差化工原理课教案（第一章）3两点间压差计算公式gRpBA)(21(2) 倾斜U型管压差计(3) 微差压差计 (双液体 U 管压差计)2、烟囱拔风3、液位的测定4、液封等八、小结思考题：流体流动与刚体运动的主要区别作业：1-2 ，1-3
4、，1-6化工原理课教案（第一章）4第二授课单元第一章 流体流动 第二节 流体流动的基本方程式教 案 内 容 备 注*一、教学目的熟悉 流量和流速等概念；稳态流动和非稳态流动掌握 连续性方程和机械能衡算方程二、教学内容流量，流速，连续性方程，机械能衡算方程三、教学重点、难点及其处理重点 连续性方程，机械能衡算方程难点 机械能衡算方程四、教学方法、手段 课堂教学、板书、演示实验五、板式设计第二节 流体流动的基本方程 一、流量(Flow Rate)与流速(Velocity)1、体积流量 Vs；m 3/s2、质量流量 ms；kg/s3、流速 u；m/s4、质量流速 G； )./(2skg二、稳态流动与
5、非稳态流动 Steady flow and Unsteady flow三、总衡算四、物料衡算连续性方程 Continuity Equation1、连续性方程的导出通式： 体uAAums .21化工原理课教案（第一章）5不可压缩流体： 21Au不可压缩流体在圆形直管中：212d五、总能量衡算方程1、能量形式流体本身具有的能量(1) 内能：(2) 动能(3) 位能(4) 压力能外界提供的能量(1) 热(2) 功流体及流动有关能量（运动着的流体涉及的能量形式）流体具有的能量 与环境交换能量能量种类基准 内 能 位能 动能 静压能 热量 外功mKg流体（J） mU mgz 1/2mu2 pV mQe
6、mWe1Kg流体(J/Kg) U gz 1/2u2 pv Qe We2、总能量衡算总能量衡算，对于定态流动系统：输入能量=输出能量化工原理课教案（第一章）622121 pugzUWQpugzUe)16()(2ave体六、流动系统的机械能衡算柏努利方程 Bernoulli Equation方程的导出 feWpugzpugz 22121增量形式： feW对于理想流体( )，当没有外功加入时， ，00,ef上式可简化为 22121pugZpugZ最初的柏努利方程 七、柏努利方程的讨论(1) 柏努利方程式的适用条件(2) 各种形式的机械能可以相互转换流体在管道流动时的压力变化规律(3) 柏努利方程式中
7、各项的物理意义化工原理课教案（第一章）7a、截面性质的能量： ： pugz,2b、沿程性质的能量： feW,(4) 流体静力学方程是流体动力学方程的特例。柏努利方程不但适用于流动系统，还适用于静止系统。(5) 柏努利方程的其它形式(其它衡算基准的柏努利方程)柏努利方程的 3 种衡算基准形式： 3m1Nkg体体质量基准：1kg 流体： ；J/kgfeWpugzpugz 22121重量基准：1N 流体： ；J/N=mfehZhZ22121体积基准：1m 3 流体： fe WpugZWpugZ22121；J/m 3=Pa思考：生产实际中，管道直径应如何确定？为什么说静力学方程是柏努利方程的特例？作业
8、：1-7 ，1-8化工原理课教案（第一章）8第三授课单元第一章 流体流动 第二节 流体流动的基本方程式教 案 内 容 备 注*一、教学目的掌握 柏努利方程的应用化工原理课教案（第一章）9二、教学内容柏努利方程的应用三、教学重点、难点及其处理重点 柏努利方程的应用难点 截面的截取，以例题形式讲解四、教学方法、手段 课堂教学、板书五、板式设计第二节 流体流动的基本方程 一、柏努利方程的应用 Applications of Bernoulli Equation1、应用柏努利方程的注意事项(1) 作图并确定衡算范围(2) 截面的截取(3) 基准水平面的选取(4) 单位必须一致(5) 大口截面的流速为零
9、。2、例题(1) 教材例题(2) 补充例题水在本题附图所示的虹吸管内作定态流动，管路直径没有变化，水流经管路的能量损失可以忽略不计，计算管内截面 2-2,3-3,4-4 和 5-5 处的压强，大气压强为 760mmHg，图中所标注的尺寸均以 mm 计。化工原理课教案（第一章）10分析：求 p 求 u 某截面的总机械能 求各截面 p 体 体思考题：截面取管出口内外侧，对动能项及出口阻力损失项的计算为什么有所不同？作业：1-9 ，1-10，1-11第四授课单元第一章 流体流动 第三节 流体流动现象化工原理课教案（第一章）11教 案 内 容 备 注*一、教学目的了解 非牛顿型流体熟悉 牛顿粘性定律与
10、流体的粘性 掌握 流动类型与雷诺准数二、教学内容牛顿粘性定律流动类型与雷诺准数滞流与湍流三、教学重点、难点及其处理重点 牛顿粘性定律，流动类型与雷诺准数，滞流与湍流的比较难点 滞流与湍流的比较四、教学方法、手段 课堂教学、板书、演示实验五、板式设计第三节 流体流动现象 FLUID-FLOW PHENOMENA 一、内摩擦力，剪力内摩擦应力，剪应力二、牛顿粘性定律 Newtons Viscous Law表达式 dyu速度梯度；剪应力；三、黏度物理意义 dyu单位及其换算 PcsPa101气体的黏度化工原理课教案（第一章）12液体的黏度四、牛顿型流体与非牛顿型流体五、动量通量、动量传递运动黏度六、
11、流动类型与雷诺准数 Flow Types and Reynolds Number1、雷诺实验2、雷诺数 Reynolds Number 雷诺数的物理意义两种完全不同的流动型态：层流、湍流圆直管内判断流动型态的依据七、管内流动的分析(滞流与湍流的比较)1、层流速度分布 2max1Rru平均流速 ax22、湍流速度分布 71maxRru平均流速 a8.0思考题：滞流与湍流的速度分布和平均流速各为多少？为什么湍流的平均流速大于层流的平均流速？化工原理课教案（第一章）13第五授课单元第一章 流体流动 第三节 流体流动现象 第四节 管内流动的阻力损失教 案 内 容 备 注*一、教学目的了解 因次分析法熟
12、悉 边界层的概念掌握 管内流动的阻力损失二、教学内容边界层概念；管内流动的阻力损失三、教学重点、难点及其处理重点 管内流动的阻力损失难点 边界层分离四、教学方法、手段 课堂教学、板书五、板式设计第三节 流体流动现象一、边界层概念1、边界层的形成边界层定义边界层的厚度图 平板上边界层的形成二、边界层的发展层流边界层缓冲边界层湍流边界层边界层化工原理课教案（第一章）14充分发展的流动图 平板上层流边界层和湍流边界层三、边界层的分离重要特征第四节 管内流动的阻力损失 FLUID-FLOW FRICTION 一、阻力的分类 Classification of the Friction二、阻力的表现形式
13、压力降； fp三、圆形直管的阻力通式范宁公式1、范宁(Fanning) 公式表达式： ；J/m 32udlpf；J/kglWff ；J/Ngudlphff 22、摩擦系数(摩擦因数)四、层流时的摩擦损失 Friction Factor of Laminar Flow化工原理课教案（第一章）15哈根-泊谡叶公式 23dlupf五、湍流时的摩擦系数与因次分析法六、湍流的摩擦损失1、湍流的阻力2、经验公式3、Moody gragh (1) 坐标系：横坐标，纵坐标，参变量(2) 四个区域：层流区(阻力一次方区)过渡区湍流区完全湍流区(阻力平方区)思考题：层流边界层和层流内层的区别。为什么完全湍流区又称
14、为阻力平方区？作业：1-14 ，1-15 ，1-16，1-18化工原理课教案（第一章）16第六授课单元第一章 流体流动 第四节 管内流动的阻力损失教 案 内 容 备 注*一、教学目的熟悉 设计型问题和操作型问题；复杂管路的计算掌握 非圆形管内的摩擦损失 局部阻力损失 管内总阻力损失的计算二、教学内容非圆形管内的摩擦损失 局部阻力损失 管内总阻力损失的计算三、教学重点、难点及其处理重点 直管与局部阻力损失；简单管路的计算难点 局部阻力损失；突然扩大和突然缩小四、教学方法、手段 课堂教学、板书五、板式设计第四节 管内流动的阻力损失一、非圆形管内的摩擦损失Friction of Noncircula
15、r Straight Channels1、非圆管的用途2、当量直径 42dd润 湿 周 边 长截 面 积二、局部阻力的计算 Form Friction1、阻力系数法 2upf2、当量长度法 2dlWef 三、突然扩大和突然缩小突然扩大的特例：管出口化工原理课教案（第一章）17突然缩小的特例：管进口四、管路计算计算类型：操作型问题：管路系统已固定，要求核算在某给定条件下的输送能力或某项技术指标。设计型问题：对于给定的流体输送任务(如一定的流体的体积，流量)，选用合理且经济的管路。关键：流速的选择 计算依据：静力学方程、连续性方程、机械能衡算方程和阻力计算1、简单管路2、分支管路3、汇合管路4、并
16、联管路思考题：设计型问题的计算为什么有时要用试差法？作业：1-20 ，1-21 ，1-22化工原理课教案（第一章）18第七授课单元第一章 流体流动 第六节 流量测量教 案 内 容 备 注*一、教学目的了解 根据流体静力学原理进行流量测量的方法熟悉 各种流量计优缺点和适用场合掌握 变压头流量计和变截面流量计测量流量的原理及其计算二、教学内容变压头流量计：测速管、孔板流量计和文丘里流量计变截面流量计：转子流量计三、教学重点、难点及其处理重点：孔板流量计和转子流量计难点：孔板流量计的永久压力降四、教学方法、手段 课堂教学、板书、实物教学五、板式设计第六节 流量测量 变压头流量计一 测速管1、测速管的
17、结构与安装 与流动方向平行安装2、测速管的工作原理测流量时：放置在管中心 smaxV体u/)(Rgu测速管测定管内流体的基本原理和换算公式 实际使用时： ；c=0.981.00 )(2gRcu3、测速管优缺点化工原理课教案（第一章）19优点：阻力小，可测得点速度，可测局部阻力缺点：不能直接测出平均速度，压差读数小，常需放大才读得准。 4、注意事项二 孔板流量计1、孔板流量计的结构及安装图 孔板流量计示意图垂直于流体流动方向安装；且上下游各有一段等径直管作为稳定段。2、孔板流量计的工作原理突然缩小，突然扩大，测出孔板上、下两个固定位置之间的压力变化大小，便可计量出流量的大小。； m/sAgRCu
18、20体积流量： ; m3/sAsV0化工原理课教案（第一章）203、孔板流量计永久压力降4、孔板流量计的优缺点优点：廉价，读数容易，构造简单，安装方便，流量一般可查图。 取对数后，Vs 与 R 成线性关系AsgRCV20缺点：流体通过孔板流量计的阻力损失很大，额外给管路增加局部阻力，因为 A 变化太突然。20RgChf三、文丘里流量计孔板流量计的变形：逐渐收缩，逐渐扩大1、文丘里流量计的结构：渐缩渐扩的锥管2、文丘里流量计的原理： AvsgRCV20 9.08.的 值 一 般 为vC3、文丘里流量计的优缺点优点：阻力损失小，对测量含有固体颗粒的液体也较孔板合用。 缺点：加工精度要求较高，加工较
19、难，造价较高，并且在安装时流量计本身占据较长的管长位置。变截面流量计四、转子流量计直接可以看到流量1、转子流量计的结构、安装及读数由一个倒锥形的玻璃管(截面自小而上稍微扩大)和一个能上下移动并且比流体密度大的转子(金属或其它材料)所构成。转子的上浮高度，可以表示流体的流量。安装：垂直安装在流体管路上读数：转子的上截面2、转子流量计原理：靠力的平衡测量化工原理课教案（第一章）21图 转子平衡示意图 ffRAVgCu22体积流量： ffRsV223、转子流量计的优缺点优点：压力损失小，可测范围宽，无须保留稳定段。缺点：不耐压，垂直安装(流体只能垂直向上流动)，不能远传。4、转子流量计校正标定：出厂
20、时液体流量计用 20C 的水；气体流量计用 20C 及 1atm 的空气进行实际标定的，并将流量值刻在玻璃管上。校正：当应用测量其它流体时需对原有刻度进行校正，设标定流体与工作流体的 CR 相等。使用时若流体的条件与标定条件不符时，应实验标定或进行刻度换算。思考题：为什么说孔板流量计 A0/A1的值，往往是设计该流量计的核心问题？孔板的缩口愈小，孔口速度愈大，读数就愈大，阻力损失愈大。化工原理课教案（第一章）22第八授课单元第一章 流体流动小结 讲评第一章作业教 案 内 容 备 注*流体流动基本概念与基本原理一、 流体静力学基本方程式或 )(2112zgpghp0注意：1、应用条件：静止的连通
21、着的同一种连续的流体。2、压强的表示方法：绝压大气压=表压 表压常由压强表来测量；大气压绝压=真空度 真空度常由真空表来测量。3、压强单位的换算：1atm=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033kgf/cm2=1.033at4、应用：水平管路上两点间压强差与 U 型管压差计读数 R的关系： gRpA)(21处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须时静止、连续和同一种液体。二、定态流动系统的连续性方程式物料衡算式 常 数常 数 uAuAwsA 21, 常 数常 数V 21121/, dA圆 形 管 中 流 动常 数三、定态流动的柏努利方程式能量衡算式1kg 流体：
22、fhuPgZWeuPgZ22211 J/kg讨论点：1、流体的流动满足连续性假设；2、理想流体，无外功输入时，机械能守恒式：3、可压缩流体,当 p/p 120%,仍可用上式，且化工原理课教案（第一章）23= m。4、注意运用柏努利方程式解题时的一般步骤，截面与基准面选取的原则。5、流体密度 的计算：理想气体 =PM/RT 混合气体 vnvvmxx21混合液体 nwwm21上式中： 体积分率； 质量分率。vixix6、gz，u 2/2，p/ 三项表示流体本身具有的能量，即位能、动能和静压能。h f 为流经系统的能量损失。W e 为流体在两截面间所获得的有效功，是决定流体输送设备重要参数。输送设备
23、有效功率 Ne=Wes，轴功率N=Ne/（W ）7、3 种基准1N 流体： m （压头）fe HgupZH21m3 流体： ,ffafe hphgh 而,四、 柏努利式中的h fI 流动类型1、雷诺准数 Re 及流型 Re=du/=du/， 为动力粘度，单位为PaS；=/ 为运动粘度，单位m 2/s。层流：Re2000，湍流：Re4000；2000Re4000 为不稳定过渡区。2、牛顿粘性定律 =(du/dy)气体的粘度随温度升高而增加，液体的粘度随温度升高而降低。3、流型的比较：化工原理课教案（第一章）24质点的运动方式； 速度分布，层流：抛物线型，平均速度为最大速度的 0.5 倍；湍流：碰
24、撞和混和使速度平均化。 阻力，层流：粘度内摩擦力，湍流：粘度内摩擦力+湍流切应力。II 流体在管内流动时的阻力损失: J/kgfffh1、直管阻力损失 hf 范宁公式(层流、湍流均适用).ff pudlh2层流： 2364) dluhRf fee 或即哈根泊稷叶公式湍流区(非阻力平方区) ： ；),(dfe完全湍流区(阻力平方区) ： ，具体的定性关系参见f摩擦因数图，并定量分析 hf 与 u 之间的关系。推广到非圆型管 润 湿 周 边 长流 通 截 面 积4Herd注：不能用 de 来计算截面积。2、局部阻力损失 hf阻力系数法， 5.0.12 cefu当量长度法， dlhf注意：截面取管出
25、口内外侧，对动能项及出口阻力损失项的计算有所不同。当管径不变时， 2)(udlhfe流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能化工原理课教案（第一章）25减小。流体在等径管中作稳定流动流体由于流动而有摩擦阻力损失，流体的流速沿管长不变。流体流动时的摩擦阻力损失 hf所损失的是机械能中的静压能项。完全湍流（阻力平方区）时，粗糙管的摩擦系数数值只取决于相对粗糙度。五、 管路计算I 并联管路：1、 321V2、 各支路阻力损失相等。32ffff hh即并联管路的特点是：(1) 并联管段的压强降 相等；(2) 主管流量等于并联的各管段流量之和；(3)并联各管段中管子长、直径小的管段通过的流量小
26、。II分支管路：1、 321V2、分支点处至各支管终了时的总机械能和能量损失之和相等。六、流量测量1、皮托管用来测量管道中流体的点速度。2、孔板流量计为定截面变压差流量计，用来测量管道中流体的流量。随着 Re 增大其孔流系数 C0 先减小，后保持为定值。3、文丘里管改进的孔板流量计4、转子流量计为定压差变截面流量计。注意：转子流量计的校正。测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将增加，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧压差值将不变。化工原理课教案（第一章）26第九授课单元第一章 流体流动习题课教 案 内 容 备 注*化工原理课教案（第一章）27一、教学目的精讲勤练，通过做习题让同学们熟练掌握第一章的内容二、教学内容教材中的习题和补充习题三、教学重点、难点及其处理重点：简单管路的柏努利方程的应用设计型问题难点：操作型问题四、教学方法、手段课堂教学、板书 五、板式设计
