流体流动教案

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2007年6月制化工原理课教案（第一章）1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、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Density3/,mkg；(1)气体的密度(2)液体的密度2、压力Pressure2/,mNp(1)压力的定义(2)压力的单位(3)压力的表示方法教材：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pp+(pyzxdzzppmgdzdxdyghpp0——流体静力学方程五、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gRppBA)(21——两点间压差计算公式化工原理课教案（第一章）3(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：1-2，1-3，1-6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(FlowRate)与流速(Velocity)1、体积流量Vs；m3/s2、质量流量ms；kg/sssVm3、流速u；m/s4、质量流速G；)./(2smkg二、稳态流动与非稳态流动SteadyflowandUnsteadyflow三、总衡算四、物料衡算——连续性方程ContinuityEquation1、连续性方程的导出通式：常数uAAuAums...222111不可压缩流体：2211AuAu化工原理课教案（第一章）5不可压缩流体在圆形直管中：21221dduu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）能量种类基准流体具有的能量与环境交换能量内能位能动能静压能热量外功mKg流体（J）mUmgz1/2mu2pVmQemWe1Kg流体(J/Kg)Ugz1/2u2pvQeWe2、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222221211122pugzUWQpugzUee化工原理课教案（第一章）6)161()(22aWQpvuzgUee即六、流动系统的机械能衡算——柏努利方程BernoulliEquation方程的导出feWpugzWpugz2222121122增量形式：feWpuzgW22对于理想流体(0)，当没有外功加入时，0,0efWW，上式可简化为2222121122pugZpugZ——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)柏努利方程式中各项的物理意义a、截面性质的能量：pugz,2,2：化工原理课教案（第一章）7b、沿程性质的能量：feWW,(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：3m1N1kg1体积基准：重力基准：质量基准：质量基准：1kg流体：feWpugzWpugz2222121122；J/kg重量基准：1N流体：fehgpguZhgpguZ2222121122；J/N=m体积基准：1m3流体：feWpugZWpugZ2222121122；J/m3=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：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ApplicationsofBernoulliEquation1、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。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，水流经管化工原理课教案（第一章）9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。分析：求p柏努利方程求u某截面的总机械能理想流体求各截面p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化工原理课教案（第一章）10第四授课单元第一章流体流动第三节流体流动现象教案内容备注*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-FLOWPHENOMENA一、内摩擦力，剪力内摩擦应力，剪应力二、牛顿粘性定律Newton’sViscousLaw表达式dydu速度梯度；剪应力；三、黏度物理意义dydu化工原理课教案（第一章）11单位及其换算PcPsPa1010001气体的黏度液体的黏度四、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、流动类型与雷诺准数FlowTypesandReynoldsNumber1、雷诺实验2、雷诺数ReynoldsNumber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2max1Rruu平均流速max21uu2、湍流速度分布71max1Rruu平均流速max817.0uu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）12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）13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-FLOWFRICTION一、阻力的分类ClassificationoftheFriction二、阻力的表现形式——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：22udlpf；J/m322udlpWff；J/kggudlgphff22；J/N2、摩擦系数(摩擦因数)四、层流时的摩擦损失FrictionFactorofLaminarFlow化工原理课教案（第一章）14哈根-泊谡叶公式232dlupf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、Moodygragh(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）15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FrictionofNoncircularStraightChannels1、非圆管的用途2、当量直径442ddd＝润湿周边长截面积二、局部阻力的计算FormFriction1、阻力系数法22upf2、当量长度法22udllWef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）16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）17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平均uu/)'(2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：)(2gRcu；c=0.98~1.003、测速管优缺点化工原理课教案（第一章）18优点：阻力小，可测得点速度，可