化工原理教师授课教案.doc
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材料科学与化学工程学院
2007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、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；
（1）气体的密度
（2）液体的密度
2、压力Pressure
（1）压力的定义
（2）压力的单位
（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
——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
——两点间压差计算公式
（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
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》
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/s
2、质量流量ms；kg/s
3、流速u；m/s
4、质量流速G；
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ContinuityEquation
1、连续性方程的导出
通式：
不可压缩流体：
不可压缩流体在圆形直管中：
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）
mU
mgz
1/2mu2
pV
mQe
mWe
1Kg流体（J/Kg）
U
gz
1/2u2
pv
Qe
We
2、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
六、流动系统的机械能衡算——柏努利方程BernoulliEquation
方程的导出
增量形式：
对于理想流体（），当没有外功加入时，，上式可简化为
——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：
：
b、沿程性质的能量：
（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：
质量基准：
1kg流体：
；J/kg
重量基准：
1N流体：
；J/N=m
体积基准：
1m3流体：
；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
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ApplicationsofBernoulliEquation
1、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求u某截面的总机械能求各截面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
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
速度梯度；剪应力；
三、黏度
物理意义
单位及其换算
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FlowTypesandReynoldsNumber
1、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
平均流速
2、湍流
速度分布
平均流速
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？
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
边界层
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
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；
三、圆形直管的阻力通式——范宁公式
1、范宁（Fanning）公式
表达式：
；J/m3
；J/kg
；J/N
2、摩擦系数（摩擦因数）
四、层流时的摩擦损失FrictionFactorofLaminarFlow
哈根-泊谡叶公式
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
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
FrictionofNoncircularStraightChannels
1、非圆管的用途
2、当量直径
二、局部阻力的计算FormFriction
1、阻力系数法
2、当量长度法
三、突然扩大和突然缩小
突然扩大的特例：
管出口
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
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
——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=0.98~1.00
3、测速管优缺点
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/s
体积流量：
;m3/s
3、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
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。
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：
3、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
图转子平衡示意图
体积流量：
3、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：
出厂时液体流量计用20°C的水；气体流量计用20°C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。
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
注意：
1、应用条件：
静止的连通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=1.033at
4、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：
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
三、定态流动的柏努利方程式––––能量衡算式
1kg流体：
[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Δp/p1<20%,仍可用上式，且ρ=ρm。
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ρ的计算：
理想气体ρ=PM/RT
混合气体
混合液体
上式中：
––––体积分率；––––质量分率。
6、gz，u2/2，p/ρ三项表示流体本身具有的能量，即位能、动能和静压能。
∑hf为流经系统的能量损失。
We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。
输送设备有效功率Ne=We·ωs，轴功率N=Ne/η（W）
7、3种基准
1N流体：
[m]（压头）
1m3流体：
四、柏努利式中的∑hf
I．流动类型
1、雷诺准数Re及流型Re=duρ/μ=du/ν，μ为动力粘度，单位为[Pa·S]；ν=μ/ρ为运动粘度，单位[m2/s]。
层流：
Re≤2000，湍流：
Re≥4000；20002、牛顿粘性定律τ=μ（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：
①质点的运动方式；
②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：
碰撞和混和使速度平均化。
③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/kg]
1、直管阻力损失hf
范宁公式（层流、湍流均适用）.
层流：
哈根—泊稷叶公式
湍流区（非阻力平方区）：
；
完全湍流区（阻力平方区）：
，具体的定性关系参见摩擦因数图，并定量分析hf与u之间的关系。
推广到非圆型管
注：
不能用de来计算截面积。
2、局部阻力损失hf
①阻力系数法，
②当量长度法，
注意：
截面取管出口内外侧，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，
流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能减小。
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、
2、各支路阻力损失相等。
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。
II．分支管路：
1、
2、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。
第九授课单元
第一章流体流动习题课
教案内容
备注*
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
材料科学与化学工程学院
2007年6月制
第一授课单元
离心泵的操作原理、构造、类型、主要性能参数
教案内容
备注*
一、教学目的
1．了解流体输送机械分类。
2．熟悉液体输送机械——泵的各部分结构
3．掌握叶轮形式，理论压头导出过程、气缚现象
二、教学内容
离心泵的操作原理、构造、类型、主要性能参数
三、教学重点、难点及其处理
1．重点：
叶轮形式，理论压头导出过程
2．难点及其处理方法：
理论压头。
四、教学方法、手段
结合生活中的例子引出流体输送机械，结合教具介绍液体输送机械——泵及其各部分结构
五、板式设计
第一节液体输送机械
液体输送机械按其工作原理通常分两大类：
即离心泵和正位移泵（往复泵和旋转泵）
2-1-1离心泵
离心泵的主要部件与工作原理
（一）离心泵的主要部件
1．叶轮：
闭式，半闭式，开式——展示教具
2．叶轮后盖板上平衡孔的作用：
平衡轴向应力
3吸液方式：
单吸式和双吸式――多媒体
（二）离心泵的工作原理
启动：
1泵内灌满液体，2关出口阀，3开泵（开出口阀）：
――多媒体
原理：
主要依靠高速旋转的叶轮对液体作功，液体在离心力的作用下获得了能量以提高静压能
离心泵的气缚现象
气缚现象：
离心泵启动时，泵内存有空气――多媒体
二、离心泵的基本方程
1推导离心泵的基本方程式的假设：
1叶轮具有无限多叶片
2理想液体
2离心泵的基本方程为：
式中：
理论压头理论流量
叶轮外径叶轮出口宽度
叶轮的转速叶轮出口的流动角
讨论：
1则
2叶片几何形状
后弯叶片静压头大比例大
径向叶片
前弯叶片动压头比例大
3理论流量与理论扬程
线性关系
离心泵的性能参数与特性曲线
离心泵的主要性能参数有流量，压头，轴功率，效率和气蚀余量等。
离心泵性能参数间的关系通常用特性曲线来表示
（一）离心泵的主要性能参数
1．流量Q
2．压头H
3．功率与效率
N=HQrg=HQr/102[KW]
h=（Ne/N）´100%
h小于1，离心泵在输送液体过程中存在能量损失，主要有三种：
（1）容积损失
（2）机械损失
（3）水力损失离心泵的效率反映上述三项能量损失的总和，故又称为总效率，因此总效率为上述三个效率的乘积，即：
h=hVhmhh
离心泵输送液体中的能量传递、变化过程：
六、思考题
离心泵为何采用后弯叶片？
姚玉英等编著化工原理上册
刘佩茹编著化工过程与设备
王志魁主编化工原理第二版
*1、主要参考书目
2、课程实验内容及目的
第二授课单元
离心泵的特性曲线及影响因素
教案内容
备注*
一、教学目的
1．了解离心泵的特性参数。
2．熟悉离心泵的特性曲线
3．掌握离心泵特性曲线得出原理和过程
二、教学内容
离心泵的特性曲线及影响因素
三、教学重点、难点及其处理
1．重点：
离心泵的特性曲线
2．难点及其处理方法：
影响因素。
四、教学方法、手段
板书推导为主。
五、板式设计
离心泵的特性曲线
l离心泵的主要性能参数流量Q、压头H、轴功率N及效率h间的关系曲线称为离心泵的特性曲线或工作性能曲线，此曲线由实验测定。
l图2-12为4B20型离心水泵在2900r／min时的特性曲线，由H-Q，N—Q及h-Q三条曲线所组成。
l特性曲线随转速而变，故特性曲线图上一定要标出实验时的转速。
（1）H-Q曲线
（2）N-Q曲线
（3）h—Q曲线
四、离心泵的性能的改变和换算
泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为介质做实验测得的，
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